海上風(fēng)電重力式基礎(chǔ)應(yīng)用與施工研究

崔濤

（福建中閩海上風(fēng)電有限公司 福建莆田 351100）

0 引言

隨著全球石化能源日益減少，可再生資源的利用發(fā)展迅速。國(guó)內(nèi)外對(duì)于風(fēng)能的利用逐漸增多，我國(guó)陸上風(fēng)電逐漸趨于飽和，海上風(fēng)資源比陸上更加豐富，海上風(fēng)電的發(fā)展是大勢(shì)所趨。自2008 年?yáng)|海大橋風(fēng)電場(chǎng)建成以后，其他各地的海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)展迅速。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)作為風(fēng)電場(chǎng)中十分重要的部分，一直是研究的重點(diǎn)，對(duì)各種基礎(chǔ)型式的研究都呈井噴之勢(shì)。我國(guó)海上風(fēng)電剛起步，受限于地質(zhì)條件和施工經(jīng)驗(yàn)，研究焦點(diǎn)一直在樁基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)已建與正在建設(shè)的風(fēng)電場(chǎng)幾乎全是樁基礎(chǔ)，對(duì)重力式基礎(chǔ)的研究與介紹則甚少。作為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)最主要的型式之一，重力式有其不可替代的地位，對(duì)于該型式的研究有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)型式與特點(diǎn)

重力式基礎(chǔ)（Gravity Base Foundations，GBF）一般采用鋼筋混凝土沉箱結(jié)構(gòu)，并在壓艙區(qū)內(nèi)填入砂土、碎石等材料以增加自身重量。基礎(chǔ)完全依靠自身重力就能有效抵抗外部荷載，并能在任何海況下保持整體穩(wěn)定，是所有基礎(chǔ)形式中穩(wěn)定性最好的。

1.1 結(jié)構(gòu)型式

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，原理相同外形卻各異，每一種型式都有各自的特色，分別適用于不同的水深、地質(zhì)，也影響著設(shè)計(jì)與施工方法。主要使用的有下面4 種型式。

型式1 由丹麥工程咨詢公司科威（COWI）設(shè)計(jì)［1-2］，采用有限元軟件IBDAS 進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，被COWI 公司使用超過(guò)20年，曾在納斯特I 期（Nysted I）、納斯特II 期（Nysted II）、利爾格朗德（Lillgrund）、斯普羅格（Sprogφ）等風(fēng)電場(chǎng)使用過(guò)，是目前使用最廣泛的。

型式2 為德國(guó)與奧地利最大的建造公司斯特拉巴格（Strabag）經(jīng)過(guò)多年研究得出［3］。

型式3 為海塔公司（Seatower）設(shè)計(jì)，獲得《質(zhì)量管理體系要求》ISO 9001 認(rèn)證。型式4 為萬(wàn)喜公司（Vinci）設(shè)計(jì)，參與英國(guó)碳信托有限公司關(guān)于海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)大賽。

此外，還有在底部錨桿的重力式和上部混凝土下部鋼結(jié)構(gòu)的負(fù)壓筒等不完全依靠自重的基礎(chǔ)已經(jīng)屬于新的基礎(chǔ)型式，不再歸為重力式。

1.2 基礎(chǔ)特點(diǎn)

作為最早使用的基礎(chǔ)，重力式有以下6 個(gè)特點(diǎn)［4-5］。

（1）造價(jià)低。一般而言，在地質(zhì)適合采用重力式基礎(chǔ)的風(fēng)電場(chǎng)，重力式造價(jià)最低，例如從表1 中阿拉風(fēng)電場(chǎng)（Array）的成本分析可以看出此工程中重力式比單樁成本低很多。成本優(yōu)勢(shì)是重力式基礎(chǔ)成為世界海上風(fēng)電場(chǎng)第二大基礎(chǔ)型式最重要的原因。

表1 Array 風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)成本估算

（2）穩(wěn)定性好。基礎(chǔ)自重及剛度大，抗風(fēng)暴和海浪襲擊能力很好。與其他基礎(chǔ)型式相比，在各樣的荷載工況下都能更好保持穩(wěn)定。

（3）環(huán)境影響小。樁基打樁施工時(shí)的噪音對(duì)海洋生物的影響很大，重力式基礎(chǔ)施工對(duì)海洋生態(tài)的影響相對(duì)較小，而且基礎(chǔ)的碎石層有類似人工島礁的作用，為海生物提供新的生存環(huán)境。

（4）海上施工項(xiàng)目多。海上施工的艱難與昂貴費(fèi)用是影響工期與成本極為重要的因素，施工的項(xiàng)目與時(shí)間至關(guān)重要。重力式自重與體積大，運(yùn)輸與安裝不方便，而且還需預(yù)先對(duì)海床進(jìn)行處理，所以施工項(xiàng)目比其他基礎(chǔ)型式多，施工時(shí)間也較長(zhǎng)。

（5）地質(zhì)要求高。所有荷載直接傳遞到海床表面，重力式對(duì)地基承載力要求高，基礎(chǔ)安放前需確保海床有足夠的承載力與平整度。此外對(duì)于有傾斜、淤泥較厚、液化和易被沖刷的海床也不適合采用重力式。

（6）適用范圍較小。對(duì)地質(zhì)與水深的高要求導(dǎo)致其適用范圍較小，目前應(yīng)用最深為比利時(shí)桑頓海岸風(fēng)電場(chǎng)（Thorntonbank）的27.5 m，水深更深或地質(zhì)稍差時(shí)基礎(chǔ)需要做的更高更大更重，制造、運(yùn)輸與安裝成本會(huì)大幅增加。

圖1 重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式

2 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用與發(fā)展情況

重力式基礎(chǔ)在國(guó)外海上風(fēng)電的應(yīng)用非常廣泛，占風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)總數(shù)14%，僅次于單樁基礎(chǔ)。世界上第1 座海上風(fēng)電場(chǎng)——丹麥溫訥比風(fēng)電場(chǎng)（Vindeby）采用的就是重力式基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)20多年發(fā)展，瑞典、比利時(shí)、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家的數(shù)十個(gè)風(fēng)電場(chǎng)中也都有采用，目前在國(guó)外的應(yīng)用情況見(jiàn)圖2 和表2［6］。已應(yīng)用的基礎(chǔ)自重在1 000 t～3 300 t，水深在3 m～30 m，高度5 m～45 m，適用單機(jī)容量0.45 MW～5 MW。國(guó)外對(duì)重力式的研究正向更深水域發(fā)展，基礎(chǔ)可達(dá)自重7 000 t，高度60 m，適用單機(jī)容量10 MW。目前德國(guó)數(shù)座海上風(fēng)電場(chǎng)正計(jì)劃在25 m～50 m 水深的海域采用重力式基礎(chǔ)，維斯文塔斯公司（Viciventus）已經(jīng)研究出適用30 m～50 m 水深的重力式，將逐步應(yīng)用。

表2 國(guó)外已運(yùn)行重力式基礎(chǔ)風(fēng)電場(chǎng)概況

圖2 國(guó)外海上風(fēng)電基礎(chǔ)應(yīng)用情況

我國(guó)海洋地質(zhì)條件特殊，樁基結(jié)構(gòu)將成為我國(guó)基礎(chǔ)的主要結(jié)構(gòu)型式［7］，對(duì)于重力式基礎(chǔ)的關(guān)注少研發(fā)慢。但重力式有其獨(dú)特的適用環(huán)境，例如在表層覆土淺下部就是基巖這樣不宜使用樁基的地質(zhì)條件就非常適合采用重力式，而且重力式基礎(chǔ)的成本將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樁基。目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)有限，采用的方法是避開(kāi)這樣的區(qū)域，單單選擇適合樁基的區(qū)域建設(shè)。例如正在規(guī)劃的福建大練島風(fēng)電場(chǎng)，有鉆孔資料顯示非常適用重力式，但該區(qū)域被規(guī)避。此舉限制了風(fēng)機(jī)位置的規(guī)劃，影響風(fēng)電場(chǎng)整個(gè)效益。我國(guó)海域遼闊，雖然大部分區(qū)域不適合采用重力式，但是仍然有部分海域適用，如規(guī)劃中的福建六鰲風(fēng)電場(chǎng)計(jì)劃采用重力式基礎(chǔ)，因此對(duì)于重力式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工的研究是非常必要的。

國(guó)外重力式基礎(chǔ)已經(jīng)發(fā)展20 多年，如丹麥科威公司（COWI），丹麥尼拉斯公司（NIRAS），比利時(shí)楊德諾集團(tuán)（Jan De Nul Group），荷蘭格朗米吉公司（Grontmij）等大型設(shè)計(jì)咨詢公司在規(guī)劃、可行性研究、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、施工圖、施工、運(yùn)維與拆除等方面建立了完善的設(shè)計(jì)體系與標(biāo)準(zhǔn)，而且為使其有更大范圍的應(yīng)用做了諸多研究與嘗試。而國(guó)內(nèi)關(guān)于海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的安全標(biāo)準(zhǔn)、基本資料、設(shè)計(jì)依據(jù)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并沒(méi)有統(tǒng)一規(guī)范。雖然有陸上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范與經(jīng)驗(yàn)作為參考，但是二者差異很大；國(guó)外設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)存在諸多差異，也僅供參考無(wú)法照搬。現(xiàn)階段設(shè)計(jì)者根據(jù)各自的理解與思路得出的設(shè)計(jì)結(jié)果千差萬(wàn)別，要建立完善統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系還需要諸多努力。

3 重力式基礎(chǔ)施工經(jīng)驗(yàn)

重力式基礎(chǔ)風(fēng)電場(chǎng)的施工流程如圖3 所示。

圖3 重力式基礎(chǔ)施工流程

3.1 施工準(zhǔn)備

施工準(zhǔn)備包括施工場(chǎng)地、設(shè)備、材料、船舶、人員等的預(yù)備工作，是工程施工的第一步。

3.2 基礎(chǔ)預(yù)制與運(yùn)輸

基礎(chǔ)預(yù)制方式與運(yùn)輸方式息息相關(guān)，前者往往決定后者。基礎(chǔ)預(yù)制方式有陸上、船上、干塢內(nèi)和浮船塢內(nèi)施工等方式；運(yùn)輸方式［8］有批量運(yùn)輸和單個(gè)運(yùn)輸（起重船運(yùn)輸和浮運(yùn)）2 種。

（1）船上施工。基礎(chǔ)直接在大型駁船上施工，預(yù)制完成后由駁船運(yùn)到風(fēng)電場(chǎng)安裝，沒(méi)有自航能力的駁船則需拖船拖行或由推船頂推航行。基礎(chǔ)運(yùn)至安裝位置后采用大型起重船吊裝基礎(chǔ)，根據(jù)起重船起吊能力決定駁船是否需要半潛，以減輕起吊重量。Nysted I，Nysted II，Lillgrund，Sprogφ 和Karehamn 等風(fēng)電場(chǎng)都采用的是這種方法，是重力式基礎(chǔ)運(yùn)輸安裝中最常采用的。

（2）陸上施工。多在靠近碼頭附近的陸上施工，預(yù)制完成后根據(jù)基礎(chǔ)尺寸、重量、運(yùn)輸距離與道路等情況采用大型運(yùn)輸機(jī)或高壓滾動(dòng)氣囊運(yùn)至駁船或起吊位置。適合批量運(yùn)輸?shù)挠神g船運(yùn)送，適合單個(gè)運(yùn)輸?shù)膭t用大型起重船起吊運(yùn)送。批量運(yùn)輸基本都是船上施工，幾乎不采用陸上施工。單個(gè)運(yùn)輸則有用陸上施工，例如Thronton bank I 風(fēng)電場(chǎng)。

（3）干塢內(nèi)施工。基礎(chǔ)在干塢內(nèi)預(yù)制，之后向船塢內(nèi)注水，采用輔助設(shè)施維持基礎(chǔ)懸浮穩(wěn)定后用拖船將基礎(chǔ)拖至安裝位置或采用起重船在船塢內(nèi)將基礎(chǔ)起吊運(yùn)至安裝位置，Middelgrunden 風(fēng)電場(chǎng)采用這種方法。

（4）浮式船塢內(nèi)施工。基礎(chǔ)在浮式船塢內(nèi)預(yù)制，然后根據(jù)基礎(chǔ)自浮能力與運(yùn)輸穩(wěn)定性采用特殊運(yùn)輸船或拖船托運(yùn)。利用基礎(chǔ)自身浮力運(yùn)輸?shù)姆绞侥壳斑€沒(méi)有在任何風(fēng)電場(chǎng)采用過(guò)，但它具有施工效率高，需要設(shè)備少、費(fèi)用省等優(yōu)點(diǎn)，而且在沉管隧道和石油平臺(tái)基礎(chǔ)運(yùn)輸中有成熟的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)［9］，此方法一直是研究的熱點(diǎn)方向，具有廣闊的發(fā)展前景，Seatower 公司和格拉維塔斯公司（Gravitas）有開(kāi)始嘗試，Vinci 公司已經(jīng)制造出專門運(yùn)輸重力式基礎(chǔ)的特殊輔助船。

3.3 基坑開(kāi)挖

大部分風(fēng)電場(chǎng)都是用挖掘機(jī)固定在駁船上開(kāi)挖的方法，同時(shí)料斗駁船在旁邊裝載挖掘材料。一般開(kāi)挖分3 步進(jìn)行，測(cè)量定位、大面積初步開(kāi)挖與精細(xì)開(kāi)挖，精細(xì)開(kāi)挖時(shí)要做好相應(yīng)。整平工作，同時(shí)也要對(duì)地質(zhì)復(fù)核，開(kāi)挖到指定持力層為止。根據(jù)不同的工程情況，開(kāi)挖尺度、深度、坡度、范圍不盡相同。對(duì)于淤泥較多的情況要采取防回淤的措施，Middelgrunden 風(fēng)電場(chǎng)的淤泥厚5 m，幾乎是液態(tài)，回淤很嚴(yán)重，導(dǎo)致多次的清淤。開(kāi)挖材料若能用于基礎(chǔ)填料或基坑回填則需儲(chǔ)存在附近，若是不能就卸在指定位置以減小對(duì)環(huán)境的影響。

3.4 墊層處理

基坑開(kāi)挖整平后需要在持力層鋪設(shè)2 層墊層：過(guò)濾層（0 mm～63 mm）與疏水層（10 mm～80 mm），厚度與范圍根據(jù)工程地質(zhì)情況來(lái)定。墊層鋪設(shè)過(guò)程為：采用GPS 和潛水員定位放下鋼框架、清理海床面、在鋼框架內(nèi)分層填充碎石、潛水員用框架上的移動(dòng)橫梁整平、移除鋼框架，具體過(guò)程如圖4 所示。是否夯實(shí)需根據(jù)工程情況而定，對(duì)于特殊問(wèn)題如Middelgrunden 風(fēng)電場(chǎng)淤泥嚴(yán)重壓實(shí)效果差的情況可以灌漿解決。

圖4 墊層處理示意圖

3.5 基礎(chǔ)安裝

基礎(chǔ)安裝主要有定位落放和填料等2 個(gè)部分。

（1）定位落放。不同運(yùn)輸方式，基礎(chǔ)定位落放方式也不同：批量運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)到達(dá)安放點(diǎn)后由起重船起吊，然后GPS 和潛水員精確定位，最后緩慢落放在指定位置；起重船單個(gè)運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)直接運(yùn)到安裝位置，然后定位落放；浮運(yùn)的基礎(chǔ)施工難度大，參考石油重力式平臺(tái)的方式，可以通過(guò)向艙內(nèi)灌水采用垂直或傾斜的落放形式，定位的工作困難，可由多只駁船或拖船等輔助船完成。

（2）填料。空腔內(nèi)填充大多采用砂或碎石等密度較大的巖石材料，填料是否壓實(shí)根據(jù)工程情況而定。對(duì)于型式1 等底板有隔室的結(jié)構(gòu)也應(yīng)在底板隔室內(nèi)填料。部分風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)工程情況會(huì)選擇密度較小的沙土或更大的礦石。例如Krehamn 風(fēng)電場(chǎng)采用鐵礦石填充，Thornton Bank 風(fēng)電場(chǎng)部分基礎(chǔ)填充橄欖石。

3.6 沖刷保護(hù)

大部分重力式風(fēng)電場(chǎng)沖刷保護(hù)都是用巖石材料作為保護(hù)面層和過(guò)濾層以防止土體流失，之前海床預(yù)備的工作也可以起到一定保護(hù)作用。考慮到經(jīng)濟(jì)與環(huán)境原因，保護(hù)面層也有用混凝土塊體的做法，混凝土塊體可以被做成任意形狀。還有工程用砂與碎石混合后裝載土工布袋中拋填的方式防沖刷。目前有研究復(fù)合土工材料防沖刷的方法，在重力式基礎(chǔ)中還未成功應(yīng)用［10］。

3.7 緊急預(yù)案

施工過(guò)程中突然遇到惡劣天氣和海況或者無(wú)法解決的技術(shù)難題等情況可以采用緊急預(yù)案將基礎(chǔ)暫時(shí)沉入海中，之后用打撈船打撈。此舉可以降低風(fēng)險(xiǎn)，但會(huì)增加難度與費(fèi)用，需慎重選擇。

3.8 其他

以上是分體式安裝過(guò)程，整體式安裝在重力式應(yīng)用較少，主要有2 種形式：基礎(chǔ)與塔筒陸上組裝后運(yùn)輸安裝，然后運(yùn)送安裝機(jī)艙與葉片，Middelgrunden 風(fēng)電場(chǎng)采用這種方式；基礎(chǔ)、塔筒、機(jī)艙和葉片陸上組裝后一起運(yùn)輸安裝，目前沒(méi)有應(yīng)用，卻是研究的重點(diǎn)方向。

4 總結(jié)

海上風(fēng)電重力式基礎(chǔ)是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的重要形式，通過(guò)對(duì)比研究得出以下3 點(diǎn)結(jié)論。

（1）與樁基相比，重力式基礎(chǔ)具有眾多獨(dú)特的型式與特點(diǎn)。我國(guó)地質(zhì)條件復(fù)雜多變，有適合重力式的條件，重力式的使用將帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)效益。

（2）重力式基礎(chǔ)在國(guó)外應(yīng)用成熟，已有豐富的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，正逐步向更深水域發(fā)展。國(guó)內(nèi)對(duì)其研究幾乎為零，需趕快建立適合國(guó)情的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范。

（3）目前重力式的運(yùn)輸與安裝過(guò)于依賴大型起重船，此方法不適用于更深水域，采用浮力運(yùn)輸?shù)恼w式安裝方法是基礎(chǔ)施工研究發(fā)展方向。