海上風電機組基礎(chǔ)的適用性與選擇

摘 要:海上風電基礎(chǔ)在風電的正常建造和運營維護中占有重要的位置。它的選擇與受力特點、海床的地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況、海上風浪載荷以及海流、冰荷載等諸多因素有關(guān)。因此，海上風電機組的基礎(chǔ)被認為是造成海上風電成本較高的主要因素之一，選擇經(jīng)濟合理適用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及施工方法是海上風電場研究開發(fā)的主要課題。

關(guān)鍵詞:海上風電風機基礎(chǔ)施工工藝基礎(chǔ)選型

中圖分類號:P75文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(a)-0105-02

海上風力發(fā)電機組通常由三個部分組成:塔頭、塔架、基礎(chǔ)。其中，基礎(chǔ)部占有重要的位置，其建設(shè)成本在海洋風電造價中占有較大的比重，約占整個工程成本的20%～30%，是主要的成本風險對整機安全至關(guān)重要。

1 常見基礎(chǔ)形式分析及施工工藝

1.1 重力式基礎(chǔ)

重力式基礎(chǔ)主要依靠自重使風機保持在垂直的位置，結(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用成熟，一般為鋼筋混凝土沉箱結(jié)構(gòu)，相比成本較低，但體積大而笨重。

1.1.1 重力式基礎(chǔ)施工工藝

施工前進行疏浚作業(yè)，清除淤泥層，屬于孤立墩挖泥。基槽挖泥完成后，應(yīng)及時拋石，拋石一般采用10～100kg的塊石，拋石后要分層夯實，以減少其壓縮沉降。重力式基礎(chǔ)體積和重量大，應(yīng)在近海碼頭預制完成，減少陸上運輸成本。碼頭出運一般采用氣囊和卷揚機，海上運輸可以采用駁船、浮吊，或者配備氣囊，使其懸浮在水中，然后拖輪牽引至安裝地點。安放到指定的位置后在各個方向上均勻拋砂、石進行壓載回填，以免造成傾斜、開裂，然后澆筑混凝土封艙、預埋塔筒連接桿件、法蘭等。

1.1.2 重力式基礎(chǔ)適用范圍

重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝簡單，適用于天然地基較好的區(qū)域;適用水深在15m以內(nèi)，非軟地基及沖刷海床。

1.2 單樁結(jié)構(gòu)

單樁結(jié)構(gòu)是海上風電場應(yīng)用最多的一種結(jié)構(gòu)，按照樁材質(zhì)分為鋼樁和高強度預應(yīng)力混凝土管樁(PHC樁)，按結(jié)構(gòu)形式分為單立柱單樁、單立柱三樁、導管架結(jié)構(gòu)和多樁承臺等。單樁基礎(chǔ)一般安裝至海床下10～20m，深度取決于海床基類型。此種方式受海底地質(zhì)條件和水深約束較大，需要防止海流對海床的沖刷，不適合于25m以上的海域。

1.2.1 單立柱單樁

由一根直徑在3～6m之間鋼管樁及法蘭過渡連結(jié)段組成。單樁基本施工工藝為:鋼管樁及過渡段預制;鋼管樁運輸及沉設(shè);過渡段安裝及灌漿。單立柱單樁施工工藝較為簡單，但是樁徑較大，需要超大型打樁設(shè)備，加大了施工成本。

1.2.2 單立柱三樁

單立柱三樁解決可單立柱單樁樁徑過大的問題，其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式為:用3根中等直徑的鋼管樁定位于海底，3根樁呈等邊三角形均勻布設(shè)，樁頂通過鋼套管支撐上部三腳桁架結(jié)構(gòu)，三腳桁架為預制構(gòu)件，承受上部荷載，并將應(yīng)力與力矩傳遞于三根鋼樁，構(gòu)成組合式基礎(chǔ)。施工順序為:先沉放三角架然后通過導管進行3根樁的施打。導管與基樁連接在水下進行，灌注高強化學漿液或充填環(huán)氧膠泥。適用水深范圍(0～30m)，地質(zhì)條件適用范圍廣。

1.2.3 導管架基礎(chǔ)

導管架結(jié)構(gòu)可以有效解決水下連接的問題，導管架結(jié)構(gòu)可設(shè)計成三腿、四腿，也有采用三腿加中心樁、四腿加中心樁結(jié)構(gòu)，承載能力可大幅度提高，適用于水深超過30m的近海風電場情況。導管架基礎(chǔ)在施工時需要用2套樁錘，故淺水中不易用導管架基礎(chǔ)。施工工藝與單立柱三樁的工藝基本相同，該結(jié)構(gòu)消耗的鋼材量巨大造價相對過高。

1.2.4 多樁承臺

多樁承臺分為高樁承臺和低樁承臺。我國東海大橋海上風電場就采用了高樁承臺結(jié)構(gòu)，目的就是為了防止航道區(qū)域內(nèi)意外碰撞而設(shè)計。樁承臺好處主要表現(xiàn)在對于施工設(shè)備配要求不高，施工工藝技術(shù)成熟，適合15km以內(nèi)近岸海域施工。

1.3 吸力式基礎(chǔ)

吸力式基礎(chǔ)利用了負壓沉貫原理，屬于開口形的短粗鋼性樁，呈圓桶狀，每個桶由一個中心立柱與鋼制圓桶通過帶有加強筋的剪切板相連，剪切板將中心立柱載荷分配到桶壁并傳入基礎(chǔ)。桶式基礎(chǔ)設(shè)計需要考慮的因素較多，設(shè)計難度較大，故設(shè)計結(jié)果也不唯一，隨著設(shè)計條件的變化而變化，因此投資變動較大。桶型基礎(chǔ)必須保持負壓，因此不適用于沖刷海床、巖性海床、可壓縮的淤泥質(zhì)海床和灘涂地，適用水深為0～25m，由于適用范圍受限制風險較大。

1.4 浮式基礎(chǔ)

常見的懸浮式基礎(chǔ)有:柱形浮筒、TLP和三浮筒。浮式結(jié)構(gòu)作為安裝風力機組的基礎(chǔ)平臺，用錨泊系統(tǒng)定于海床，這種浮式風力機平臺在建設(shè)和安裝步驟上有比較大的彈性，容易移動、運輸和拆卸，故相對施工和轉(zhuǎn)移成本較低。浮式結(jié)構(gòu)主要用于50m以上水深，風力資源更為豐富的深海海域(50～200m)。近海淺水海域風能資源不足的國家，如美國和日本使用較多。

2 我國海域內(nèi)風電基礎(chǔ)的選型和適用性分析

由于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所占的比重較大，選擇適合我國國情的海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，對減少基礎(chǔ)及施工成本是至關(guān)重要的。

2.1 水深的影響

水深不僅直接影響基礎(chǔ)的尺寸和重量，而且影響波浪荷載，進而影響基礎(chǔ)的類型。隨著水深的增加傾覆的可能性也相應(yīng)增加，施工作業(yè)也更加困難。水深大于10m的風電場就不宜采用混凝土重力式基礎(chǔ)。隨著水深的增加基礎(chǔ)選擇順序一般為:重力式-單樁-多樁-浮力式。

2.2 海底土壤和海床的影響

我國海域面積大，海域情況復雜。渤海遼東灣北部淺海區(qū)水深多小于10m，海底表層為淤泥、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉砂、粉土和粉砂層，承載力小，易液化，不宜作持力層;底部沉積物以細砂為主，承載力相對較大，可作持力層。黃海海域為黃河泥沙沖淤，大部分海域為淤泥質(zhì)軟基海底，沖刷現(xiàn)象較為嚴重，冬季有冰荷載的作用，重力式基礎(chǔ)和吸力式基礎(chǔ)不適用，可采用單樁結(jié)構(gòu)。東海平均水深在5～15m，海域多為淤泥質(zhì)軟基海底，不適宜采用重力式基礎(chǔ)和吸力式基礎(chǔ)，宜采用樁基結(jié)構(gòu)。

南海北部灣和瓊州海峽的海底表層沉積物主要為顆粒較細的陸源碎屑堆積物。瓊州海峽侵蝕洼地的邊緣和潮流沙脊下部發(fā)育有大中型沙波，海底穩(wěn)定性差，沙波活動伴隨著海底強烈沖刷、淤積及泥沙群體運動。因此，用重力式基礎(chǔ)和吸附式基礎(chǔ)不適用，樁基礎(chǔ)是較好的選擇。南海的水深較大，且海洋環(huán)境條件惡劣，應(yīng)采用剛度較大的導管架結(jié)構(gòu)。

綜合分析可以看出以樁基結(jié)構(gòu)最為適合我國海上風力發(fā)電機組的基礎(chǔ)類型，其中單樁結(jié)構(gòu)對于渤海和東海的水深和地質(zhì)條件是較為合理的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式。

2.3 環(huán)境載荷的影響

在基礎(chǔ)選型時，還應(yīng)該綜合地考慮風機的風載、波浪高度和周期、破碎波條件、海流速度、冰載和海洋生物附著生長對基礎(chǔ)選型的影響。當海流流速過大而可能引起海床的沖刷時，就不宜使用單樁式基礎(chǔ)。（如表1）

3 結(jié)論

由于海上風電場的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型多，施工條件復雜，為了選擇經(jīng)濟合理的基礎(chǔ)類型，需要在設(shè)計前和中做大量詳細的調(diào)查研究。(1)做好前期地質(zhì)勘測工作，為基礎(chǔ)選型把好脈。(2)由于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和風機之問的關(guān)系比較緊密，要注意基礎(chǔ)形式與風機適用類型的結(jié)合，一旦確定了風機類型，那么風機基礎(chǔ)也會基本確定的。(3)在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的過程中需要結(jié)合海底地質(zhì)和海洋環(huán)境條件進行各種型式基礎(chǔ)方案的比選和優(yōu)選，選出合理結(jié)構(gòu)型式。(4)不同類型的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同的施工工藝，在滿足各項物理條件的情況下，應(yīng)該充分考慮風機基礎(chǔ)在施工階段的制作費用、安裝費用和維護費用，選擇在建造期和運營期中壽命周期成本最經(jīng)濟的風機基礎(chǔ)。只有綜合考慮以上各方面的因素才能很好的確定適合我國海上發(fā)電機組的基礎(chǔ)設(shè)計問題。

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