海上風電開發 基礎選型先行

本刊策劃

26／單樁基礎

27／多樁承臺基礎

28／重力式基礎

30／多腳架式基礎

31／導管架基礎

32／吸力筒基礎

33／漂浮式基礎

36／海上風電基礎特點及中國海域的適用性分析

41／鑒衡認證以匠心精神打磨海上風電基礎分析能力

近幾年，全球海上風電的規模化開發速度明顯加快。歐洲風能協會（WindEurope）公布的數據顯示，2019年，歐洲海上風電新增裝機容量達到創紀錄的362.3萬千瓦，較2018年增長19.6%，累計裝機容量為2207.2萬千瓦。歐洲之外，中國迅速成為新的增長引擎。根據國家能源局統計，2019年，我國新增海上風電裝機198萬千瓦，累計裝機容量達到593萬千瓦。

當下，我國海上風電依然處于規模化開發的初期，不僅面臨著產業鏈尚未完全成熟導致的種種風險，也承受著補貼退坡帶來的降本壓力。在這種情況下，為了保障項目安全、高效地開發與運營，業界必須將各個環節的工作做得更加精細。這其中就包括風電機組基礎結構的選型。

基礎為風電機組提供至少25年的關鍵支撐，在遭受風載荷、風電機組運行載荷以及波浪、海流等載荷作用的同時，還經受著海上惡劣環境的嚴酷考驗。同時，在海上風電場的總投資中，基礎成本占20%～30%，遠高于陸上風電場的同類比重。因此，在深入分析不同海上風電機組基礎結構特點，風電場所處海域的地質、風能資源、海洋水文等環境條件的前提下，合理的基礎選型，是推動海上風電成本下降、保障風電機組長期安全運行的主要途徑之一。

本期“封面故事”聚焦于目前幾類主流的海上風電機組基礎型式，圖文并茂地全面展示各類技術的發展歷程、應用現狀、技術特點、施工工藝要求、適用條件等，希望能夠為業界在開展海上風電機組基礎結構選型時提供參考。

單樁基礎

單樁基礎型式：由鋼板卷制而成的焊接鋼管組成，塔架直接由基礎樁腿支撐或者通過過渡段將兩者連接。樁腿插到海床以下，插入的深度取決于實際的環境載荷以及海底的地質條件。

發展歷史：單樁基礎在海上油氣行業中有著數十年的應用歷史，是最早被引入海上風電領域的基礎型式之一，于1994年建成投產的荷蘭Lely海上風電場即采用此類基礎型式。

適用條件：水深0～30m的海域。

應用現狀：單樁基礎是目前海上風電工程中應用最廣泛的一種基礎型式。在歐洲海域，截至2019年共安裝了4258個海上風電單樁基礎，所占份額高達81%。

分類：有過渡段單樁、無過渡段單樁。

安裝工藝：單樁基礎安裝的關鍵在于如何保證沉樁精度。目前典型的安裝方式有兩類：一類（圖1）是，自航式自升安裝船在GPS定位設備的指導下精確就位，調整抱樁器；啟動自升船吊機吊起鋼樁，經過翻樁、立樁、扶正調平后用液壓樁錘打樁，沉樁，直至結束。另一類（圖2）是，借助起重船和GPS定位安裝臨時定位平臺，起重船吊機吊起鋼樁，經過測量定位、插樁調直、沉樁，直至結束。

優勢：技術成熟，結構簡單，施工簡便、快捷，適應性強，經濟性好。

劣勢：結構剛度小，固有頻率低，在水平外力作用下易產生側向變形；結構安全受海床沖刷影響較大；當沉樁深度范圍內存在較為堅硬巖土時，通常需用鉆孔工藝將樁基安裝至設計標高， 但成本較高。

難點：安裝基礎后，通常需要進行海床沖刷保護，傳統的防沖刷方法有砂被、拋石、仿生草、固化土等，但是目前效果仍不太明顯。

代表工程：英國的London Array海上風電場（63萬千瓦），丹麥的Horns Rev海上風電場（16萬千瓦），德國的EnBW Hohe See海上風電場（49.7萬千瓦），中國的三峽新能源江蘇大豐海上風電項目（30萬千瓦）、粵電湛江外羅海上風電項目（20萬千瓦）等。

多樁承臺基礎

多樁承臺基礎型式：又稱群樁式高樁承臺基礎，主要由鋼筋混凝土承臺和一組鋼管樁構成。根據地質條件和風電機組荷載量級，可采用不同數量的鋼管樁，鋼管樁可設計為斜樁或直樁，混凝土承臺內預埋與塔架的連接段上部，經法蘭與風電機組塔架相連。

發展歷史：該基礎為中國首創，在應用于風電機組基礎之前，是海岸碼頭和橋墩基礎的常見結構，由港口工程基礎結構發展而來。

適用條件：主要適用于水深為0～30m的近岸海域。多樁承臺基礎的樁基一般傾斜布置，一是提升了基礎剛度，二是結合群樁可以降低樁身受力，所以，該基礎在軟土地基海域十分適用。

技術特點：設計中需分析多項復雜荷載作用下基礎的受力、變形和承載能力。基礎設計時應考慮鋼管樁對稱布置，樁身傾斜度取值應充分考慮船舶打樁可行性和樁身軸向受力，承臺設置高程和厚度應充分考慮波浪力的作用大小和靠泊登臺的便利性。用于該基礎結構施工船機的設備較多，市場的選擇性較大。

施工及安裝工藝：設計應充分考慮鋼管樁沉樁精度，相鄰鋼管樁頂間距應充分考慮打樁錘的施工可行性。施工中盡量減少調船和變動打樁架斜度。同一基礎的鋼管樁，宜打至同一土層，且樁端標高不宜相差太大。當樁端進入不同土層時，各樁沉樁貫入度不宜相差過大。

優勢：由于借鑒港口工程結構，施工技術較為成熟，基礎防撞性能好，軟土地基適應性好。

劣勢：傳統海上風電機組多樁承臺基礎普遍使用鋼筋混凝土結構，海上施工時間長，程序復雜，對海上施工窗口期要求苛刻，限制了該類風電機組基礎的進一步應用。對于深水場址，鋼管樁耗鋼量顯著增加，建設成本明顯提高，所以，水深超過30m的海域不建議采用該基礎型式。

難點：樁基協同受力優化分析是多樁承臺基礎設計的關鍵。基礎受到的荷載主要包括風電機組荷載和承臺受到的波浪荷載，外部荷載傳遞到基礎樁上主要表現為樁身軸向作用力，如何優化協同受力作用下的樁基工程量至關重要。

代表工程：上海東海大橋100MW 海上風電示范項目是全國首個使用多樁高承臺基礎的海上風電場，基礎設置8根直徑1.70m的鋼管樁。國電電力浙江舟山海上風電公司普陀6號海上風電場是國內首個使用多樁加高承臺基礎的近海風電場。

重力式基礎

重力式基礎型式：是海上風電機組基礎結構的主要型式之一，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。

適用條件：適用于水深為0～30m的海域。適合海底地面平整，海床地質承載能力較高的地質，或是巖基海床，且嵌巖樁基工效低的地區，宜采用重力式基礎結構，成本上具有明顯優勢。不適合軟地基及沖刷海床。

應用現狀：截至2019年，歐洲海域共安裝了301個重力式基礎結構，所占份額約為5.7%（圖 1）。

分類：一般分為重力式擴展基礎、重力式沉箱基礎、重力式預應力殼體基礎、鋼管樁―混凝土沉箱組合基礎等型式。

施工及安裝工藝：混凝土結構的重力式基礎體積龐大，混凝土用量多。處于海洋腐蝕環境中的重力式基礎，為確保其力學性能指標和耐久性，對表面混凝土裂縫寬度有嚴格的要求，一般使用預應力混凝土后張法施工工藝。基建主要在干船塢內、平板駁船上或陸上碼頭進行。在場內運輸階段，可采用“蜈蚣車”移運、軌道臺車或高壓氣囊滑移等方式。在下水階段，對于重量和體積相對較小的基礎，可以通過起重船直接吊裝上駁船進行運輸；對于體積較大的基礎，可采用船舶運輸及海上浮運的方式。運輸時需綜合考慮天氣和海況，嚴格計算窗口期以及船舶橫穩性（船舶繞縱向軸橫傾時的穩定性）。由于重力式基礎直接將其巨大的重量和所受載荷傳給地表，所以，需對海床進行處理，包括對基床進行整平，滿足重力式基礎對基床平整度的要求；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。安裝時，利用定位系統將基礎精準定位在目標海床點上；運用大型浮吊和半潛駁船進行基礎的吊升和安放；就位后進行壓載物填充，將預先準備的碎石填入空腔。

優勢：重力式基礎通過自身的重量使得風電機組矗立于海面上。相比其他基礎型式，重力式基礎結構簡單，具有良好的穩定性。此外，該基礎型式采用陸上預制方式建造，不需要海上打樁作業，現場安裝工作量小，節省施工時間和費用。

劣勢：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、隱蔽條件較好的預制碼頭和水域條件。采用大型起重船等安裝設備，安裝相對復雜。

代表工程：首個采用重力式基礎的海上風電項目為1991年丹麥的第一個海上風電場? Vindeby風電場；2008年，比利時的Thronton Bank 海上風電場一期工程應用該基礎型式，項目海域水深20～28m；2017年，英國Blyth海上風電場采用“鋼管樁―混凝土沉箱”組合重力式基礎方案。

多腳架式基礎

多腳架式基礎型式：根據樁數不同可分為三腳和多腳架式基礎。以三腳架式為例，采用標準的三腿支撐結構，由主筒體、3根樁套管和斜桿結構組成，并將3根直徑中等的鋼管樁以等邊三角形均勻地定位在海底，利用鋼套管對上部三腳的桁架結構進行支撐，進而形成較為穩定的組合式基礎。

適用條件：一般多腳架式基礎適用于水深為0～30m的海域。安裝時需要采用嵌巖平臺。

應用現狀：主要應用在歐洲海域。截至2019年，該地區共安裝了126個海上風電機組三腳架式基礎，所占份額約為2.4%。我國龍源電力集團在江蘇如東潮間帶試驗風電場也使用類似的基礎結構。

技術特點：主筒體即三腳架的中心鋼管提供風電機組塔架的基本支撐，類似單柱結構，3根等直徑的鋼管樁一般呈等邊三角形均勻布設，三腳架常采用垂直的樁套管與鋼管樁連接。撐桿結構承受上部塔架荷載，并將荷載傳遞給3根鋼管樁，預制的三角桁架設置數根水平和斜向撐桿，其分別連接3根樁套管以及主筒體。三角架支撐結構布置的寬度和樁腿插入海底的深度由實際的環境載荷以及海底地質條件來確定。

施工及安裝工藝：多腳架在陸上車間預加工，通過船舶直接運到風電場指定位置進行下放安裝，再將鋼管樁依次插入樁套管內，并用打樁錘將鋼管樁沉樁到指定標高。施工過程中可一次性將鋼管樁全部插入各個樁套管內，目的是解決多腳架式基礎的調平問題。由于海上建設環境條件較差，施工時盡量選擇平潮或接近平潮時間段。多腳架式基礎的樁套管與鋼管樁之間可采用灌注高強化學漿液、充填環氧膠泥，或是焊接等措施進行連接。

優勢：該基礎結構對船機設備要求不高，成本介于單樁基礎和導管架基礎之間。結構剛度相對較大，整體穩定性好，不需要海床準備和沖刷防護。

劣勢：該基礎型式若用于淺水地區，容易與船只發生碰撞。另外，需要進行海上連接等操作，增加了施工難度。

代表工程：德國Alpha Ventus海上風電場中首批機組中的6臺應用該基礎型式。

導管架基礎

導管架基礎型式：基礎通常有3或4個樁腿，樁腿之間用撐桿相互連接，形成一個有足夠強度和穩定性的空間桁架結構。根據鋼管樁和導管架結構施工的先后順序，分為先樁導管架和后樁導管架兩種。

發展歷史：導管架基礎最早出現于歐洲。

適用條件：適用于水深為20～50m的海域。

應用現狀：根據歐洲風能協會的統計，截至2019年年底，歐洲安裝了468個導管架結構基礎，占全部基礎數量的8.9%。

技術特點：導管架結構基礎是通過鋼管樁將導管架結構固定于海底，導管架具有剛性高的特點，從而提高了平臺抵抗自然荷載的能力，導管架與鋼管樁的連接通過灌漿來實現。

施工及安裝工藝：導管架結構基礎是一個鋼質錐臺形空間框架，以鋼管為骨棱，在陸上先焊接好，運輸到安裝點就位。若基礎為先樁導管架，則需將鋼管樁先沉樁到位，再利用導管架下部的插尖將結構安裝到鋼管樁上，最后通過灌漿連接。若基礎為后樁導管架，則先將導管架安裝到指定位置，并將鋼管樁從導管架下部的套管打入，最后通過灌漿連接。

優勢：導管架結構主要采用小桿件，可降低波浪和水流的荷載作用。由于基礎的結構剛度較高，對地質的要求相對較低。另外，雖然船機配備要求較高，但是該基礎施工工藝成熟，海上作業工序少，施工關鍵點不多，綜合風險低。

劣勢：結構受力相對復雜，導管架節點數量多，疲勞損傷較大，且都要求專門加工，建造及維護成本較高，在一定程度上增加了海上風電的投資成本。

難點：管節點是導管架的薄弱點之一，由于導管架大部分浸于海水中，受海洋環境載荷的作用，很容易產生腐蝕疲勞破壞，所以，節點焊接后需進行探傷檢測，如發現夾渣或焊不透，必須刨掉重焊。此外，由于水下灌漿質量較難檢測和監測，所以，導管架和鋼管樁之間的灌漿連接也是結構的薄弱點之一。

代表工程：英國Beatrice海上風電場、德國Alpha Ventus海上風電場的部分海上風電機組；中國的三峽新能源陽西沙扒海上風電場、廣東珠海桂山海上風電場也采用導管架基礎。

未來預測：據美國能源調查公司RystadEnergy預測，2020―2025年，歐洲將安裝479個導管架結構基礎；在全球范圍內，這個數字將是1083個。

吸力筒基礎

吸力筒基礎型式：也稱負壓筒基礎，可為單筒和多筒結構型式。由筒體和外伸段兩部分組成，筒體為底部開口、頂部密封的筒型，外伸段可采用鋼筋混凝土預應力結構或鋼結構。

發展歷史：近海吸力錨的概念是20世紀60年代提出的，80年代初才開始在工程中實現，并得到迅速發展。由此自然引伸、提出了吸力式基礎平臺，即筒型基礎平臺，并于20世紀90年代在挪威海上油田得到首次工程應用。借鑒海洋工程經驗，2014年，世界首個吸力筒結構基礎樣機應用于BKR01海上風電場，基礎高57m，重約850噸，安裝4MW風電機組。

適用條件：適用于水深30～60m的海域，軟粘土和松散砂土地質。

應用現狀：吸力筒基礎在海洋工程領域已有近40年的使用歷史。自20世紀90年代陸續在國內應用。2010年6月29日，國內道達海上風電研究院采用復合筒型基礎作為海上測風塔的基礎，成功進行了整體海上安裝作業。

技術特點：筒型基礎的基本特點之一是它既不像樁式基礎需要深土的承載能力，也不像重力式基礎那樣對表層土的承載能力提出很高的要求。筒型基礎的設計和安裝是在常見的土質條件下主要依靠對土和筒型基礎之間相互作用機理的掌握。

施工及安裝工藝：陸地預制，抽氣下沉，注水移除。可事先在陸上預制好基礎，再拖到安裝海域。由于吸力式基礎負壓下沉深度相對較淺，重點勘察海床淺部地質。當基礎壽命超過設計使用壽命時，該基礎方便拆除，若通過評估則可進行二次利用。

優勢：該基礎不需要進行打樁，施工速度快，可有效利用海上作業窗口期，盡可能安裝更多的基礎。針對深遠海域的風電場開發，其在未來還有降低成本的潛力。該基礎安裝時噪音小，拆除簡便。

劣勢：對筒體下沉控制要求較高。在負壓作用下，筒內外將產生水壓差，引進土體滲流，雖然滲流能大大降低下阻力，但是過大的滲流將導致筒內土體產生大變形，形成土塞，甚至有可能使筒內土體液化而發生流動等，從而發生結構傾斜。

難點：綜合來看，筒型基礎作為海上風電機組基礎應用前景很大，但是設計體系還需進一步完善，施工風險還需要進一步把控。

代表工程：丹麥的Frederikshavn海上風電場，中國三峽江蘇響水海上風電場。

漂浮式基礎

漂浮式基礎型式：是漂浮在海面上的平臺，利用系泊或錨針在海底進行位置的固定，通過三力的平衡來維持海上風電機組基礎結構的穩定性。其中，三力是指自身重力、系纜回復力、結構浮力，并且還能夠精準控制海流影響產生的搖晃角度。

發展歷史：自20世紀70年代，美國馬薩諸塞大學的Heronemus教授提出了世界上第一個漂浮式風電機組的概念以來，漂浮式風電機組經歷40多年的發展，從概念研發到樣機實驗，現在已經走向了實際應用。荷蘭的Blue H Technologies公司在2008年夏，用離岸油井的技術開發出世界第一臺漂浮式風電機組，安裝在意大利南部Puglia外海的風電場。世界上第二臺單樁漂浮式基礎海上風電機組在2009年挪威Karmoy海域安裝完成，命名為Hywind。

應用現狀：目前，全球已有9個漂浮式風電機組樣機或商業化風電場運行。6個位于歐洲：挪威、葡萄牙、瑞典、英國、西班牙、法國各1個；3個位于日本。由PPI公司開發的Windfloat半潛式漂浮基礎，由Ideol公司開發的阻尼池駁船式漂浮基礎，也是即將應用于小規模商業化的項目。

適用條件：適用于水深大于50m的水域。漂浮式風電機組開發成本較固定式昂貴，但受海洋地形的限制，在歐洲、日本、韓國、中國臺灣、美國夏威夷等處由于近岸無淺水區，海上風電不得不采用漂浮式風電機組，中國沿海某些海域由于地質不適宜打樁施工，亦不得不考慮使用漂浮式風電機組。因此，開發適用于更深海域的漂浮式海上風電技術是未來的必然趨勢。

優勢：漂浮式基礎結構機動性好、易拆卸，服役期滿可進行回收再利用。

難點：漂浮式基礎的主要挑戰在于如何維持基礎穩定性、限制基礎位移、高效的錨鏈系統，以及降低設計、安裝、維護成本。此外，相較于固定式基礎，漂浮式基礎的設計難度甚大而尚未成熟，仍處在快速發展變化的階段。

分類：漂浮式海上風電基礎主要有四類，張力腿式（TLP）、立柱式（Spar）、駁船式（Barge）、半潛式（Semi)。其中，根據錨鏈的受力狀態，又可將張力腿歸為張緊式基礎，后三種歸為懸鏈式基礎。其中立柱式、半潛式漂浮式基礎技術最為成熟，應用最為廣泛。

張力腿式（TLP）基礎

張力腿式基礎是一種垂直系泊的順應式漂浮式基礎結構。通常張力腿式基礎由懸浮的矩形水平浮筒和圓柱體結構組成，通過剛度較大的張力腿直接連接至海底錨固結構。由于預張緊的錨泊系統作用，使得張力腿式基礎的運動近乎剛性運動，保證了非常好的穩定性。

從理論上說，張力腿式基礎所承受錨泊系統的預張緊力越大，越能夠實現平臺的平穩。但在設計基礎時，要綜合考慮各種規范和工程需求，來實現對預張緊力的確定。同時，由于高頻振動對漂浮式風電機組的性能影響比較大，在基礎設計時，要避開環境中與漂浮式基礎重合的固有周期。

適用條件：張力腿式基礎設計及施工工藝成熟，適用于對風電機組運動性能要求較低的工程。

優點：風電機組適應性好、結構自重輕。

缺點：筋腱承受載荷較大，張力系泊系統安裝工藝復雜、費用高。

代表工程：PelaStar（由Glosten公司開發）、Blue H TLP（由Blue H Group公司開發）、Eco TLP（由DBD Systems 公司開發 ）、GICONSOF（由GICON公司開發）等。

立柱式（Spar）基礎

立柱式基礎主體是一個大型的圓柱，其作用是支撐塔架和機艙以及系泊纜繩的重量，通過底部壓載使得漂浮式基礎的浮心高于重心，進而提高漂浮式平臺的平穩性。漂浮式基礎底部包括定壓載艙和臨時浮艙兩部分。其中，定壓載艙提供漂浮式基礎較大一部分壓載，產生較大的復原力臂以及慣性阻力，達到減小平臺橫搖和縱搖運動的目的，保證平臺的穩定。臨時浮艙的作用是在浮體結構運達至指定海域后，將壓載水注入臨時浮艙，從而使漂浮式基礎自行扶正豎立。

通常情況下，立柱式基礎的吃水深度要大于等于輪轂和海平面之間的平均距離，才能達到穩定性要求。立柱式基礎的錨泊定位系統通常采用張緊式或懸鏈式的鋼纜或合成纖維等。

適用條件：水深較深的海域。

優點：結構簡單、垂向波浪激勵力小、穩定性優異。

缺點：立柱長度過大導致制造、安裝及運維難度大。

代表工程：Hywind （由Statoil公司開發）、Sway （由Sway公司開發）、Advanced Spar （由Japan Marine United公司開發）等。

駁船式（Barge）基礎

駁船式基礎以較大水線面面積提供復原力矩，因而吃水較小，穩定性較好，是比較適合淺水的一種平臺類型，且施工安裝方便。但是這種設計導致平臺所受波浪力大，在大風浪海域中的橫搖和縱搖運動中響應劇烈，適合平靜海域。雖然一些駁船平臺使用阻尼池設計以期減少波浪載荷，但是實際工作中并沒達到顯著效果。

適用條件：適合平靜或波浪較小的海域。

優點：吃水小，水深適應性好；在岸上裝配；施工安裝方便，只需使用常規的拖船。

缺點：運動幅度小。

代表工程：日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）與日立造船共同制造了新一代海上風力發電系統的駁船式基礎，并選擇距離福岡縣北九州市白島海域的北九州港響灘地區約15km遠處進行實證。

表1 現有漂浮式基礎項目

半潛式（Semi）基礎

半潛式基礎通常由有斜撐管連接的多個大型浮筒構件組成。風電機組可以安裝在任意一個浮筒上，利用浮筒非常大的水線面面積來保證整機的穩定性。浮筒內部的壓艙來調節風電機組整體的重心和穩定性。

適用條件：適用水深范圍廣。

優點：安裝方便，運維方便，穩定性較好，并且運行可靠。

缺點：結構龐大、復雜。

代表工程：WindFloat（由Principle Power公司開發）、Damping Pool （由 Ideol公司開發）、SeaReed （由DCNS公司開發）。