淺談國內外海上風電基礎型式與發展趨勢

賈曉輝,關輝

（中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222042）

淺談國內外海上風電基礎型式與發展趨勢

賈曉輝,關輝

（中交第三航務工程局有限公司江蘇分公司，江蘇 連云港 222042）

本文簡單介紹了海上風機的各種基礎型式，較為詳細地對基礎型式的結構、適用的海域（水深和地質）、施工方法、優缺點、國內外使用現狀以及發展前景進行了描述，重點是對浮式和IBGS概念基礎的提出，希望能夠為國內同類型或相似工程的投資、設計、施工和安裝提供較為多元化的選擇和參考的依據。

海上風電；基礎型式；浮式基礎；IBGS；概念基礎

國內風能從剛開始起步時的補充能源，變成現在的替代能源，是我國發展最快的綠色能源。在我國陸上風電場建設快速發展的近些年，隨著“棄風限電”情況的出現和國家政策的實施，人們已經注意到陸上風能利用所受到的一些限制，于是將目光逐漸轉向了風速大、風向較穩定的海上風能。早在1990年，第一座海上風機在瑞典Baltic Sea海岸架設成功，人們已經看到了海上風電的巨大潛力。2006年我國頒布的《中華人民共和國可再生能源法》成為推動我國海上風能利用的催化劑，2011年國內第一個海上風電項目——上海杭州灣東大橋海上風電就是最好的印證。通過對國內外已經建成的海上風電場投資比例大數據的分析，風機基礎成本約占風電場總成本的20%～30%，是造成海上風電成本較高的原因之一，因此探討合理使用基礎結構型式成為海上風電發展的重點。經過了20多年的發展，海上風電基礎型式隨著各地迥異的海域、地質和天氣等因素也逐漸趨于多樣化，目前國內外海上風電基礎型式可分為四大類：樁承式基礎、重力式基礎、吸力式基礎、浮式基礎。

1 樁承式基礎

樁承式基礎可分為：單樁基礎、群樁基礎、三腳架基礎、導管架基礎。

（1）單樁基礎。單樁基礎即單根鋼管樁基礎是由一個直徑在3～7m之間的鋼管樁構成，適用于小于25m的水域，其結構特點是構造簡單、受力明確。對于軟土地基可采用錘擊沉樁法，對于巖石地基可采用鉆孔的方法，也可在巖石地基內形成大直徑鉆孔灌注樁。由于該基礎生產工藝簡單，施工成本低，施工過程易控制，施工單位經驗較豐富等優點，目前成為海上風機的主流基礎結構。目前國內外此種基礎型式結構應用較為廣泛，如中國的鹽城東臺項目（2016）、大連莊河項目（巖地鉆孔法）（2017）；英國的Sheringham Shoal（2012）；丹麥的homs Rev（2009）；愛爾蘭的Arklow Bank（2003）；荷蘭的WP Q7（2005）等項目。

（2）群樁基礎。群樁基礎中應用最為廣泛的是高樁承臺群樁基礎（有預埋基礎環和預埋錨栓等型式），由基樁和上部承臺（包括混凝土承臺和鋼承臺）組成，適用于5～20m的水域。斜樁基樁沿一定半徑的圓周布設，對抵抗水平位移和結構受力較為有利，但樁基相對較長，總體結構偏于厚重。因波浪對承臺產生較大的頂推力作用，需對基樁承臺的連接采取加固措施。目前國內此種基礎型式較為常見，如鹽城響水項目，采用的就是預埋基礎環和預埋錨栓（試驗樁）高樁承臺基礎型式，還有上海東大橋風電場項目，采用8根1～3m直徑的鋼管樁作為基樁，在承臺底面呈圓周形均勻布置。

（3）三腳架基礎。用三根1～3m直徑的鋼管樁定位于海底，埋置于海床下10～20m的地方，三腳桁架為預制構件，承受上部塔筒荷載，并將應力與力矩傳遞于三根鋼樁。三根樁成等邊三角形均勻布設，樁頂通過鋼套管支撐上部三腳桁架結構，構成組合式基礎。該基礎自重較輕，整體結構穩定性較好，適用于15～30m的水域。目前國內外也有一些項目采用三腳架式基礎，如我國的南通如東項目（潮間帶）；德國的Alpha Ventus（2010）中的Multibrid公司的6臺；瑞典的Nogersund（1990）等項目。

（4）導管架基礎。導管架基礎是一鋼質錐臺形空間框架，以鋼管為骨架，在陸上預制完成，再運輸到安裝點就位，將鋼管樁從導管中打入海底。該基礎強度高，重量輕，承載力大，并能有效解決水下連接問題，適用于5～50m范圍內的水域，但造價昂貴，需要大量的鋼材，易受天氣和海浪的影響。導管架基礎是深海海域風電場未來發展的趨勢之一。國內此種基礎型式還在試驗階段，如珠海桂山項目，國外也處于發展階段，如德國的Alpha Ventus（2010）海上風電場中的6臺Repower機組；英國Beatrice（2006）示范海上風電場中的兩臺5MW機組、Ormonde（2012）等項目。

2 重力式基礎

重力式基礎主要依靠自重使風機垂直矗立在海面上，一般為鋼筋混凝土沉箱結構，其承載力小、制造工藝簡單，適合巖土地基及堅硬的黏土、砂土，地基必須有足夠的承載力支撐基礎結構自重和環境荷載等，應用于0～10m的水域。

早期的海上風電基礎均采用此基礎型式，國內對此基礎型式還在試驗階段，如鹽城響水項目中的兩臺風機基礎（復合筒式結構），采用的就是重力式基礎和吸力式基礎相結合的基礎結構；還有就是瑞典的Lillgrund Oresund（2008）；丹麥的Sprogo（2009）；比利時的Belwind（2011）等項目。

3 吸力式基礎

吸力式基礎又稱為負壓筒式基礎，該基礎分為單筒及多筒吸力式沉箱基礎，是一種新型的海洋工程基礎結構型式，適用于地質條件為砂性土或軟黏土的各種水深條件風場。由于其材料安裝成本低于樁承式基礎，且易于海上運輸和安裝而受到海上風力發電行業的青睞。

吸力式基礎在海上風電場工程的應用案例較少，如丹麥的Frederikshaven（2003），由此看來，吸力式基礎發展空間較大，但是可靠性還需要進一步的驗證。

4 浮式基礎

浮式基礎根據水深、天氣和安裝需求的不同，可分為TLP、Spar、Semi、Barge，是漂浮在海面上的盒式平臺，再用錨泊系統錨定于海床，適用于大于50m的水域，是未來深海海域風機基礎發展的趨勢之一。

國內此種基礎結構型式還在學習和積累經驗階段，目前還沒有海上風電工程采用，國外此種基礎型式已經處于發展階段，如荷蘭的Blue H Technologies公司在2008年用離岸油井的技術開發出世界第一座浮式風能發電機（80kW），安裝在意大利南部Puglia外海的風電場；2009年挪威Karmoy海域的Hywind（采用Spar基礎）；葡萄牙Priciple Power的Wind Float（2011）；University of Maine（2013）造了一個1：8的大尺度樣機模型在海上進行了試驗，基礎配備三個錨桿和三個浮箱；在2013年，日本建造了兩個樣機：半潛式和Spar式基礎；2017年挪威石油在位于Scotland的Pilot Park浮式風電場安裝五臺6MW風機，基礎采用Spar基礎并通過錨鏈固定于海床。

5 IBGS概念基礎

IBGS（Inward Battered Guide Structure）概念基礎由Keystone設計，并在2016年于美國境內的Block Island海上風電場正式投產，此風電場為美國第一個海上風電項目，項目投資2.9億美元，配備五臺6MW GE Haliade風機，水深23～28m，產生的電力可滿足Block Island居民90%的能源需求。

如圖1所示，IBGS基礎類似于導管架，但整體結構卻非常緊湊，性能較好，同等條件下比傳統的導管架結構節省鋼材，同時整個結構節點也較其減少了9個，焊接工作量低，建造方便，安裝也較為簡單。雖然是三腿結構，但其實是四根基樁，風機中部與中間基樁連接，這對于整體結構的穩性有較大幫助。

圖1 導管架和IBGS

相關資料顯示，Keystone對于颶風條件影響下的導管架基礎做了很多研究，并將其專利IBGS同傳統導管架進行過比較，同樣的風機、同樣的OP條件，在強度、固有頻率都滿足設計要求的條件下IBGS比傳統導管架輕20%，安裝成本低20%。IBGS已經在英國作為測風塔基礎進行了建造安裝，如果真的能夠在實踐中經受住考驗，無疑將在海上風電基礎型式中具有強勁的競爭力。

6 結語

本文介紹了樁承式基礎、重力式基礎、吸力式基礎和浮式基礎以及相應的基礎型式的結構、適用的海域（水深和地質）、施工方法、優缺點、國內外使用現狀以及發展前景等有關知識，再到IBGS概念基礎的提出，體現了風機基礎型式的多樣性和復雜性，既有利于業主方成本化和合理化投資，又有利于設計方因地制宜的設計和參考，更有利于施工方對本工程風機基礎的施工、安裝和學習。

[1]陳達.海上風電機組基礎結構[M].中國水利水電出版社，2014.1.

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1671-0711（2017）06（下）-0131-02