漂浮式海上風(fēng)電場TLP錨固基礎(chǔ)應(yīng)用研究綜述

上海綠色環(huán)保能源有限公司 ■ 張智偉

中交上海三航科學(xué)研究院有限公司 ■ 王菁*

中交第三航務(wù)工程局有限公司 ■ 伍紹博

0 引言

近年來，隨著能源需求量的日益增大，以及海洋淺水區(qū)石油和天然氣儲量消耗殆盡，人們對海洋的開發(fā)利用已經(jīng)從近海大陸架發(fā)展到深海水域(部分水域水深超過1000 m)。風(fēng)能作為一種清潔、可再生能源，在廣闊的深海具有巨大的開發(fā)潛能。但由于傳統(tǒng)的固定式平臺基礎(chǔ)是基于變形和穩(wěn)定性條件進行設(shè)計的，其自重與工程造價往往隨海水深度的增加而大幅增長，所以不適用于深水環(huán)境。因此，通過借鑒海洋油氣平臺技術(shù)，采用漂浮式結(jié)構(gòu)作為風(fēng)電機組、塔筒的承載平臺，在深海水域建設(shè)風(fēng)電場已成為各國爭相建設(shè)和研究的新方向。

漂浮式海上風(fēng)電場是采用漂浮式錨固基礎(chǔ)及錨泊系統(tǒng)將風(fēng)電機組安置于深海水域。相比于固定式風(fēng)電機組，漂浮式風(fēng)電機組的制造、安裝成本更低，并且能適應(yīng)更深的水深環(huán)境，在深遠海域具有更加廣闊的市場前景。張力腿式(TLP)平臺是近年來迅速發(fā)展的一種新型深水系泊的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，無論是在施工技術(shù)還是裝備上，都已經(jīng)在國外漂浮式海上風(fēng)電場的建設(shè)中取得了良好的示范效果。

1 漂浮式海上風(fēng)電場TLP平臺結(jié)構(gòu)形式

目前，漂浮式海上風(fēng)電場存在3種平臺結(jié)構(gòu)形式：半潛式平臺、立柱式平臺及張力腿式(TLP)平臺[1]。其中，TLP平臺經(jīng)過幾十年的應(yīng)用實踐，已被證明具有良好的運動性能，也是適宜深海水域油氣生產(chǎn)的平臺形式。

漂浮式海上風(fēng)電場TLP平臺的概念最初來源于深海TLP采油平臺。1984年，Conoco公司在北海157 m水深的Hutton油田成功安裝了世界上第一座實用型TLP平臺[2]；隨后，TLP平臺逐漸成為各石油公司在深海油氣田開發(fā)中采用的主流開采裝置之一。現(xiàn)階段TLP平臺已發(fā)展出3種結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

第1代為傳統(tǒng)式TLP平臺，如圖1a所示，一般由平臺上體、立柱、下體和錨泊系統(tǒng)等部分組成。該類平臺是當(dāng)今世界上數(shù)量最多的TLP平臺，幾乎占世界TLP平臺總數(shù)的一半。

第2代為迷你式TLP平臺，如圖1b所示。其通過對上部結(jié)構(gòu)體系進行改進和優(yōu)化，使平臺體積更小，造價更低，有較好的靈活性。

第3代為延伸式TLP平臺，也稱為新型四柱平臺，如圖1c所示。該類TLP平臺對傳統(tǒng)張力腿結(jié)構(gòu)的改進主要集中在平臺的主體，為保證該結(jié)構(gòu)能更好的承受上部荷載，縮小了支撐上部平臺的立柱間距[3-6]。

圖1 TLP平臺3種結(jié)構(gòu)形式

表1 國外漂浮式海上風(fēng)電場TLP基礎(chǔ)工程案例

漂浮式海上風(fēng)電場采用的TLP結(jié)構(gòu)形式具有重量輕、可在陸上進行風(fēng)電機組組裝、穩(wěn)性佳、無主動壓載設(shè)備這4個優(yōu)點。2007年，國外首個TLP平臺漂浮式風(fēng)電機組樣機制造并試運行，目前比較成熟的漂浮式海上風(fēng)電場TLP項目如表1所示，各風(fēng)電場風(fēng)電機組的TLP結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

以Blue H項目為例，其是世界上首座漂浮式海上風(fēng)電項目，也是首座采用TLP結(jié)構(gòu)形式的漂浮式海上風(fēng)電項目。該項目于2009年在意大利海岸建成，采用了2葉片風(fēng)電機組，上部結(jié)構(gòu)由6個側(cè)立柱和中央的1個風(fēng)電機組塔承臺構(gòu)成，基礎(chǔ)形式采用660 t的混凝土重力式基礎(chǔ)[1]。

2 TLP錨固基礎(chǔ)形式

TLP錨泊系統(tǒng)主要包括筋腱和錨固基礎(chǔ)兩部分，當(dāng)平臺側(cè)向的剛度不滿足要求時，還需考慮再設(shè)置輔助的錨泊系統(tǒng)[7]。TLP結(jié)構(gòu)主要是依靠錨固基礎(chǔ)來抵抗結(jié)構(gòu)受到的較大的豎向荷載，其錨固結(jié)構(gòu)形式常見的包括樁基、重力式基礎(chǔ)和吸力錨基礎(chǔ)3種形式。由于TLP結(jié)構(gòu)的預(yù)張力加上重力等于其受到的浮力，該預(yù)張力最終作用于錨泊系統(tǒng)上，使得錨索始終保持在張拉受力的繃緊狀態(tài)，因此，在錨泊系統(tǒng)中，錨固基礎(chǔ)的設(shè)計選型尤為重要[4-7]。目前，漂浮式風(fēng)電機組的TLP錨固基礎(chǔ)設(shè)計基本參照深海石油平臺的經(jīng)驗設(shè)計方法。國外已運營的TLP錨泊系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)如表2所示[3-13]。

圖2 風(fēng)電機組TLP結(jié)構(gòu)形式圖

表2 深海石油TLP錨泊系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

2.1 樁基形式

樁基是目前使用的TLP平臺中最為普遍的一種基礎(chǔ)形式，現(xiàn)階段世界范圍內(nèi)有88%(21座)的深海石油TLP平臺采用了樁基[3,13-15]。水下樁基的構(gòu)造相對簡單，可以安裝在海床下0～25 m的深度，且安裝深度主要取決于海床的類型；樁基直徑多為2～4.5 m，壁厚約為直徑的1/100。

對于樁基而言，張力腿可通過基盤與樁基連接，也可與樁基直接連接。目前大多數(shù)TLP平臺樁基采用張力腿直接與樁基連接的方式。以位于美國墨西哥灣海域的Magnolia TLP項目為例，該項目中TLP平臺的工作水深為1425 m，采用4柱新型TLP結(jié)構(gòu)形式，平臺每個角上均有2根張力腿；樁基直徑為2.44 m，長為103 m，樁重為433 t[14]；張力腿在底部與樁基直接相連。

張力腿通過基盤與樁基連接時，基盤又分為整體式和獨立式2種形式。Jolliet TLP平臺采用整體式基盤，如圖3所示。該平臺基礎(chǔ)由一個矩形基盤和樁基組成，其中基盤每個角上有4根樁基，共16根。Jolliet TLP平臺有延伸至基座外的水平放置的鋼架，其上開孔用來插入筋腱，套筒用來安裝樁基，如此基盤便能與筋腱在上部相連，并與樁基在下部連接[3]。

圖3 Jolliet TLP平臺整體式基盤

Auger TLP平臺則采用獨立式基盤，如圖4所示。該平臺的4個獨立樁基礎(chǔ)均布在4個角上，各基座均用樁基來定位，這些樁均打入海床底部的地基土中，且各樁和基座在樁頂相連接。平臺和基礎(chǔ)通過筋腱和角柱組成的張力腿連接為一個整體，且每個張力腿和基礎(chǔ)的各基座連接[3,13]。

圖4 Auger TLP平臺獨立式基盤

2.2 重力式基礎(chǔ)形式

重力式基礎(chǔ)是依靠自身重力來抵御外界荷載[4]。2009年，荷蘭Blue H Technologies公司在意大利海岸建設(shè)的漂浮式海上風(fēng)電項目便采用了混凝土重力式基礎(chǔ)作為TLP錨固基礎(chǔ)。2012年，德國Gicon公司進行了1:25的基于重力盤的重力式基礎(chǔ)TLP物理模型試驗，試驗結(jié)果表明，采用重力盤重力式基礎(chǔ)錨固方式作為TLP基礎(chǔ)形式，在一定條件下具有良好的應(yīng)用前景。

由于重力式基礎(chǔ)在深海水域適用性受到限制，現(xiàn)有的采用重力式基礎(chǔ)的TLP平臺并不多見。Hutton TLP平臺是世界上第一座實用化TLP平臺，采用的正是4個相互獨立的重力式基礎(chǔ)，如圖5所示。Hutton TLP平臺的工作水深為147 m，所處海底地質(zhì)為中等強度粘土；其共設(shè)計使用了4個浮筒和6根立柱，張力腿采用4根鋼管和4根角柱的結(jié)構(gòu)形式；其通過張力腿和甲板錨固在一起，使自身維持在張拉狀態(tài)[2,3]。

圖5 Hutton TLP平臺結(jié)構(gòu)圖

2.3 吸力錨基礎(chǔ)形式

在TLP基礎(chǔ)中，吸力錨基礎(chǔ)也被認為是重力式基礎(chǔ)的一種，通常被稱為裙式重力基礎(chǔ)[7,16]。吸力錨通常是底部敞開、頂部封閉的鋼制圓桶結(jié)構(gòu)，也有采用混凝土制成的，其通過筋腱與上部結(jié)構(gòu)相連。吸力錨基礎(chǔ)入土深度相對較淺，其高徑比較小，通常為1.5～6，安裝時依靠自重和結(jié)構(gòu)內(nèi)外的壓力差將其沉入土中。

Snorre A TLP平臺和Heidrun TLP平臺采用的都是吸力錨基礎(chǔ)，二者的結(jié)構(gòu)形式分別如圖6和圖7所示。Snorre A TLP平臺采用新型的吸力錨基礎(chǔ)作為錨固基礎(chǔ)[7]，其位于當(dāng)時北海開發(fā)最深的海域(工作水深為335 m)，所處海底上層土質(zhì)為軟粘土，存在一定的孔穴和塌陷性土層；在海底約60 m深度還有含礫石的冰磧，整體土質(zhì)不穩(wěn)定。在這種地質(zhì)條件下，Sage油氣公司結(jié)合實驗及檢測結(jié)果認為，Snorre A TLP平臺的混凝土基座比較適合軟粘土海底地基。這種裙式重力基礎(chǔ)允許一定位移的產(chǎn)生，可重復(fù)使用，并以經(jīng)濟性和安全性的優(yōu)勢在軟土地基中逐漸取代了樁基礎(chǔ)[3,18,19]。隨后，Heidrun TLP平臺也采用了類似的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式。

圖6 Snorre A TLP平臺結(jié)構(gòu)形式圖

圖7 Heidrun TLP平臺結(jié)構(gòu)形式圖

3 TLP錨固基礎(chǔ)應(yīng)用研究趨勢

圖8為采用不同TLP錨固形式的漂浮式海上風(fēng)電場在不同地質(zhì)條件下的應(yīng)用情況[1]。由于吸力錨基礎(chǔ)難以貫入到較硬或密實的土層中，所以在這種地質(zhì)條件下，傳統(tǒng)的重力式基礎(chǔ)和樁基應(yīng)用較多，而吸力錨基礎(chǔ)則多應(yīng)用于軟粘土中。

圖8 漂浮式海上風(fēng)電場TLP錨固基礎(chǔ)應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 樁基應(yīng)用研究

目前樁基設(shè)計技術(shù)已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)外都有關(guān)于樁基設(shè)計的相應(yīng)規(guī)范，在深水油氣平臺中應(yīng)用也較為廣泛。樁基作為最常見的水工基礎(chǔ)形式，在國內(nèi)擁有豐富的施工經(jīng)驗。海上風(fēng)電機組TLP錨固基礎(chǔ)的樁基一般以鋼管樁為主，鋼管樁制作工藝成熟、工序簡單，重量較輕、便于運輸，并能承受較高的疲勞強度，且鋼結(jié)構(gòu)在海水中耐腐蝕性也較強[20]。

深海平臺的樁基設(shè)計方法與淺海中的基本相同。海上樁基施工周期長，需臨時建立施工平臺，影響施工的因素也較多，例如攪拌船和淡水運輸?shù)取ＭǔＧ闆r下，隨著水深的不斷增加，打樁難度也不斷加大，施工造價也相應(yīng)增加，而深海中樁基的承載力因受安裝方式的影響會大打折扣，這是樁基在深海水域應(yīng)用中亟需解決的主要問題之一[5]。

不同于深海石油平臺，海上風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)的柔度大，自振周期長，所以樁基的剛度計算必須考慮循環(huán)荷載作用下剛度的折減效應(yīng)。同時，海上風(fēng)電機組通常選用大直徑樁，而大直徑樁在設(shè)計時務(wù)必要考慮其側(cè)向剛度。當(dāng)采用預(yù)制樁或灌注樁型時，還應(yīng)對樁基進行裂縫驗算[20,21]。

不論基礎(chǔ)采用何種結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計時要解決的主要問題都是基礎(chǔ)和土的相互作用，尤其對于深入到持力層的樁基，兩者之間的相互作用更加強烈[3]。由于樁基受到的荷載較大，樁基的尺寸也需要設(shè)計的很大才能滿足要求，特別是在深厚淤泥質(zhì)土層、土質(zhì)情況不穩(wěn)定，或存在一定塌陷性狀土層等地質(zhì)條件下，樁基的施工難度和造價會大幅增加。因此，這也是樁基設(shè)計中另一個值得重視的問題。

3.2 重力式基礎(chǔ)應(yīng)用研究

重力式基礎(chǔ)通常為基礎(chǔ)埋深為3～5 m的淺基礎(chǔ)，主要采用混凝土材料。其最大特點是材料成本相對較低，尺寸和規(guī)模通常較大，能靠自重抵御外界荷載；適合的地基條件為密實砂土或較硬粘土，且較多見于100～200 m水深處的海域[5]。

一般情況下，重力式基礎(chǔ)可直接放置于海底。重力式基礎(chǔ)與碼頭工程中沉箱形式類似，施工工藝大同小異，通常在陸地上預(yù)制好后，再運至相應(yīng)位置進行安裝，施工船舶和設(shè)備在國內(nèi)比較齊全。

在現(xiàn)階段的深海石油平臺中，重力式基礎(chǔ)在不設(shè)樁基的條件下，可依靠自身重量承擔(dān)上部平臺的抗拔力，并維持體系穩(wěn)定，體現(xiàn)了其較好的穩(wěn)定性和高效性。

由于海上風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)屬于高聳結(jié)構(gòu)，其對基礎(chǔ)的差異沉降和承載力要求較高[20]。為保持基礎(chǔ)在上部荷載作用下不產(chǎn)生傾斜和滑移，可采用增大基礎(chǔ)底面尺寸或增加基礎(chǔ)埋深的方式，但施工難度和成本會隨之大幅增加。因此，在很厚的淤泥層、沖刷海床及液化土層等地質(zhì)條件下，傳統(tǒng)的重力式基礎(chǔ)很難解決滑移和傾斜等問題。對漂浮式海上風(fēng)電機組來說，基礎(chǔ)一旦發(fā)生不均勻沉降，會直接影響各張力腿的受力狀態(tài)，進而影響TLP平臺的整體安全穩(wěn)定性，這是重力式基礎(chǔ)在漂浮式海上風(fēng)電場TLP設(shè)計中需解決的關(guān)鍵問題。

3.3 吸力錨基礎(chǔ)應(yīng)用研究

目前，吸力錨已被成功地應(yīng)用于多種海洋工程結(jié)構(gòu)中，如海上石油平臺、海底保護結(jié)構(gòu)、軍艦海上系泊和補給等。吸力錨特別適合于軟粘土海底地基，其在經(jīng)濟技術(shù)性能上具有幾個顯著特點：材料和制造成本低、不需要打樁設(shè)備、海上施工工期短、抗拔性能卓越、就位準確等。

可沉入性和承載性能是設(shè)計使用吸力錨時需要解決的主要問題，其中，確定吸力錨能否達到預(yù)定的設(shè)計深度是首要問題。在TLP錨泊系統(tǒng)承載力設(shè)計中，由于荷載角度與水平向夾角較大，吸力錨的承載力計算一般以豎向抗拔承載力作為控制標準[5,9]。

近年來許多國外研究機構(gòu)對吸力錨貫入過程進行了研究，研究方法包括室內(nèi)模型試驗、離心模型試驗、大比尺模型試驗等，分析了砂土、粘土及粉土等不同土質(zhì)下吸力錨貫入特性，并針對抽吸速度、內(nèi)部吸力的變化、最終貫入深度、沉貫速率、垂直度和錨內(nèi)土體穩(wěn)定性等關(guān)鍵問題進行了專門研究，獲得了很多具有實用價值的經(jīng)驗，促進了吸力錨的更好施工。然而，國內(nèi)吸力錨的工程實踐較少，關(guān)于此方面的研究也剛起步。由于國內(nèi)的地質(zhì)條件與國外存在較大差異，不能完全套用國外經(jīng)驗，漂浮式海上風(fēng)電場的發(fā)展亟需在此方面加強理論與試驗研究[21]。

對漂浮式海上風(fēng)電場基礎(chǔ)而言，在長期動力循環(huán)荷載作用下，基礎(chǔ)的抗拔承載力及結(jié)構(gòu)的疲勞損傷問題顯得尤為重要[12,14]。因此，考慮采用吸力錨作為漂浮式海上風(fēng)電場錨固基礎(chǔ)時，需要對其在風(fēng)電場荷載作用下的工作機理、承載力及對地質(zhì)條件的適應(yīng)性開展系統(tǒng)研究，為我國漂浮式海上風(fēng)電場的發(fā)展做好技術(shù)儲備。

4 結(jié)語

目前，美國、歐洲、日本已走在漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展的技術(shù)前沿，提出了大量的概念方案，進行了各種物理模型試驗和數(shù)值計算分析，并建設(shè)了樣機；同時，一系列與漂浮式海上風(fēng)電機組相關(guān)的設(shè)計、施工規(guī)范(ABS、DNV)也已陸續(xù)出版。未來，漂浮式海上風(fēng)電機組的大規(guī)模應(yīng)用指日可待，相關(guān)的深遠海風(fēng)資源開發(fā)也將進入新的時代。

現(xiàn)階段在國內(nèi)，TLP只在深海石油平臺上應(yīng)用過，而漂浮式海上風(fēng)電的荷載條件、水深與深海石油平臺有較大差別。漂浮式海上風(fēng)電基礎(chǔ)的破壞模式、承載力計算方法、施工工藝等尚未得到系統(tǒng)的研究。TLP平臺能否處于正常工作狀態(tài)，首先取決于其水下錨固基礎(chǔ)是否穩(wěn)定，因此有必要深入了解各種形式的TLP基礎(chǔ)，研究適用于我國海上風(fēng)電的荷載工況、海洋地質(zhì)條件及工作水深的TLP錨固基礎(chǔ)形式，將對我國開發(fā)適用于深遠海域的漂浮式海上風(fēng)電場具有重要實用價值。

在3種TLP錨固基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式中，與樁基和傳統(tǒng)的重力式基礎(chǔ)相比，吸力錨基礎(chǔ)特別適合于軟粘土海底地基，能夠適應(yīng)我國沿海的地質(zhì)條件。吸力錨高徑比較小，抗拔承載力設(shè)計存在較大的優(yōu)化空間；在施工方面，吸力錨又是一種“自安裝”基礎(chǔ)，無需大型施工設(shè)備，可直接降低施工成本。因此，吸力錨基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有較好的經(jīng)濟性和適用性，在我國漂浮式海上風(fēng)電場的建設(shè)中具有良好的應(yīng)用前景。