海上風力發電機組基礎研究

方 濤

能源不僅是人類生存和發展的重要物質基礎，而且是全球經濟發展的重要資源。隨著全球能源消費不斷增長，傳統化石能源資源不斷減少，價格不斷攀升，使得可再生能源在各國能源戰略中逐漸占據重要地位。風能因使用成本相對較低，后續不需補給能源而成為最具商業潛力、最具活力的可再生能源之一。

海上風力發電機組的基礎由于需要同時具備海洋工程、高聳結構基礎、動力設備基礎三種工程特性，導致其在結構形式上既有重心高、承受水平力和彎矩較大等特點，又與海床的地質結構、海上風浪、海流及冰載荷等因素有關；并且由于海上施工條件復雜，受安裝和施工設備的影響較大，設備的使用費用也非常高。因此，海上風力發電機組的基礎是導致海上風力發電成本較高的主要因素之一。鑒于基礎設計既要考慮所處地勢及地質情況，又要兼顧經濟性，所以大力發展經濟適用的基礎結構是海上風力發電研究的重要課題。

1 基礎型式分類

用于海上風力發電基礎的支撐結構一般根據其構造特性、安裝方式、結構形式及制造材料進行分類。最基本的支撐結構為：樁基結構、重力基礎結構、負壓桶式結構和漂浮結構[1]。

此外還有根據結構的具體構造將海上風電機組的支撐結構分為重力基礎結構、單樁結構、三腳架結構、導管結構、負壓桶式結構和漂浮結構等6個類型。而在實際應用中也可能會采用復合結構。

2 工作原理

2.1 樁基式

樁基式基礎結構包括單樁、三樁、四腿導管架和群樁等。

（1） 單樁基礎

單樁基礎由大直徑鋼管組成，是目前應用最多的風力發電機組基礎（見圖1、圖2），例如在丹麥的Horns Rev項目和愛爾蘭的Arklow Bank項目[2]。其安裝也逐漸成為一種標準方式。該種基礎形式通過側面土壤的壓力來傳遞風機載荷，樁和塔筒之間既可以是焊接連接，也可以是套管法蘭連接，其插入海床的深度與實際環境和土壤的強度有關，土壤強度不同，插入海床的深度也不一樣。樁的直徑根據負荷的大小而定，壁厚約為樁直徑的1%。標準的安裝方法是將樁提升到安裝位置，用氣錘或液壓錘將其打入海床進行固定。其中采用液壓錘撞擊方法時樁的直徑較小。對于巖石地基需邊鉆孔邊下沉鋼樁，如瑞典的Bockstigen項目和英國的North hoyle項目[3]，該方法所需樁直徑較大。

圖1 單樁基礎

圖2 單樁基礎工程實例

單樁基礎一般適用于水深為0～25 m的水域，尤其是在淺水域，更能體現其經濟價值。

優點：設計、制造和安裝簡單；海床不需做任何準備；

缺點：當海床較為堅硬甚至為巖石時所需鉆孔的成本較高；對震動、傾斜及海水沖刷均較敏感，在海床與基礎相接處需要做好防沖刷防護；在服役期滿后，大直徑單樁的拆除比較困難。

（2） 三樁

風力發電機組的三樁基礎結構一般為單立柱三樁和三腳架兩種類型。

單立柱三樁 由中心柱、三根插入海床一定深度的圓柱鋼管和斜撐結構構成。中心鋼管與風機的塔筒形成一個整體結構，三腳架可以采用垂直或傾斜套管支撐在鋼樁上，底部三個頂點各用一根鋼樁打入海床10～20 m固定。三角桁架將上部塔筒荷載傳遞到3根鋼樁上。與單樁結構相比，剛度和強度得到加強，基礎更加穩定可靠（見圖3、圖4）。

圖3 單立柱基礎

圖4 單立柱基礎工程實例

三腳架 是組合式基礎，由三根圓柱形鋼管呈等邊三角形均勻布設并固定于海底，樁頂通過鋼管套支撐上部三角桁架結構（見圖5、圖6）。

圖5 三腳架基礎

圖6 三腳架基礎工程實例

三樁結構基礎適用水深20～50 m，施工安裝前海床整理簡單，其基礎寬度及插入深度可根據實際環境和土壤條件進行調整。

優點：較單樁式更堅固和穩定；加工制造簡單；安裝前不需要整體海床；可用于深海；不需要做沖刷防護；

缺點：制作和安裝成本較高，可移動性較差；安裝樁基需要打樁，在海床存在大面積巖石時不適用；在淺海域安裝或維修時有可能會發生碰撞事故，冰荷載有增加。

（3） 四腿導管架

四腿導管架從外形上看是一個錐臺形空間框架，通常先在陸上將鋼管焊接好后運到安裝地點，將鋼樁從鋼導管中打入海底固定好導管架以后，再安裝風機塔筒。適用的水深范圍較大，但是考慮到其經濟性，一般用在水深大于40 m，波浪較大和海床條件較差的區域（見圖7、圖8）。

圖7 四腿導管架基礎

圖8 四腿導管架基礎工程實例

優點：建造和施工方便，對波浪和水流載荷不敏感，剛度高、穩定性好和對海床的依賴性?。?/p>

缺點：成本較高，造價隨水深的增加增長很快。

（4） 群樁

利用小直徑的樁基打入海床內，樁基可以做成傾斜形式以抵抗波浪和水流（見圖9、圖10）。根據樁基礎采用的材料不同分為混凝土群樁和鋼管群樁。

圖9 群樁基礎

圖10 群樁基礎工程實例

混凝土群樁基礎適合水深0～10 m，物料運輸方便，適合多種地質條件，錐形承臺可減少水平撞擊力，斜樁能有效減小結構水平位移，提高水平承載力；造價低于鋼制基礎。但用在臺風影響嚴重的海域時需增加破浪措施，以降低海浪對基礎的沖擊力。

鋼管群樁基礎適用水深10～20 m，物料運輸方便，施工周期短，適合多種地質條件，可設計防撞承臺。主要缺點是鋼樁成本較高。

2.2 重力基礎結構

是最早用于海上風電基礎的型式，也是目前首選的基礎，主要用于淺水區域。比利時Thornton Bank海上風電場是世界上第一個使用重力式基礎的商業海上風電場。

重力基礎一般采用預制圓形空腔結構，空腔內填充砂、碎石，以便有足夠自重來抵消提升力、波浪、水流及使用荷載對基礎的作用，克服海床土壤的不足，保證整個基礎穩定，適于堅硬黏土、砂土以及巖石海床，最大適用深度10 m。由于構造的特殊性導致重力基礎結構在所有類型中體積最大、重量最大，其尺寸應根據地基承載力以及抵抗滑動、傾覆所需要的抗力決定。鑒于圓形結構所受波浪、水流作用力較方形結構小，所以一般制作成圓形結構，此外，為了減小冰荷載作用，可以將其設計成錐形。

該種基礎一般在岸邊進行預制后運至安裝地點，采用起重船或半潛駁安裝。海床需預先平整并鋪上一層碎石，以減小地基應力及不均勻沉降。對平均潮位時基礎底部地基能露出海面的近岸區域，當安裝船受吃水限制無法就位時，可采用全現澆結構（見圖11、圖12）。

圖11 重力基礎

圖12 重力基礎工程實例

優點：結構比較簡單，造價低；抗風暴和風浪性能好，穩定性及可靠性較高，對海床土質要求不高且能適應海底巖石較多的海床；

缺點：

（1）需要預先進行海床準備；體積和重量都比較大，安裝不夠方便。

（2）超過100 m后，隨著水深的增加，經濟性下降，造價甚至高于其他類型基礎。

（3）由于重量重，運輸費用較高。

（4）沖刷對其穩定性影響較大，尤其不適合流沙形海底。

2.3 負壓桶式結構

負壓桶式結構是傳統樁基和重力基礎的結合，是一種新的基礎結構，在海上油氣工業也有采用，1995年報道了第一個采用負壓桶式基礎的風電工程[4]。

在2002年之前，海上風電項目均采用重力基礎或單樁基礎。其中受深度限制，原本采用重力基礎較少，但是隨著風機容量不斷增加，使深海風電技術開發成為必然，并最終通過采用負壓基礎克服了單樁直徑超過6 m沒有設計準則的困難。其原理是將負壓桶基礎放置在海床上之后，抽空內部海水，靠壓差將基礎壓入土壤并固定。目前，負壓基礎應用的水深極限為25 m，深水區應用處于調查階段[5]（見圖13、圖14）。

優點：

（1）水平承載性好，負壓效應可以部分地承擔動態峰值負載。

（2） 適用于深水區域，制造簡單，運輸方便，容易安裝和拆除，基礎總體成本低。

缺點：需進行海床土壤詳細調查。

圖13 負壓桶式基礎

圖14 負壓桶式基礎工程實例

2.4 漂浮結構

目前，海上風電機組水深極限只能達到50 m，為了使海上風電向更深水域發展，克服海床基礎受水深限制的束縛。因此采用漂浮式基礎結構取代固定式基礎勢在必行。

漂浮式基礎是利用停泊鏈和錨將漂浮基礎懸停在海中，依靠錨鏈約束漂浮基礎的移動，在漂浮基礎的底部安裝穩定器以減少基礎搖晃（見圖15、圖16）。

漂浮式基礎主要有兩種方式，一種為漂浮式，由塔架、浮體和錨泊裝置組成，承載風電機組的浮置結構飄浮在水面上；另一種為半潛式，浮體結構位于海面以下，由錨泊系統固定，其上可安裝多臺風電機組。目前這種基礎結構還處于研究階段。

漂浮結構需提供足夠支撐風機重量和抵抗變槳、偏航、波載荷和旋轉力矩的浮力。浮動基礎的結構需進行一階穩定性分析，一旦平臺結構確定，需進行經濟可行性分析，以求得穩定性、功能性和成本的平衡[6]。

圖15 漂浮式基礎示意圖

圖16 漂浮式基礎工程實例

優點：適于深海水域；能通過拖運抵達現場，再用錨鏈定位，安裝比較簡單；

缺點：不夠穩定，僅適用于海浪較低的情況；旋轉部件長期工作在不穩的環境下，增大潛在風險，降低使用壽命。

2.5 基礎結構比較

海上風力發電基礎在結構形式上各有特點，在應用上也有各自的適用范圍及限制條件。因此并不存在脫離具體海況條件的最優結構（見表1）。

表1 主要基礎比較

3 結語

海上風電項目的基礎選擇取決于風電場所處的具體位置情況，主要技術考核指標包括水深、風載荷、波浪載荷、洋流載荷、地質情況、沖刷、冰載荷等，而且需要通過技術和經濟指標的綜合比較而定。未來海上風電基礎的研究尤其是應用于深海的基礎研究還需要進行更徹底的技術分析及樣機現場測試的檢驗。

[1]DNV－OS－J101:2010,Design of offshore wind turbine structure[S]．

[2]K．Lesny and J．wiemann．Aspects of Monopiles in German offshore wind farms．Frontiers in Offshore Geotechnics,ISFOG －2005,Perth,Vol．I,pp．12－24,2005．

[3]姚興佳，隋紅霞，劉明，等。海上風電技術的發展與現狀

[J] ．上海電力，2007 （2）：9－16．

[4]A．Bye,C．Erbrich,B．Rognlien,T．Tjelta．Geotechnical design of bucket foundations．Offshore technology Conference,Houston,Texas,Paper 7793,1995．

[5]B．W．Byrne,G．T．Houlsby,C．Martin&F．Peter．Suction Caisson Foundations for Offshore Wind Turbines．Wind Engineering,Vol．26,No．3,pp．145－155,2002．

[6]S．Butterfield,W．Musial and J．jonkman．Engineering Challenges for Floating Offshore Wind Turbines:Copenhagen Offshore Wind Conference,Copenhagen,Denmark,2007．