海上風機共享錨的共享模式與適用性分析

中圖分類號：TU470 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）24-0028-08

Abstract：Thesharedmooring anchoragesolutioncan help far-reachingofshore windpowerreducecostsandincrease eficiencyBasedonexistingliteratureandengineeingcases，thispapersystematicallanalyzesthediferencesinfoundation usageandloadmechanismamongvarioussharedmodelsofanchorage foundations，summarizes thesimplifiedcalculationmethod ofthenumberofanchoragefoundationsrequiredbydiferentsharedmodelsandthecalculationmethodoftheresultantforce exertedonthesharedanchorunderthecombinedactionof multipleanchorlineloads，anddiscusestheapplicabilityof dierent anchoragefoundationsassharedanchorsfromtheperspectivesofgeometrictype，loadtype，aplicablewaterdepthand applicablegeologicalconditions.Research showsthatsuctionanchorsandrelatedimprovednewanchorage foundationsarmore suitableassharedanchorsandperformbeterload-bearingperformanceundercomplexmulti-directionalloads.Thisstudycan provide reference for the large-scale application of shared mooring anchorage schemes in offshore wind fields.

Keywords：ofshorefloatingwindpower;sharedanchorage foundation；bearingperformance；suctionanchoragefoundation; applicability

全球能源需求不斷增長，海上風能作為清潔可再生能源，日益受到重視。由于近海海上風場已近飽和，海上風能產業正逐步向深水海域邁進。隨著水深增加，固定式風機基礎的施工難度和成本隨之增大，漂浮式海上風力發電機（浮式風機）成為有效的替代方案。浮式風機不僅可用于水深超 60m 的海域，還可靈活調整系泊布局型式，擴大錨固基礎的選址范圍，近年已逐漸用于海上風場建設。

成本是浮式風機面臨的最大挑戰之一。系泊錨固系統（含系泊鏈和錨固基礎）及其相關的勘察、設計和施工費用是浮式風機主要成本之一。為提高系泊錨固效率，共享式系泊錨固方案被提出。共享式系泊錨固方案通常包含系泊鏈和共享式錨固基礎（以下簡稱“共享錨”。傳統獨立式錨固方案中，每臺風機至少通過3個錨固基礎固定，每個錨固基礎僅與單臺風機相連。共享式系泊錨固方案中，單個錨固基礎與多臺風機相連，有效減少了錨固基礎的用量和成本。與獨立式錨固基礎（以下簡稱“單線錨”相比，共享錨的關鍵特征之一是基礎所受荷載來自相連的多臺風機，而傳統的單線錨僅需承受單臺風機的荷載。這導致共享錨的受荷機理更為復雜，多向荷載的耦合作用使得基礎破壞模式更加復雜，基礎承載性能評估更加困難。同時，相同海況及地質條件下，不同系泊布設方式也會影響共享錨的受荷機理及尺寸定型。共享錨的主要優勢是可通過共享錨點，顯著減少錨固基礎用量，從而減少基礎的建造、運輸、勘察、設計、安裝及后續運維等費用，降低總投資成本4。同時，高效的共享式系泊錨固布局方式（以下簡稱“共享模式\"）可有效減少風場用海面積，實現更經濟的風場開發。

然而，共享錨在工程設計和應用中仍面臨一些困難和挑戰。首先，共享錨的選型與單線錨存在差異。常規錨固基礎主要包括樁錨、吸力錨、重力錨和大抓力錨等，當其作為共享錨時，需承受多向荷載。單向受荷錨（如大抓力錨）的適用性可能存在局限。其次，由于整個風場的錨固基礎協同共享，當單個錨點或系泊鏈失效時，風機位置發生偏移，將導致其他錨點和系泊鏈上的荷載重分布，這對共享錨的承載性能有更高要求。若以常規單線錨的方法對共享錨進行設計，可能降低風場安全性。此外，受到相連多臺風機的影響，共享錨的真實受荷情況極為復雜，目前僅有少量學者對共享錨在復雜海況下的承載性能進行探索。

本文重點分析不同共享模式的共享式系泊錨固方案在基礎用量和受荷機理方面的區別，總結共享錨的用量和所受合力的簡化算法，并從幾何型式等方面評估了樁錨、吸力錨、大抓力錨、重力錨和螺旋錨等常用錨固基礎，以及翼型錨、環形錨、復合錨等新型錨固基礎作為共享錨的適用性，為共享錨在浮式風場中的規模商用提供借鑒和參考。

1共享式系泊錨固

1.1 共享模式

傳統油氣生產平臺一般以單浮體、多點系泊錨固型式為主，用海面積較小，平臺數量少，錨固基礎用量較少。浮式風電場一般以多浮體、多陣列為主，用海面積大，每臺風機至少與3個錨固基礎相連，錨固基礎需求數量多。如圖1（a）所示，共享式系泊錨固方案將多條系泊鏈匯聚到單一錨固基礎，減少基礎數量，降低成本。圖1（b）至（e）為幾種典型共享模式（‘a-b'共享， a 為與單個錨固基礎相連的風機數量，b為與單臺風機相連的錨固基礎數量）。由圖1可知，6-3'共享模式可最大化地減少基礎數量，但當某一基礎失效時，可能導致較多風機發生偏移失控，因此共享模式也需結合實際情況進行合理評估。此外，圖1（f展示了一種系泊鏈共享的特殊模式，即每臺風機直接與多條系泊鏈相連，僅在風場邊緣連接錨固基礎。該模式可顯著降低基礎用量及系泊鏈的數量和長度，但任一基礎失效可能導致全場區所有風機均產生偏移失控，系統安全性過低，因此這一概念僅在陣列波能轉換器

項目中得到一定探索。

目前，已有部分學者針對共享式系泊錨固方案的基礎用量進行研究。Fontana等發現風場邊緣區域的布設型式對整體錨固基礎數量具有一定影響，但會隨著風機總數量的增加而逐漸減小。當風機數量為10臺時，邊緣區域布置顯著影響錨固基礎用量，而當風機數量達到1000臺時，這種影響變得很小。因此，忽略不屬于共享錨的邊緣部分，錨固基礎用量與風機總數的關系可用下式估計[8]

式中： n_AT 為每臺風機連接的基礎數量； n_TA 為每個基礎連接的風機數量； n_T 為整個風電場中的風機總數； n_A 為所需錨固基礎的總數。該表達式可粗略計算共享錨的使用數量，但由于風場邊緣處的布設型式存在差異，基礎數量也會不同，因此該式忽略了邊緣效應，與真實數量存在一定誤差。當風機數量較小時，誤差較大，當風機數量較多時，誤差會隨之降低。以‘3-3'共享模式為例，當風電場足夠大且忽略邊緣效應時， n_A 等于 n_T ，即風電場中的漂浮式海上風機數量與所需錨固基礎數量相同。從該計算式還可看出， n_TA 與 δ_nA 成反比，表明每個基礎連接的風機數量越多，錨固基礎的需求數量就越少。圖2展示了‘3-3'共享模式和‘6-3共享模式所需的基礎數量及相較于獨立式系泊錨固方案的減少率。可以看出，當風機總數超過100臺時， ?_3-3， 共享模式下基礎用量可減少 60% ，‘6-3'共享模式下基礎用量可減少 80% 。

此外，Fontana等指出，盡管使用共享式系泊錨固方案可有效減少錨固基礎用量，但對共享錨的承載性能往往有著更高的要求，對錨固基礎的選型、尺寸以及在不同場地中不同基礎的適用性需要做出進一步考慮。

1.2不同共享模式的共享錨受荷型式

傳統單線錨所受荷載僅源于與之相連的單一系泊鏈，在風場主導風向的作用下，基礎受荷方向基本為某一固定方向。而對于共享錨，錨點同時受到3條或更多系泊鏈的同時加載。因此，共享錨的受荷情況相較于單線錨更為復雜。圖3展示了‘3-3'共享模式中共享錨的受力示意圖。圖3中共享錨所受3臺風機傳遞的荷載大小分別為 T_1?T₂ 和 T₃ ，方向與系泊鏈方向一致。根據矢量相加法則，共享錨所受合力可由式（2）計算得出

式中： T_i 為各系泊鏈的張力， kN;n 為單個共享錨所連接的風機數量； T_multi 為各系泊鏈的合力， kN 。由于目前海上風場的應用水深一般不超 200m^[9] ，系泊型式以懸鏈線式為主，錨鏈有較長的觸底段位于海床上，因此基礎所受系泊鏈荷載在 Z 方向上的分量可設為0，共享錨所受合力在 XY 平面的大小可簡化為

式中： T_multi 為各系泊鏈張力沿 X 方向之和（即共享錨所受合力在 X 方向的分量）， kN;T_multiY 為各系泊鏈張力沿 Y 方向之和（即共享錨所受合力在 Y 方向的分量）， kN 。

對于三線錨固系統（圖3），通常相鄰兩線夾角為120^° ，設 T₂ 為 X 方向，則共享錨所受合力在 X 和 Y 方

向的分量可分別按式（4）和（5）求得

T_multiX=T₂-cos60^°（T₁+T₃）.

T_multiY=sin60^°（T₃-T₁）

對于六線錨固系統，通常相鄰兩線夾角為 60^° ，設T₂ 為 X 方向，則共享錨所受合力在 X 和 Y 方向的分量可分別按式（6）和（7）求得

T_multiX=T₂-cos60^°（T₄+T₆-T₁-T₃）-T₅，

T_multiY=sin60^°（T₃+T₄-T₁-T₆），

式中： ：T₁-T₆ 分別為連接各風機的系泊鏈張力， kN 。圖4展示了‘6-3'共享模式下的共享錨在時域范圍內所受合力的方向玫瑰圖[，可以看出即便共享錨受到6根系泊鏈上荷載的共同作用，所受合力仍基本集中在某一特定方向，這為共享錨的設計提供了依據。

圖1共享式系泊錨固方案的共享模式

2常用錨固基礎作為共享錨的適用性

共享錨的選型需考慮多個影響因素，包括應用水深、土層條件、定位精度、安裝成本、錨固效率、承載方式和承載性能等。本節將針對幾種海洋工程中常用的錨固基礎類型，如樁錨、吸力錨、大抓力錨、重力錨和螺旋錨，對其作為共享錨的適用性進行分析。

2.1樁錨

樁錨是海上風機的一種常見基礎型式，如圖5所示，其應用水深一般小于 30m^[11] ，可適用多種地質條件，但需安裝至堅硬持力層。樁錨一般通過錘擊或震動進行安裝，定位精度較高，在深度范圍內可通過樁身標尺精確判定打樁深度。但浮式風電場的水深一般超過 100m ，此時樁錨的打樁難度和成本將顯著增加。

樁錨從長徑比的角度來看一般定義為深基礎，錨固力需求較大時，樁錨可通過更大的長徑比深入海床，以激發更深層的土體來提供更優的承載性能，為風機提供更強大的錨固力。從幾何結構來看，樁錨為軸對稱結構，能承受多個方向的荷載，可通過在樁身周圍增設多個錨眼來與多臺風機相連。此外，樁錨具有良好的擴展性，可通過在樁頭處增設翼板結構來提高承載性能，同時有效減小樁頭的水平位移[2]。因此，克服施工難度和成本后，樁錨適合作為共享錨。

圖4‘6-3'共享模式中共享錨所受合力的方向玫瑰圖

圖5樁錨

2.2 吸力錨

吸力錨也是海上風機的一種常用基礎型式（圖6，通常適用水深 200m 內。吸力錨的安裝首先通過基礎自重進行部分貫入，隨后通過頂蓋由內側向外側抽水進行負壓安裝，吸力錨在均質黏土和砂土中的安裝相對簡單，安裝難度和成本受水深影響較小。相較于樁錨，吸力錨的適用水深范圍大，施工噪音小，定位精度較高，安裝成本較低。

與樁錨相似，吸力錨也是軸對稱結構，可承受多個方向的荷載。需要注意的是，吸力錨的極限承載性能受錨眼位置影響較大，最優錨眼位置一般位于錨身長度的 60%～70% 處，此時承載力為將錨眼設在泥面處的4～5倍[13]。此外，吸力錨同樣具有良好的擴展性，可在其外壁增設翼板結構來增加基礎的極限承載性能[4]。因此，吸力錨適合作為共享錨。

圖6吸力錨

2.3 大抓力錨

大抓力錨是一類廣泛用于船舶、海上平臺及浮式風機的錨固基礎[15]，適用水深 50～1000m_? 。大抓力錨的結構一般包括錨爪、錨板、錨桿和錨鏈，如圖7所示。大抓力錨主要通過錨爪或錨板嵌入海床，利用牽引力實現錨固，提供抗拉拔力和抗水平力[。大抓力錨在軟土層、砂土層或中等硬度土層均能提供高效的錨固性能。然而，大抓力錨不適用于繃緊式系泊方式，并且安裝時需通過牽引力嵌入海床，牽引過程存在自然偏移，錨的真實牽引軌跡難以精準預測，定位精度相對較差。作為共享錨時應綜合考慮其他基礎和風機的布設方案，對拖錨進行精細化設計。此外，大抓力錨為非對稱結構，無法承受多向荷載，作為共享錨時無法直接與多臺風機相連，需借助連接環等受力轉換構件實現共享（圖8）。因此，大抓力錨借助連接環等受力轉換構件后可作為共享錨。

2.4 重力錨

重力錨通常為鋼筋混凝土結構，利用自重提供錨固力，一般在岸上澆筑后拖運至目標位置進行沉放安裝，對吊裝設備噸位要求較高。重力錨一般直接坐落于海床上，適用中等或硬質土海床，通常用于 30m 內的水深范圍，具有定位精度高，現場施工成本低的優勢。

重力錨可承受多向荷載，但其主要依靠自重提供豎向錨固力，依靠與海床之間的橫向摩擦提供水平向錨固力，水平向錨固力相對較低，對常用的懸鏈線式系泊系統的適用性較差。此外，重力錨通常要求海床為地形平緩、承載力高、沖刷不嚴重的巖石或堅硬土層，應用范圍受限。因此，重力錨相對不適合作為共享錨。

圖7大抓力錨

圖8共享式系泊錨固系統中的大抓力錨

2.5 螺旋錨

螺旋錨的結構主要包括一根螺旋樁桿和多個螺旋葉片，利用葉片與土體間的摩擦提供錨固力，通過旋轉嵌入海床，如圖9所示。螺旋錨適用于軟土和中等硬度土，定位精度較高，安裝時無需大型打樁設備，可降低施工成本。

螺旋錨在幾何結構上呈對稱性，可承受多個方向的荷載，系泊鏈一般與錨桿頂部或上部相連，從受力特性的角度來看可考慮作為共享錨，但目前螺旋錨在海上風電場的研究和應用案例相對較少，僅在BorkumRiffgrund2期浮式風機項目中獲得應用[18]。目前國內螺旋錨施工安裝設備的工作環境以陸地為主，海上施工較難實現。因此，螺旋錨相對不適合作

為共享錨。

圖9螺旋錨

3新型錨固基礎及其作為共享錨的適用性

樁錨、吸力錨等常用錨固基礎擁有各自的結構特征和適用范圍，面對更加復雜的多向受力工況時可能存在承載特性方面的局限性。比如吸力錨作為共享錨時，若錨點設置不當，在風、浪、流等荷載聯合作用下會產生較大扭矩，可能降低其極限承載力。為提高錨固基礎作為共享錨的承載特性，已有學者基于吸力錨等常用錨固基礎提出翼型錨、環形錨、復合錨等新型錨固基礎。本節將分析這些新型錨固基礎作為共享錨的適用性。

3.1 翼型錨

在長期循環荷載作用下，共享錨將承受較大扭轉荷載， Fu 等[19在吸力錨的基礎外壁增設翼板結構，提出了承載性能更加優越的翼型錨，如圖10所示。作為吸力錨的改進型，翼型錨同樣具備適用水深范圍大、定位精度高、可多向受荷等優點。相較于傳統吸力錨，翼型錨可提供更強的抗拉拔和抗扭承載性能，多向受荷能力更強，同時翼板的增加會顯著增大結構與土體的接觸面積，帶來更大的貫入阻力。因此，翼型錨適合作為共享錨，但應用時需綜合考慮承載性能和貫入阻力。

圖10翼型錨

3.2 環形錨

常規單向受荷錨安裝時會在土中進行一段位移。由于海床土體的不均勻性，錨在土中的運動軌跡難以精準預測，導致其定位精度較差。因此，Lee等提出了一種可多向受荷的環形錨，如圖11所示，環形錨具有與吸力錨相似的軸對稱筒壁，但無頂蓋結構，在側壁設有多個可與浮體相連的錨眼。環形錨的安裝深度可通過吸力錨的貫入深度準確計算，具有較高的定位精度。然而，相較于吸力錨，環形錨服役期滿后的回收難度較高，可能會存在生態環保問題。因此，環形錨適合作為共享錨，但使用時需注意環保問題。

圖11環形錨及其安裝過程

3.3 復合錨

Rui等[2在傳統吸力錨頂部銜接重力錨，并在重力錨側壁設置多個錨眼，提出了一種重力式-吸力式復合錨固基礎（復合錨），如圖12所示。由于包含吸力錨并且整體軸對稱，復合錨定位精度高，可多向受荷。相較于傳統吸力錨，復合錨的自重貫入深度更大，后續需要的負壓吸力更小，有助于降低施工費用。相較于重力錨，復合錨不僅可利用自重提供錨固力，還可利用筒壁激發更多深層土體來提供更高的錨固力。因此，復合錨適合作為共享錨。

圖12復合錨

4結束語

共享式系泊錨固方案可通過共享錨固基礎，優化資源利用，提高經濟效益。本文分析了不同共享模式的共享式系泊錨固方案在基礎用量和受荷機理上的差異，總結了共享錨用量和受力的計算方法，多角度分析評估了不同錨固基礎作為共享錨的適用性。研究表明，吸力錨及相關改進型式在復雜多向荷載作用下的承載性能更加出色，更適合作為共享錨。本研究可為共享式系泊錨固方案在海上風場中的規模商用提供借鑒和參考。

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