海上風電基礎特點及中國海域的適用性分析

文 | 上海勘測設計研究院有限公司 黃俊

概況

海上風電作為可再生能源發展的關鍵方向，我國將其劃入戰略性新興產業的重要組成部分。我國第一座海上風電場? 上海東海大橋海上風電場從2010年實現并網發電至今，已經安全運行10年。10年間，風電機組單機容量逐漸增加（從3MW到10MW），建設場址從灘涂到近海，已經開始走向深遠海。中國海上風電的大規模開發建設帶動了相關產業鏈發展，反之，產業鏈的發展又推動著風電技術的不斷創新和升級。

中國海域特點

雖然我國擁有的海上風能資源豐富，但是臺風、海冰、地震、軟土地質、基巖等，也給設計和建設帶來巨大難度。可以說，中國海上風電的建設條件最復雜，最具有挑戰性。

一、風能資源

我國沿海地區大部分近海海域90m高度的年平均風速在7～8.5m/s之間，適合大規模開發建設海上風電場。特別是臺灣海峽，年平均風速基本在7.5～10m/s之間，局部區域的年平均風速可達10m/s以上。然而，我國的福建、廣東、臺灣地區每年都要經歷多場臺風，陣風風速可超70m/s，高風速必然對風電機組、基礎提出高要求。

二、海洋水文

我國北方海域冬天海面結冰，這除了對結構的材料性能提出更高要求外，海冰長期作用在結構上，還會引起冰激振動，從而降低結構的安全使用壽命。通常，安裝于該海域的設施需要設置專用的抗冰措施（圖1）。

我國南方海域受臺風影響，常伴隨著大風大浪，部分海域的最大波高超過20m，不僅極大影響海洋結構物的安全性，同時也影響海上運維工作。

三、工程地質

我國沿海地區地質主要以軟土地基為主（以江蘇和上海地區為代表）。雖然在該地質條件下建設海上風電項目時，海上施工難度低，但表層土承載能力較差，導致基礎結構工程量增加。另外，隨著近年福建和廣東海上風電的大力開發，業界認識到，該區域除了風能資源好外，也存在臺風和大區域的淺覆蓋層地質（以福建興化灣、福建莆田、廣東南澳和陽江等海域為代表）。淺覆蓋層地質意味著基礎樁基需要嵌巖施工（圖2），或是必須采用新型的淺基礎型式。

綜上所述，中國海域的海上風電建設條件遠比歐洲復雜。針對中國海上風電場的建設特點，選擇合理的基礎型式十分重要。

基礎特點與運用

基礎是海上風電最關鍵結構之一，合理的基礎型式不僅能提升項目收益率，促進施工高效性，同時也能保證項目的安全性和可靠性。當然，基礎選型除與建設場址的海域特點密切相關，還應考慮船機設備、單位建造能力。

一、基礎型式

基礎型式按照受力特點主要分為樁基礎、淺基礎和柔性基礎，主要類型見表1。

在明確風電場的水深和地質條件等基本情況后，便可對風電機組基礎進行初步選型，見表2。

二、基礎特點與運用

1. 高樁承臺基礎

該基礎由基樁和混凝土承臺組成，剛度較大，抗水平荷載性能較好，適用于中等水深且對海床地質條件要求不高的條件。其采用傳統的港口工程施工設備和施工工藝、施工難度較小，大多數海上施工單位都有能力施工。

我國第一座海上風電場? 上海東海大橋海上風電場（圖3）位于東海大橋東側的東海海域，工程海域水深9.9～11.9m，以軟土地基為主，該項目總裝機容量為20.4萬千瓦，安裝3.0MW和5.0MW風電機組。基于當時的施工設備能力，該場址采用斜高樁承臺基礎。

福建興化灣樣機試驗風電場（圖4）工程海域水深約5～16m，以淺覆蓋層地質為主，基巖面埋深較淺。項目總裝機容量7.74萬千瓦，安裝7種不同廠家的機型，單機容量在5.0～6.7MW。該場址采用大直徑直高樁承臺基礎。

2. 單樁基礎

它為我國海上風電采用的最主要基礎型式之一。單樁基礎結構相對簡單，主要采用大型沉樁設備將一根鋼管樁打入海床。在鋼管樁上設置靠船設施、鋼爬梯及平臺等，鋼管樁頂部通過灌漿或直接通過法蘭連接頂部塔筒。單樁基礎一般采用單根直徑4.5～9.0m鋼管樁定位于海底，承受波流荷載及風電機組荷載。為防止樁周沖刷，沿單樁一定范圍內進行防沖刷處理。

三峽新能源大連市莊河III海上風電場（圖5）是我國已建的最北海上風電場，平均水深約20m，以軟土地基為主，局部機位有基巖和溶洞存在。該項目總裝機容量為30萬千瓦，安裝3.3MW和6.45MW風電機組，該場址主要以單樁基礎為主，由于受海冰影響，基礎安裝抗冰錐結構。

表1 風電機組基礎的主要類型

表2 風電機組基礎選型建議表

3. 多腳架式基礎

多腳架結構根據樁數不同可設計成三腳（圖6）、四腳等基礎，多根樁通過剛架與中心立柱連接，風電機組塔架連接到立柱上形成一個結構整體，多腳架結構的剛度大于單樁結構，可以通過調整三腳架來保證中心立柱的垂直度。

龍源電力集團在如東潮間帶建設的示范風電場，潮間帶漲潮時平均水深只有1.5m，風電場共安裝了9個國內風電機組生產廠家的16臺海上試驗機組，單機容量為1.5～3.0MW，總容量3.2萬千瓦。該場址以軟土地基為主。

4. 導管架基礎

該基礎借鑒了海洋石油平臺的概念，其上部采用桁架式結構，當水深到一定深度后，其剛度較高的特點就能從經濟性上反映出來。但導管架結構交叉節點較多，結構建造復雜，結構疲勞敏感性高。

三峽新能源陽西沙扒一期30萬千瓦海上風電場（圖7），場區水深在27～32m之間，共安裝55臺單機容量5.5MW的風電機組，該場址表層土為軟土地基，埋深一定深度后存在基巖。該場址采用了部分導管架基礎。

5. 負壓（吸力）筒基礎

該基礎適用于海床為砂性土或軟粘土的淺海域，靠負壓進行安裝，靠自重及筒側阻力使基礎穩定。基礎底部為吸力筒結構，負壓筒沉放于海床面后進行抽水和抽氣，其對負壓筒沉放就位、調平、密封、糾偏等技術要求較高。

三峽新能源響水20萬千瓦海上風電項目（圖8），場區水深8～12m。共安裝37臺單機容量為4MW風電機組和18臺單機容量為3MW風電機組。該場址以軟土地基為主，并在風電場內運用了兩臺吸力筒試驗基礎。

6. 重力式基礎

重力式基礎主要依靠自重來抵抗風荷載和波浪荷載產生的作用力，維持穩定，重力式基礎對表層土地基承載力要求較高。該結構可靠，在合適水深條件下，經濟性較好。重力式風電機組基礎施工所需的設備類似于重力式碼頭中的沉箱碼頭，國內有許多企業有著豐富的沉箱式碼頭施工經驗，不存在相關的技術障礙。目前國內海上風電場還沒有建設完成的重力式基礎，但是相關的研究和試驗都在開展。

7. 漂浮式基礎

漂浮式基礎屬于柔性支撐結構（圖9），主要包括錨索、錨定地點、浮箱或壓載箱。漂浮式基礎和錨泊系統的設計在滿足性能穩定的同時，必須兼顧整個系統的設計成本。就經濟性而言，半潛式基礎是利用載重水線面面積通過分布浮力來獲得復原力矩，結構簡單，而且生產工藝成熟，單位吃水成本較低，經濟性較好；張力腿基礎看似結構簡單，成本較低，但是由于結構產生遠大于結構自重的浮力，浮力抵消自重后的剩余浮力與預張力平衡，預張力作用在錨泊系統上，使錨索時刻處于張拉的繃緊狀態，將會造成錨泊系統和錨固基礎形式設計的復雜性。

國內漂浮式基礎大都處于研發階段，目前中國三峽上海勘測設計研究院有限公司正在開展漂浮式基礎的施工圖設計，有望2021年實現我國第一臺漂浮式樣機下海。

小結

海上風電平價時代的即將到來，必將對基礎優化設計提出越來越高的要求。基礎優化除了基于合理的基礎選型外，設計的方法和規范支撐也是關鍵因素。相信，隨著多年來我國在海上風電建設中積累的大量現場資料和經驗，必能有效地支撐基礎設計，將我國的海上風電建設得更好。