廣東海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式分析與探討

劉偉 三峽珠江發(fā)電有限公司

海上風(fēng)電作為新能源新起之秀，被列為電力企業(yè)“碳達(dá)峰”和“碳中和”行動方案中，不再受電價政策、技術(shù)等影響，繼續(xù)呈規(guī)模增長。海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)技術(shù)作為海上風(fēng)電場建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)，影響著海上風(fēng)電開發(fā)速度，特別是深遠(yuǎn)海的開發(fā)，受到眾多投資者和研究者重視。海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)投資比重大（約20～30%）、技術(shù)不成熟、所處海洋環(huán)境復(fù)雜、安全等不可控因素較多，采用有效的基礎(chǔ)型式也是眾多投資者、設(shè)計者關(guān)注的重點。在這種情況下，探討基礎(chǔ)型式、總結(jié)經(jīng)驗，以滿足海上風(fēng)電快速發(fā)展下的基礎(chǔ)選型要求非常重要。

1.基礎(chǔ)型式

海上風(fēng)電基礎(chǔ)按照是否嵌巖分為嵌巖和非嵌巖基礎(chǔ)，按照結(jié)構(gòu)形式劃分有重力式基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、高樁承臺基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、漂浮式基礎(chǔ)（尚處于研究和應(yīng)用示范階段）、筒（桶）型基礎(chǔ)等。廣東海上風(fēng)電現(xiàn)階段主要采用單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、高樁承臺基礎(chǔ)和筒（桶）型基礎(chǔ)。

1.1 單樁基礎(chǔ)

單樁基礎(chǔ)是采用單樁嵌入海床形成的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的一種基礎(chǔ)，即將一根鋼管樁（一般直徑4～9m）采用大型沉樁設(shè)備打入海床，承受各種荷載的基礎(chǔ)。按照是否嵌巖分為非嵌巖單樁和嵌巖單樁；按照樁徑大小劃分為普通單樁和大直徑單樁。目前國外已建成的Horns Rev、Utgrunden、Scroby Sands等海上風(fēng)電場和國內(nèi)廣東、江蘇等風(fēng)電場均廣泛采用該基礎(chǔ)型式，隨著施工工藝的進(jìn)步，單樁基礎(chǔ)出現(xiàn)了無過渡段型式，并逐步向大直徑、大水深發(fā)展。

1.2 導(dǎo)管架基礎(chǔ)

導(dǎo)管架基礎(chǔ)是鋼管樁通過導(dǎo)管架固定于海底的結(jié)構(gòu)物，即鋼管樁（一般三根及以上）打入海底，導(dǎo)管架與鋼管樁之間連接形成整體后承受荷載的基礎(chǔ)型式。按照是否嵌巖分為非嵌巖導(dǎo)管架和嵌巖導(dǎo)管架（嵌巖按照工藝不同分為芯柱、植入等）；按照管樁多少分為三樁導(dǎo)管架、四樁導(dǎo)管架等；按照管樁直徑大小分為普通導(dǎo)管架和大直徑導(dǎo)管架。導(dǎo)管架基礎(chǔ)是目前歐洲海上風(fēng)電場用得較多的一種基礎(chǔ)型式，也是廣東區(qū)域在單樁不適用的情況下應(yīng)用最廣的一種基礎(chǔ)型式。

1.3 筒（桶）型基礎(chǔ)

筒（桶）型基礎(chǔ)通過在筒腔內(nèi)產(chǎn)生一個比周圍小的壓強(qiáng)而自主插入海底，靠自重及筒側(cè)阻力使基礎(chǔ)穩(wěn)定或者在筒腔內(nèi)形成負(fù)壓來增強(qiáng)抵抗外載荷的能力的基礎(chǔ)，常見有單柱復(fù)合筒基礎(chǔ)、吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)等。已有應(yīng)用案列（丹麥Frederikshavn、國內(nèi)測風(fēng)塔等），并在海上風(fēng)電逐步推廣，未來將成為海上風(fēng)電基礎(chǔ)研究關(guān)鍵技術(shù)之一。

1.4 高樁承臺基礎(chǔ)

高樁承臺基礎(chǔ)是指由若干根樁和位于地面以上(或沖刷線以上)的承臺所組成的樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，該基礎(chǔ)剛度較大，抗水平荷載性能較好。高樁混凝土承臺基礎(chǔ)施工方法比較成熟，國內(nèi)東海大橋100MW海上風(fēng)電示范工程、東海大橋二期海上風(fēng)電場工程、臨港海上風(fēng)電項目等多個項目均有成熟的設(shè)計、施工與運行經(jīng)驗。

2.基礎(chǔ)型式對比分析

廣東海域目前已建和在建項目基礎(chǔ)型式有單樁基礎(chǔ)（基本為非嵌巖單樁）、導(dǎo)管架基礎(chǔ)（含嵌巖和非嵌，非嵌巖為主）、筒（桶）型基礎(chǔ)、高樁承臺基礎(chǔ)，各種基礎(chǔ)型式特點詳見表1。

表1 基礎(chǔ)型式對比分析表

3.基礎(chǔ)型式應(yīng)用分析

基于2021年搶裝潮，截止2021年4月底，已統(tǒng)計22個已建和在建廣東海域海上風(fēng)電項目，統(tǒng)計基礎(chǔ)總數(shù)215臺（不含漂浮式風(fēng)機(jī)），其中單樁784臺（基本為非嵌巖單樁）、導(dǎo)管架371臺（含嵌巖和非嵌，非嵌巖為主）、筒型37臺（含單柱筒、吸力桶）、高樁承臺23臺。

根據(jù)調(diào)研和研究結(jié)果，廣東海上風(fēng)電非嵌單樁應(yīng)用最多，主要由于非嵌巖單樁結(jié)構(gòu)簡單、施工工期和海上時間短，成本較低，超大直徑技術(shù)使其應(yīng)用進(jìn)一步加大；非巖導(dǎo)管架應(yīng)用其次，主要是非嵌巖導(dǎo)管架對地質(zhì)要求不高、應(yīng)用范圍廣，大直徑導(dǎo)管架使其應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大；筒型和高樁承臺應(yīng)用較少，主要是筒型和高樁承臺施工周期較長，價格優(yōu)勢未體現(xiàn)，導(dǎo)致不適合進(jìn)度要求較高的海上風(fēng)電，另外筒型相對高樁承臺使用較多，主要是筒型海上施工周期短。

從價格比例看，非嵌巖單樁價格與筒型價格差距不大，相對非嵌巖導(dǎo)管架和高樁承臺價格低，非嵌巖導(dǎo)管架和高樁承臺價格差距不大。上述價格為基于“搶裝潮”分析，非“搶裝潮”期，非嵌巖單樁相對非嵌巖導(dǎo)管架和筒型更具有價格優(yōu)勢，另各基礎(chǔ)型式價格還與其特點、海洋環(huán)境、技術(shù)發(fā)展等密切相關(guān)。

4.結(jié)束語

伴隨著“碳達(dá)峰”和“碳中和”，海上風(fēng)電將繼續(xù)迎來建設(shè)高峰期，但電價下調(diào)必然導(dǎo)致企業(yè)在降本增效上進(jìn)行突破，作為投資比重較大的海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)將作為研究重心，不斷研發(fā)、熟練掌握各種基礎(chǔ)型式的設(shè)計方法與技術(shù)是降低海上風(fēng)電成本重要途徑之一。本文重點對比分析了各基礎(chǔ)型式特點和應(yīng)用，非嵌巖單樁目前應(yīng)用最多、也是最主流的基礎(chǔ)形式，未來將向超大直徑發(fā)展；非嵌巖導(dǎo)管架應(yīng)用范圍最廣、隨著水深的增大更具優(yōu)勢，大直徑導(dǎo)管架使其應(yīng)用更廣，在其他基礎(chǔ)型式技術(shù)未突破前，未來可能會成為深水優(yōu)先選擇基礎(chǔ)型式；筒型基礎(chǔ)在國內(nèi)逐步開始應(yīng)用，尤在嵌巖和海上窗口期較短的海域更具優(yōu)勢，隨著技術(shù)成熟和價格優(yōu)勢將成為研究重點；高樁承臺基礎(chǔ)施工和海上周期長，價格優(yōu)勢未體現(xiàn)，未來需在深水區(qū)有突破。希望上述基礎(chǔ)型式分析與探討能為海上風(fēng)電基礎(chǔ)型式技術(shù)研究和業(yè)主基礎(chǔ)型式選擇提供一些思路或參考。