寧德霞浦某海上風電場基礎選型研究

郭政

（中閩能源股份有限公司 福建福州 350001）

1 概述

我國海岸線長，近海風能資源豐富，風電發展潛力巨大［1］。近幾年我國海上風電發展迅速，福建作為風能資源最好的省份，具有風資源豐富、發電利用小時數相對較高的特點，是新能源發展的重要省份。受臺灣海峽“峽管效應”的影響，臺灣海峽風能資源呈現出自海峽中部向南北兩側遞減的格局。海峽中部風能資源最為豐富，年平均風速在10 m/s 以上。海峽南側和北側風能資源較為豐富，年平均風速一般在8 m/s 以上。本文研究對象所在地寧德霞浦海域則位于臺灣海峽北側。

根據國外已經建成的海上風電場投資比例和國內的研究成果，風機基礎投資約占風電場總成本的20%～30%。因此，探討合理的基礎結構類型是海上風電發展的重中之重。本風電場開發規模為200 MW。機型推薦采用DEW184—7000 kW 風力發電機組，按照7 MW×29 臺方案進行布置。本文主要針對福建寧德霞浦某海上風電場進行風力發電機組基礎選型。根據已有設計條件，綜合考慮風能資源、海洋水文、工程地質等場址條件，針對初步選定的風機機組，對不同的風機基礎型式進行方案設計，并通過綜合技術經濟比較，選出最佳的基礎方案，保證基礎的安全和經濟。

2 輸入條件分析

2.1 地質條件

寧德霞浦某海上風電場位于寧德市霞浦縣長春鎮霞浦東沖半島以東海域。本海域理論水深7 m～11 m，地形總體呈西高東低態勢，微向海傾斜，總體較平緩。本工程場地范圍內，覆蓋層揭露厚度大于90 m，場地覆蓋層分布的主要地層為淤泥、淤泥質土、粉質粘土、粉砂、中砂等地層，表層分布較厚淤泥層。工程場地表層地基土為軟弱土層，在臺風暴浪等較強的海洋水動力作用下易發生遷移和變形，給基礎設計和施工帶來不利。工程所在區域地震基本烈度6 度，地震動峰值加速度0.05 g，地震分組為第一組。場地類別為Ⅲ類，設計特征周期Tg 為0.40 s。

2.2 風機荷載

作用在塔架底端的風機基礎荷載見表1 與表2。

表1 風機荷載標準值

表2 風機基礎疲勞荷載表

綜上所述，結合工程選用的風力發電機組，其基礎荷載較大、對基礎的水平剛度和抗疲勞性能要求較高的特點及本工程區海洋水文氣象特點，優先考慮采用樁基礎結構，可選擇端承摩擦樁，以中砂層及以下土層作為樁端持力層，且樁長應滿足結構穩定性要求。海上風機基礎承受上部塔架傳來的較大水平力和傾覆彎矩，并直接承受波浪力和海流力。這些荷載都具有明顯的動力和循環特性，導致基礎結構的荷載相應表現出明顯的動力和疲勞特性。由于基礎水平變形較大，地基土容易產生塑性變形，軟土地基在循環荷載作用下表現出強度衰減。因此，海上風機基礎設計所采用的結構模型、地基模型和分析方法應能反映上述受力特性。樁基水平受力和變形計算常采用m 法、P-Y 曲線法或嵌固點法。

3 基礎型式比選

3.1 基礎結構類型選擇

風機基礎結構具有承受傾覆力矩大和動荷載等受力特點，海上風機基礎需充分考慮離岸距離、海床地質條件、海上風、浪、流以及冰等外部環境的影響，同時海上施工條件復雜，受安裝、施工設備能力的影響很大。合理選擇基礎結構型式對結構安全、施工難易程度及工程造價具有重要影響［2］。

常見的風機基礎結構型式有樁式結構、重力式結構、吸力樁（桶）式結構和浮式結構4 類，其中重力式結構適合水深0～25 m，大直徑單樁適合水深0～40 m，導管架適合水深20 m～50 m，桶式三柱適合水深20 m～50 m，吸力筒式適合水深0～25 m。支柱固定式風機基礎常用型式有單樁基礎、導管架基礎、高樁承臺基礎等，見圖1。

圖1 風機基礎結構型式示意圖

（1）根據現有水文地質資料，工程場址區域地基土表層有厚度比較大的淤泥及淤泥質土，可選持力層埋深大，采用重力式基礎的經濟性極差，因此本項目不考慮重力式基礎。

何克抗[1-2]提出，混合式教學是混合多種教學模式把傳統學習與數字化學習優勢相結合，在教學過程中教師的引導、啟發、監督與學生主動、積極的自主學習相互作用的教學模式。這種教學方式將線上與線下教學形式相結合，同時根據教學內容以及學生情況采用多種教學方法相結合，把學生的學習由淺入深的引向深度學習；它強調在恰當的時間應用恰當的教學方式達到最佳的教學效果[3]。

（2）單樁基礎結構形式簡單、受力明確、制作方便、適應性強，在已建成的國內外海上風電場中應用最廣泛。單樁基礎樁長長、直徑大、結構剛度小、固有頻率低、受海床沖刷影響較大，且單樁基礎的施工精度要求高，需采用大型沉樁機械（如IHC 或MENCK 液壓錘）沉入海中。單樁基礎施工時間短、效率高且無水上混凝土，基礎造價相對較小。本工程場址區域水深較小，綜合考慮結構、施工等因素，因此考慮單樁基礎作為本工程比選方案。

（3）導管架基礎結構剛度大、穩定性好，自重較輕，適用于水深較深的區域。導管架基礎結構受力相對復雜，基礎結構易疲勞，建造及維護成本較高，水深較小。導管架基礎由于結構復雜的特點，在制造和施工上經濟競爭力較差，造價相對較高，因此本項目不考慮導管架基礎方案。

（4）高樁承臺基礎結構穩定性好，適用于淺水及中等水深水域，采用現澆混凝土墩臺施工工序，施工工藝成熟，大多數海上施工單位都有能力施工。且由于本項目表層軟土較厚、水深較淺的特點，從施工及結構型式上考慮，高樁承臺基礎能發揮出其優勢，因此考慮高樁承臺基礎作為比選方案。

（5）浮式基礎主要應用于水深50 m～500 m 的海域。浮式基礎目前在國際上尚處于研究開發階段，國內尚無相關經驗，因此不考慮采用浮式基礎。

綜上，本工程區域水深較淺，結合國內成熟經驗，風機基礎方案考慮用單樁基礎方案、高樁承臺方案進行比選。

3.2 高樁承臺基礎方案計算分析

高樁承臺基礎結構型式，承臺與上部風機塔筒采用基礎環連接方式。上部承臺為現澆C45 高性能海工混凝土結構，承臺直徑為16.0 m，高度為5.0 m，承臺底標高為+3.10 m，頂標高為+8.10 m。塔筒底部法蘭盤通過高強預應力螺栓與基礎環相連，基礎環固接于承臺內部。高樁承臺基礎采用8 根鋼管樁，鋼管樁直徑2.0 m，壁厚28 mm～30 mm，樁長95 m～105 m。樁斜率為5∶1，樁端以粉質黏土層作為持力層，8 根鋼管樁在承臺底部沿12.0 m 直徑的圓周均勻分布。結構模型見圖2 所示。

圖2 高樁承臺結構模型

有限元模型中樁土相互作用采用水平及豎向彈簧來模擬。水平彈簧剛度采用動態折減后的m 法確定。從計算結果分析，樁基及承臺各項指標均滿足規范［3-4］要求。計算結果匯總見表3。

表3 高樁承臺方案計算結果匯總表

3.3 單樁基礎方案計算分析

單樁基礎主體結構為大直徑鋼管樁，樁頂法蘭在工廠預先焊接，在沉樁后與上部風機塔筒連接。外部平臺、爬梯、靠泊、電纜管等附屬構件連成整體套籠結構，通過預焊的牛腿安裝在鋼管樁外部。通過計算分析，單樁基礎結構型式為：與風機塔筒連接段鋼管直徑為7.0 m，通過錐形段鋼管直徑過渡到10.0 m，根據本階段計算結果，鋼管樁樁長100 m～116 m，樁徑為10.0 m，壁厚80 mm～100 mm，樁入土深度75 m～88 m。結構模型見圖3 所示。

圖3 單樁結構模型

有限元模型中樁土相互作用采用水平及豎向彈簧來模擬。水平彈簧剛度采用動態折減后的m 法確定；樁側豎向彈簧采用t-z 曲線法，樁端豎向彈簧采用Q-z 曲線法確定；樁基豎向沉降另采用分層總和法復核［5-7］。如表4 計算結果所示，樁基各項指標均滿足規范要求。

表4 單樁方案計算結果匯總表

3.4 基礎設計方案比較

3.4.1 基礎結構特性比較

單樁基礎、高樁承臺基礎方案的承載力、強度和穩定性均能滿足要求，基礎的變形和傾斜均在允許的范圍內，表明兩種方案均能滿足極端工況和正常運行工況下風機對基礎的有關要求。從基礎結構特性方面對兩種基礎類型的比較如下：

（1）結構特點與荷載傳遞。單樁基礎結構傳力形式最為簡單明確，風機荷載、波浪荷載和水流荷載直接通過樁身傳遞到深層土中，樁身承受較大的彎矩作用。高樁承臺基礎受力較為明確，通過剛性承臺傳遞風機荷載，承臺下樁基以拉力、壓力和水平力的形式承擔承臺傳遞的荷載，樁基呈軸對稱分布，當水平荷載較大時采用斜樁，可有效增加基礎的抗水平力荷載的能力。

（2）基礎剛度。單樁基礎結構形式簡單，傳力明確，結構剛度較低，承受水平荷載的能力較差，但是可以通過樁入土深度來調整其整體剛度，以保證樁基泥面處位移滿足設計要求。高樁承臺基礎由多樁和大體積混凝土承臺組成，結構的整體性好，群樁基礎的整體剛度較大。但由于混凝土承臺下樁基懸臂較長，基礎剛度取決于樁基的斜度和樁身剛度，同時由于大體積混凝土承臺所受的波浪力較大，盡管整體剛度較大，但塔筒底部水平位移和傾斜率較大。

（3）基礎所受環境荷載。單樁基礎所受的波浪荷載與水流荷載很明確，受力大小與樁徑密切相關，總體波流荷載比較小。高樁承臺基礎中樁基所受的波浪力和水流力較為簡單，但由于大體積混凝土承臺的設置，承臺所受的波浪浮托力和波浪力較大，對樁基礎的抗水平力和抗拔能力提出了較高要求。

（4）抗疲勞特性。在疲勞荷載一定的前提下，疲勞壽命與結構構件的名義應力和應力集中系數有關。單樁基礎與高樁承臺基礎方案中樁身的連接形式簡單，熱點應力較小。

3.4.2 施工比較

海上風機施工受到的制約因素較多，包括氣象、水文、船舶運輸和打樁設備等。海上風機所處的環境決定了其對施工方便性提出了較高要求。單樁基礎的大直徑樁可在工廠內預制加工，運輸到風機所在位置進行沉樁。大直徑單樁的沉樁比較困難，對設備要求較高。安裝時，將樁基運至現場后，采用液壓振動錘將樁基沉入設計深度。高樁承臺的樁徑較小，對施工機具的要求較低。混凝土承臺的鋼筋籠可采用預先綁扎，然后運輸到現場起吊安裝，以節省施工時間。混凝土承臺的澆筑和養護需要較長時間，需要混凝土攪拌、運輸和淡水儲備等配合措施。由于承臺底面位于水面以上，承臺施工前應結合工程樁采用型鋼搭設臨時施工平臺。高樁承臺基礎與風機塔筒的連接通過基礎環來實現，與陸上風機連接類似，國內相關施工經驗較為豐富。

3.4.3 防撞方面

單樁基礎、高樁承臺基礎在布置橡膠護舷及船只停靠方面都較為方便，系船設施布設靈活性也大。高樁承臺基礎的整體性較強，可以抵抗較大的撞擊力。

3.4.4 防腐蝕方面

單樁基礎及高樁承臺基礎的樁基部分均采用了鋼結構基礎型式，處于海洋條件下的鋼結構在我國已形成較為成熟的防腐蝕處理措施和方法，一般施工單位均具有相當的施工經驗。高樁承臺基礎的承臺部分主要涉及混凝土和鋼筋的防腐蝕，當前海工工程中對于混凝土結構的防腐蝕技術較為成熟，可滿足防腐蝕設計使用年限的相關要求。

3.4.5 經濟性比較

各基礎方案工程量及造價估算見表5。造價估算參數參考現有國內船機供應情況及施工設備市場行情價格。從經濟上考慮，現階段高樁承臺更具經濟性。

表5 各基礎方案工程量及造價比較表（單臺）

3.4.6 比選結論

對于本工程，單樁基礎、高樁承臺基礎方案均是較為合適、可行的技術方案。經過以上技術、經濟、施工等比較，單樁基礎方案受力方式明確，連接形式簡單。在施工設備符合要求的情況下，單樁基礎的施工時間較短，可大幅度提高施工效率。高樁承臺基礎方案的投資費用較低，綜合考慮選擇高樁承臺基礎方案基礎的推薦方案。

4 結論與建議

本文分析項目工程場址海域理論水深7 m～11 m，場區范圍內海底表層土層力學性能較差，淺層的土層承載力和變形難以滿足結構要求，且風電場位于近海海域，淺部土層易受潮流沖刷。根據工程地質條件和水文條件，本工程風電機組基礎不適合采用重力式基礎和浮式基礎，建議采用樁基礎。通過各種基礎型式適用性分析，因導管架基礎整體重量較大、工期較長，造價相對較高，不建議采用。現階段選擇單樁基礎和高樁承臺基礎進行方案設計和比較。通過承載力、結構強度、變形等計算分析，綜合對比分析單樁基礎和高樁承臺基礎的結構特性、施工的可行性、施工周期與成本、基礎的防撞保護、防腐蝕保護等等各個方面的因素，高樁承臺基礎方案投資費用較低，因此推薦高樁承臺基礎方案作為本工程海上風電機組基礎的推薦方案。