海上風電機組重力式基礎發展回顧

文 | 楊威，林毅峰，張權

與陸上風電相比，海上風電機組的基礎結構具有重心高、傾覆力矩大、動力響應顯著的特點，同時還受到波浪、海流、海床地質以及海冰等環境因素的影響，因此，此類基礎結構是國內外海上風電場設計中的重要研究課題。

重力式基礎是海上風電機組基礎結構中的主要形式之一，它和陸上風電機組常見的重力式擴展基礎工作原理相似，主要依靠基礎結構及內部壓載重量抵抗上部機組和外部環境產生的傾覆力矩和滑動力，使基礎和塔架結構保持穩定，如圖1所示。重力式基礎通常是在風電場附近的碼頭場地或船塢內預制建造，然后通過船運或浮運至機位，并用砂礫等填料填充基礎內部空腔以獲得必要的重量，再將其沉入經過整平的海床面上。重力式基礎通常為鋼筋混凝土結構，節省鋼材，經濟效果好，采用陸上預制方式建造，不需要海上打樁作業，海上現場安裝工作量小，節省施工時間和費用。重力式基礎的結構分析和建造工藝比較復雜，對海床地質條件要求較高，還需要有較深的、隱蔽條件較好的預制碼頭和水域條件。

近年來，隨著歐洲海上風電進入大規模開發階段，海上風電機組重力式基礎在多座海上風電場中得以成功設計建造，并在施工便利性和工程成本控制方面表現出較大的優越性。表1給出了歐洲海上風電1991—2017年的重力式基礎應用現狀。我國海上風電開發建設正處于快速發展階段，福建、廣東沿海作為我國海上風能資源儲備最為豐富的地區，存在著大范圍淺覆蓋層甚至裸巖地基海床，海域水深超過30米，這在國內外海上風電場建設中是罕見的，大直徑鋼管樁嵌巖施工周期長，成本高，不確定性因素多。參考、借鑒國外重力式基礎的設計理念，可為我國海上風電機組基礎結構設計建造提供創新思路和方法。

淺水海域重力式基礎設計

一、重力式擴展基礎

早期的海上風電場大部分建在水深15m以下的淺水海域。1991年，世界第一座海上風電項目——Vindeby海上風電場在丹麥Lolland島附近的低水位海域并網運行。該風電場水深2～4m，安裝11臺450kW風電機組，總容量為4.95MW，其基礎設計為圖2所示的重力式擴展基礎。隨后，Tunф Knob海上風電場（丹麥，1995年）、Middelgrunden海上風電場（丹麥，2001年）均采用類似的重力式基礎結構。

圖1 海上風電機組重力式基礎的典型結構形式

表1 歐洲海上風電機組重力式基礎應用現狀

圖2 淺水海域重力式擴展基礎

Middelgrunden海上風電場的海域水深3～5m，安裝20臺2.0MW風電機組，總容量為40MW，是當時世界上規模最大的海上風電場。地質勘察顯示海床淺層存在石灰巖，且海域波浪和海流作用較小。基礎選型對比發現，混凝土重力式基礎是最具成本效益的解決方案，基礎典型結構如圖2所示。基礎結構由混凝土底板、圓柱段殼體、抗冰錐和工作平臺組成，基礎頂部與機組塔筒連接，抗冰錐設置于海平面附近，形狀為外凸弧線。基礎安裝在經過整平的碎石墊層上，整個基礎結構重量為1800t。基礎建造在風電場附近的干船塢內完成，再將首節機組塔筒以及電氣設備先安裝在基礎頂部整體出運。由于海域水深較淺，基礎底部離海床面只有10～20cm，選擇波浪較小的海況出運，基礎的海上運輸和安裝由大型浮吊船來完成。水下碎石墊層鋪設、夯實和整平工作由潛水員下水進行人工作業。

二、重力式沉箱基礎

2003年，丹麥Nysted海上風電場成為當時世界上最大規模的海上風電項目。該風電場離岸10km，海域水深6～10m。由于海床地質中存在大量的漂石，單樁基礎方案難以應用。同時，海床淺層存在7.5～12.75m厚的硬粘土層可作為重力式基礎的持力層，最終72臺機組基礎全部采用重力式基礎。Nysted風電場重力式基礎的設計理念在當時是具有創新性的。為了使重量盡可能小以便于海上運輸和安裝，基礎結構形式為六邊形鋼筋混凝土沉箱結構，主要由3個部分組成：開敞式沉箱、圓柱段殼體和抗冰錐，沉箱隔艙中裝填砂石填料從而獲得必要的壓載重量，每個機位的重力式基礎底高程是根據機組荷載和地質條件優化確定的，如圖3所示。基礎在附近港口碼頭的駁船上預制建造。基礎安裝下沉之前，對海床進行處理，首先將表面的淤泥和細砂挖除，開挖深度達到10m，直到開挖至堅硬的土層，然后用專業的整平船對海床面進行整平處理。海上運輸采用10000t級甲板駁船進行作業，每次運輸4個重力式基礎至風電場海域，并運用1500t級浮吊船進行基礎安裝下沉作業，然后對沉箱的6個隔艙填充卵石和礫石作為壓載物，整個基礎壓載完成后的總重量約為1800t。Lillgrund海上風電場（瑞典，2007年）、Sprog?海上風電場（丹麥，2009年）、R?dsand 2海上風電場（丹麥，2010年）、Karehamn海上風電場（瑞典，2013年）均采用類似圖3所示的重力式沉箱基礎。

深水海域重力式基礎設計

一般認為重力式基礎適合于水深不超過20m的淺水海域風電場，因為隨著水深的增加，重力式基礎受到波浪和海流的作用更加顯著，同時浮力作用占基礎總重量的比例高達40%以上，會抵消很大一部分基礎的重量。此外，海上風電機組在塔筒與基礎交界面產生的荷載量級巨大，導致重力式基礎的重量和尺寸急劇增加。深水海域大容量機組對重力式基礎的結構優化設計、海床處理和海上運輸安裝等關鍵環節提出了越來越高的要求。

一、重力式預應力殼體基礎

2008年， 比 利 時Thronton Bank海上風電場一期工程安裝6臺5.0MW風電機組，項目海域水深20～28m，海床以下地質條件為10m厚的中粗砂。考慮到北海惡劣的海況條件，設計方認為應盡可能減少基礎建造的海上作業時間，Nysted海上風電場的開敞式沉箱基礎并不適合這種海況條件。對于深水海域惡劣的海況條件以及大容量風電機組需要承受巨大的風力荷載，基礎結構剛度和疲勞問題成為決定性的因素。設計方創造性地提出采用后張法預應力技術建造重力式基礎殼體結構。為保證重量最小化，基礎采用圖4所示的錐形殼體結構。整個基礎結構由圓柱段、圓錐段和底板組成，其中的圓柱段和圓錐段殼體為后張法預應力結構，底板為變厚度的混凝土厚板，中間為圓形空心，邊緣向外伸出較長的懸挑，內部空腔裝填海水和砂作為壓載，整個混凝土結構的重量達到3000t，如圖4所示。

將重力式基礎設計為上述結構形式具有如下諸多優點：

（1）錐形殼體結構能夠提供足夠的空間來保證壓載物重量。

（2）機組荷載傳遞至基礎底部受力明確，荷載傳遞路徑簡單直接。

（3）結構整體上細下粗，波浪和海流作用較小，重心較低，有利于提高基礎的整體穩定性。

（4）后張法預應力混凝土結構的強度和剛度大，能夠較好防止裂縫開展和疲勞破壞。

（5）壓載物填充作業一次性完成，施工方便，無需多次分倉填充。

Thronton Bank海上風電場一期工程所用的重力式基礎是在專門設計的碼頭場地上進行建造的，每個機位的海床挖深大約為7m。為保證基礎重量能夠很好地傳遞至基床以下土體，基床由過濾層和碎石墊層組成，整平后的碎石墊層表面傾斜度小于0.75°。重力式基礎采用夾具固定后用重型浮吊船吊運至安裝機位。達到預定位置后，先向基礎空腔內注水使之下沉，再向空腔內裝填重度為15.8kN/m3的中粗砂。整個壓載物的裝填體積接近2000m3，裝填完成后整個基礎的重量達到7000t。基礎防沖刷設計由反濾層和拋石防護層組成，拋石防護層沿基礎邊緣延伸10m范圍內進行拋石防護，如圖5所示。

圖3 淺水海域重力式沉箱基礎

圖4 重力式預應力殼體基礎

圖5 Thronton Bank海上風電場重力式基礎的防沖刷設計

二、鋼管樁—混凝土沉箱組合基礎

2017年，英國Blyth海上風電示范風電場規劃安裝5臺8.0MW風電機組，工程海域水深36～42m。為滿足大容量機組和深水海域對機組基礎的嚴苛要求，建造方首次提出采用“鋼管樁—混凝土沉箱”組合重力式基礎方案；為解決重力式基礎由于重量和尺寸較大導致海上運輸和安裝困難的問題，設計方采用“浮運—下沉”技術的海上運輸安裝方案，這種技術是首次應用于海上風電工程。重力式基礎結構主要由鋼管樁和混凝土沉箱組成，鋼管樁直徑6.5～7.0m，混凝土沉箱由圓錐段殼體和圓柱段殼體結構組成，直徑30.0m，高度20.0m，圓柱段殼體結構內設置輻射狀肋板作為支撐結構，沉箱空腔內裝填砂和海水作為壓載物，整個重力式基礎結構預制部分重量超過5500t，浮運時吃水深度小于10m，如圖6所示。上述重力式基礎結構形式具有以下優勢：

（1）采用浮運—下沉技術，無需重型浮吊設備運輸和安裝基礎，海上作業簡單方便。

（2）專門為30～50m深水海域的大容量機型定制優化設計，結構設計簡潔緊湊。

（3）與導管架基礎、大直徑單樁基礎相比，具有成本控制和施工便利的競爭優勢。

（4）相比混凝土圓柱殼體，采用鋼管樁結構能夠減小結構重量和浮運吃水深度。

（5）鋼管樁頂部可直接與機組塔筒底法蘭連接，無需過渡段。

Blyth海上風電示范風電場的5座重力式基礎在干船塢內建造，建造完成后向塢內注水，然后由拖輪將基礎浮運至安裝機位，最后向沉箱的隔艙內填充砂和海水，完成裝填壓載作業，整個基礎安裝完成后的總重超過15000t。

海上風電機組重力式基礎應用的關鍵問題

目前海上風電正逐步向深水海域大容量機型方向快速發展，而我國福建、廣東沿海地區受臺風影響嚴重，導致機組極限荷載多受暴風工況控制，荷載量級與歐洲海上風電場同類機型相比高出30%以上，對基礎設計提出了更高的要求。海上風電機組重力式基礎的設計關鍵環節包括基礎結構設計、運輸安裝設計、海床處理設計。

圖6 鋼管樁—混凝土沉箱組合基礎

（1）基礎結構。根據已有的結構形式可以判定，重力式基礎結構的最佳形式是帶有空腔的殼體結構與提供重量的壓載物的組合。為保證殼體結構具有足夠的強度和剛度，可采用預應力混凝土結構、鋼結構或者兩種結構的組合形式。混凝土結構的整體性較好，節省鋼材，現場預制工序較為復雜，基礎重量較大；鋼結構強度大，基礎重量輕，但鋼結構疲勞和腐蝕問題比較突出，材料成本高；采用鋼管樁—混凝土沉箱組合結構，能夠較好地平衡兩種結構材料的優缺點，但兩種材料連接部位受力復雜，需要設計可靠的連接方式。

（2）運輸安裝。按照目前5.0MW以上大容量海上風電機組設計，重力式基礎預制結構部分的重量達到3000～6000t。目前的運輸安裝方式主要根據重力式基礎的浮運穩定性分為兩種方式：第一種是由于重力式基礎浮運吃水深度較大，海域水深無法滿足條件，或者基礎無法滿足浮運穩定性，如Thronton Bank 1期的重力式基礎，只能用大型半潛駁船運輸至安裝機位，然后用重型浮吊船輔助重力式基礎下沉至海床面；第二種是重力式基礎的下部尺寸設計較大，浮運吃水深度小，具有良好的浮運穩定性，可在海況較好的情況下用拖輪拖航浮運至安裝機位。

（3）海床處理。在將重力式基礎安放就位之前，先要對海床進行處理，這個環節也是重力式基礎相比其他基礎形式如單樁、導管架基礎的劣勢所在。海床處理的主要目的是：（a）使得海床淺層土滿足地基承載力的要求；（b）對基床進行整平，滿足重力式基礎對基床平整度的要求；（c）擴散基礎對地基的應力，起到減小地基應力和不均勻沉降的作用。針對淺覆蓋層大直徑單樁嵌巖施工困難的問題，若對海床淺層土體進行地基加固處理，可大幅提高淺層土體的地基承載力。如此，重力式基礎方案可成為具有競爭力的基礎方案。

本文通過回顧海上風電機組重力式基礎從淺水海域小容量機型向深水海域大容量機型發展過程中的技術革新，總結了四種不同結構形式的重力式基礎技術路徑，對它們的設計的關鍵環節進行了論述，得到結論與建議如下：

（1）海上風電機組重力式基礎的最佳結構形式為高強度殼體結構與提供重量的壓載物的組合體。

（2）重力式基礎的陸上預制可選擇在附近的干船塢、甲板駁船或者碼頭場地完成。

（3）基礎海上運輸安裝分為駁船、浮吊船運輸安裝和浮運安裝兩種方式，可針對具體海域海況和施工便利性進行優選。

（4）針對淺覆蓋層大直徑單樁嵌巖施工困難的問題，若對海床淺層土體進行地基加固處理，重力式基礎可成為具有競爭力的基礎方案。