海上風電機組基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)目錄TOC\o"1-1"\h\u23164一、海上風電機組基礎(chǔ)的設(shè)計 316387二、海上風電機組基礎(chǔ)類型 49120三、基礎(chǔ)載荷分析 923139四、海上風電機組基礎(chǔ)的應(yīng)用 11一、海上風電機組基礎(chǔ)的設(shè)計１設(shè)計依據(jù)１）如圖３?１所示，基礎(chǔ)指建筑底部與地基接觸的承重構(gòu)件，其作用是把建筑上部的載荷傳給地基。因此地基必須堅固、穩(wěn)定且可靠。工程結(jié)構(gòu)物地面以下的部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件，用來將上部結(jié)構(gòu)載荷傳給地基，是房屋、橋梁、碼頭及其他構(gòu)筑物的重要組成部分。圖３?１基礎(chǔ)的基本結(jié)構(gòu)示意圖２）承受水動力、空氣動力雙重載荷作用，需要綜合考慮風及波浪載荷、支撐結(jié)構(gòu)和風電機組機頭的動力學特性以及風電機組控制系統(tǒng)的響應(yīng)等因素，依據(jù)為ＩＥＣ６１４００?３（海上風電機組的設(shè)計要求）。３）海上風電機組基礎(chǔ)載荷設(shè)計需要考慮風力機的推力和轉(zhuǎn)矩，上風向風力機偏航穩(wěn)定性，風電機組重力作用，波浪、海流的作用等。２基礎(chǔ)的選擇依據(jù)１）水深。水深增加后，傾覆的可能性增大，支撐同樣的風電機組需要更大的結(jié)構(gòu)，工作環(huán)境更加困難。２）土壤和海床條件。涉及地層學、土壤強度、巖表深度、海床遷移率（整體遷移、當?shù)貨_刷）。３）環(huán)境載荷。涉及風電機組載荷、波浪高度與周期、破碎波條件、海流速度、冰載荷、海洋生物附著生長。４）施工與安裝。裝配及海岸施工設(shè)施，可利用的安裝設(shè)備，基礎(chǔ)運輸設(shè)備（涉及基礎(chǔ)體積大小、重量），基礎(chǔ)連接，包括安裝速度要求、臨時支撐、安裝過程監(jiān)控等?；A(chǔ)的安裝涉及可利用的安裝設(shè)備，如頂起、鉆井浮船、打樁設(shè)備、放纜；當?shù)睾笄谙拗?，如海港、海岸設(shè)備，水深、潮汐限制；法律允許條件和氣候限制條件等。５）建設(shè)成本。制作成本，包括原材料成本、制作位置盡可能設(shè)在港口、運輸方式（如整體）、制造形式；安裝成本，包括監(jiān)測、港口運輸、現(xiàn)場作業(yè)時間與延誤時間（時間偏差、氣候影響）；拆除成本及風險等。３基礎(chǔ)設(shè)計要點１）風和波浪的組合載荷；２）動態(tài)載荷；３）疲勞與有限元分析；４）與機組發(fā)生固有頻率共振；５）基礎(chǔ)連接方式；６）電纜連接（Ｊ型管）；７）防腐保護措施；８）沖刷保護措施９）建設(shè)可行性；１０）成本；１１）拆除。二、海上風電機組基礎(chǔ)類型海上風電機組基礎(chǔ)類型包括重力式（Ｇｒａｖｉｔｙｂａｓｅｄ）、單樁式（Ｍｏｎｏ?ｐｉｌｅ）、三腳架（Ｔｒｉｐｏｄ，多樁式）、導(dǎo)管架式（Ｊａｃｋｅｔ）、負壓桶式（ＳｕｃｔｉｏｎＢｕｃｋｅｔ）、漂浮式（Ｆｌｏａｔｉｎｇｔｙｐｅ）等。１重力基礎(chǔ)（１）原理如圖３?２所示，主要材料為鋼或者混凝土，類似于鋼筋混凝土重力沉箱，用圓柱鋼管取代鋼筋混凝土，將其嵌入到海床的扁鋼箱里建造，依靠基礎(chǔ)的重力抵抗傾覆力矩，同時，抵抗上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的載荷。（２）特點

圖３?２重力式基礎(chǔ)示意圖基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡單、造價低，抗風暴和風浪襲擊性能好，穩(wěn)定性和可靠性好，需要壓艙物，安裝技術(shù)成熟，屬塔筒基礎(chǔ)。依靠自身重量固定風電機組，重量減輕，范圍為８０～１００ｔ。缺點是施工時需要整理海床，受海浪沖刷影響大，且僅適用于淺水海域；對于海浪沖刷比較敏感，體積和重量大，拆除困難。（３）適用范圍適合于淺水場址，如０～１０ｍ水深，海床較堅硬。（４）施工首先對海底進行預(yù)平整處理，鑿開海床表層換以一層沙礫層?；A(chǔ)就位之后，再用混凝土將其周邊固定。最后在基礎(chǔ)周邊覆蓋碎石墊層，以防止海浪沖刷。２單樁基礎(chǔ)（１）原理如圖３?３所示，鋼樁直徑為４～ｍ或５～ｍ、厚度為３０～ｍｍ，通過打圖３?３單樁基礎(chǔ)示意圖入鉆孔，需要一個過渡段固定在樁上部，并安裝在海床下１０～２０ｍ的地方，其深度由海床地面的類型決定，塔架伸到水下及海床內(nèi)。該基礎(chǔ)通過側(cè)面土壓力來抵抗風電機組載荷，利用樁與土之間的摩擦力抵抗豎向載荷。（２）特點不需要整理海床，制造相對簡單，適合０～３０ｍ中等水深，安裝簡便，結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省材料。缺點是受海底地質(zhì)條件和水深約束較大，對沖刷、振動和垂直度較為敏感。需要專用安裝（鉆洞）設(shè)備，不適合海床內(nèi)有很多大漂石的位置，移動困難。（３）施工用打樁、鉆孔或噴孔的方法將單立柱基礎(chǔ)安裝在海底泥面以下特定的深度。采用不同的施工方式，樁徑的選擇也不同。如果在打樁過程中遇到一塊大漂石，一般可能在石頭上鉆孔，然后用爆破物將其炸開，繼而打成小石頭。３三腳架基礎(chǔ)（多樁式基礎(chǔ)）（１）原理三腳架基礎(chǔ)亦稱多樁式基礎(chǔ)，類似小型油氣開采平臺常用的三腳架基礎(chǔ)。如圖３?４所示，重量輕、經(jīng)濟的三腳鋼套管，其塔架下面的鋼樁分布著一些鋼架，分別承受了塔架對于三個鋼樁的壓力，受土壤條件和冰凍負荷限制，采用小直徑鋼樁和管狀鋼結(jié)構(gòu)，以及填塞或者成型連接方式。通過三腳架增強了結(jié)構(gòu)的剛度和強度，三腳架的中心軸提供風電機組塔架的基本支撐。分為簡單三樁／四樁支撐、復(fù)合三樁支撐兩種形式。（２）特點

圖３?４三腳架基礎(chǔ)示意圖克服了單樁基礎(chǔ)需要沖刷防護的缺點，穩(wěn)定性較好。三個鋼樁被埋置于海床下１０～２０ｍ的地方，適合水深的地區(qū)，如３０ｍ以上水域，堅固、應(yīng)用范圍廣。缺點是受海底地質(zhì)條件約束較大，適用于海床較為堅硬的海域，不宜用于淺海域、軟海床，同時，存在費用高、移動困難等不足。４導(dǎo)管架式基礎(chǔ)圖３?５所示為導(dǎo)管架式基礎(chǔ)示意圖，特點為能夠有效提高支撐結(jié)構(gòu)的剛度，適用于大容量風電機組；同時，對地質(zhì)條件要求不高，受波浪和海流的作用甚小，技術(shù)成熟。但是，也存在基礎(chǔ)的造價隨著水深的增加呈指數(shù)增長，應(yīng)用受到一定的限制等不足。５負壓桶式基礎(chǔ)（１）原理

圖３?５導(dǎo)管架式基礎(chǔ)示意圖如圖３?６所示，負壓桶式基礎(chǔ)為傳統(tǒng)樁基和重力基礎(chǔ)的結(jié)合，采用鋼箱結(jié)構(gòu)，主要依靠重力插入海床，抽出箱內(nèi)海水以產(chǎn)生壓力，可以用于海上平臺安裝的錨泊固定。（２）特點

圖３?６負壓桶式基礎(chǔ)示意圖加工制造相對簡單、費用較低；安裝速度快、費用少，即使在海上天氣惡劣的情況下也可進行施工作業(yè)；拆除方便，且可以二次利用；只需對海床淺部地質(zhì)條件進行勘察，無需或只需少量整理海床，適合大于２０ｍ水深場合，不適合淺海域，且因增加了冰載荷，船只難以靠近。分為單氣壓沉箱、三腳架氣壓沉箱兩種類型。缺點是桶內(nèi)外的水壓差可能導(dǎo)致桶內(nèi)土體產(chǎn)生滲流大變形，形成土塞，甚至有可能使桶內(nèi)土體液化而發(fā)生流動。在下沉過程中容易產(chǎn)生傾斜，需頻繁做矯正處理。（３）安裝定位后抽出筒體中的氣體，使筒體底部附著在泥面，然后通過筒頂?shù)耐壮槌鐾搀w中的氣體和水，利用形成的真空壓力和筒內(nèi)外水壓力差將筒體插入海床一定深度。６漂浮式基礎(chǔ)（１）原理如圖３?７所示，適合深海（～ｍ水深），用于構(gòu)建未固定基礎(chǔ)的浮動近海風電機組群。以３臺或更多的風電機組為一個單元，每一臺機組的塔架底部由一個圓弧狀鋼結(jié)構(gòu)件剛性連接在一起，或利用基礎(chǔ)以及系泊系統(tǒng)相互之間的耦合作用抵抗上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的載荷。漂浮式基礎(chǔ)有三種類型，其中，３?８所示為水下拋錨式基礎(chǔ)示意圖，外，還包括三浮箱式、重力擺錘式基礎(chǔ)。（２）特點

圖３?７漂浮式基礎(chǔ)示意圖便于移動和拆卸，對水深不敏感，適用海域范圍廣，利于減少風電機組基礎(chǔ)建設(shè)成本。缺點是該技術(shù)還有待開展深入研究和應(yīng)用開發(fā)，不穩(wěn)定，只適合風浪小的海域。表３?１列舉了各種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的適用水深。以單樁基礎(chǔ)為例，其海上安裝過程包括起吊、翻樁、撤吊、糾偏、打樁、置位等。圖３?９所示為基礎(chǔ)的起吊、運輸及安裝過程。圖３?８水下拋錨式基礎(chǔ)示意圖表３?１各種類型基礎(chǔ)適用的水深基礎(chǔ)類型海水深度／ｍ備 注重力式０～１０常用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式負壓桶式＞１０常用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式單樁式０～３０常用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式三角架式＞２０正在設(shè)計和推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式導(dǎo)管架式＞２０正在設(shè)計和推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式漂浮式＞５０長遠研究計劃圖３?９基礎(chǔ)的起吊、運輸及安裝三、基礎(chǔ)載荷分析１基礎(chǔ)載荷的特點１）承受水動力、空氣動力雙重載荷作用，需要綜合考慮風及波浪載荷、支撐結(jié)構(gòu)和風電機組機頭的動力學特性以及風電機組控制系統(tǒng)的響應(yīng)等因素，依據(jù)為《海上風電機組的設(shè)計要求》（ＩＥＣ６１４００?３）；２）海上風電機組基礎(chǔ)載荷設(shè)計需要考慮風力機的推力和轉(zhuǎn)矩、上風向風力機偏航穩(wěn)定性、風電機組重力作用，以及波浪和海流的綜合作用；３）風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與海洋石油平臺所受載荷不同，如圖３?１０所示，海上風電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的水平載荷和傾覆力矩遠大于海洋石油平臺，而豎向載荷小于海洋石油平臺。２基礎(chǔ)載荷的類型（１）環(huán)境載荷

圖３?１０基礎(chǔ)載荷風載荷、海流和波浪載荷，以及冰載荷等，有時還受地震、臺風、海嘯、船舶撞擊等意外打擊，結(jié)構(gòu)本身還受環(huán)境腐蝕、海生物附著、海底沖刷、復(fù)雜海床變化等因素的影響。（２）風電機組載荷如圖３?１１所示，風電機組載荷是基礎(chǔ)的重要動力載荷源，且隨著風電場環(huán)境條件的改變，對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)實時施加不同的動力載荷。圖３?１１風電機組載荷３載荷的耦合作用風電機組載荷與環(huán)境載荷之間的相互作用。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)要承受環(huán)境載荷和風電機組載荷的雙重作用，各種因素所造成的結(jié)構(gòu)損傷并非彼此獨立，而是相互耦合、影響和同時發(fā)生的。四、海上風電機組基礎(chǔ)的應(yīng)用表３?２所示為已建成的海上風電場采用的基礎(chǔ)形式。下面分析介紹上海東海大橋海上風電場基礎(chǔ)設(shè)計和應(yīng)用的情況。表３?２已建成的海上風電場采用的基礎(chǔ)形式地點建設(shè)時間／年機組臺數(shù)／（容量／ＭＷ）水深／ｍ基礎(chǔ)形式瑞士ｄ１９９０１／０２２０６重力丹麥ｄｙ１９９１１１／５２５～５重力（混凝土沉箱）荷蘭ｙ１９９４４／２４～５單樁（打入式單樁）丹麥ＴｕｎｏＫｎｏｂ１９９５１０／５３～５重力（混凝土沉箱）丹麥ｎｒ１９９６２８／１６８５單樁（打入式單樁）瑞典Ｂｎ１９９７５／２７５６單樁（鉆入式單樁）瑞典ｎｎ２０００７／１０５７２～１０單樁（打入式單樁）英國Ｂｈ２０００２／４７５單樁（鉆入式單樁）瑞典ｄｕｄｎ２０００２０／４０２～５重力（混凝土沉箱）瑞典ｅｄ２００１５／１０９單樁（鉆入式單樁）丹麥ＨｏｍｓＲｅｖ２００２８０／１６０６５～１３５單樁（打入式單樁）丹麥ｕｎｋ２００２１０／２３１１～１８單樁（打入式單樁）英國ｈｅ２００３３０／６０１０～１５單樁（打入式單樁）丹麥ｄｍｋ２００３７２／１６５６１０重力（混凝土沉箱）愛爾蘭ｗＢｎｋｅＩ２００３７／２５２５～８５單樁（打入式單樁）英國ＳｃｒｏｂｙＳａｎｄｓ２００４３０／６０４～１２單樁（打入式單樁）日本ｋｏ２００４２／１３２／／英國ｈｓ２００５３０／９０５單樁英國Ｂａｒｒｏｗ２００６３０／９０２０單樁荷蘭ＮＳＷ２００６３６／１０８／單樁ＯＷＥＺ２００６３６／７２２２單樁蘇格蘭Ｂｅ２００７２／１０４５四樁（４樁固定鋼結(jié)構(gòu)平臺）英國ＢｕｒｂｏＢａｎｋ２００７２５／９０８單樁瑞典ｎｄ２００７４８／１１０４／重力（混凝土沉箱）中國渤海灣２００７１／１５／多樁（續(xù)）地點建設(shè)時間／年機組臺數(shù)／（容量／ＭＷ）水深／ｍ基礎(chǔ)形式ｎｒｗｇ（英國）２００８２７／９７２／單樁Ｌｙｎｎ（英國）２００８２７／９７２／單樁Ｑ７（荷蘭）２００８６０／１２０／單樁ｈｎＢｋ（比利時）２００８６／３０／重力（混凝土沉箱）德國ＡＬＰＨＡＶＥＮＴＵＳ２０１０１２／６０３０～４０多樁中國上海東海大橋２０１０３４／１０２１０多樁固定平臺（高樁承臺，８根直徑為１７ｍ、長為８０ｍ左右的鋼管樁，頂部澆注成一個高為４５ｍ的混凝土承臺）１上海東海大橋海上風電場場址特點東海大橋東側(cè)海域平均水深比西側(cè)低０５～１ｍ，總體水深在１０ｍ以上，施工條件惡劣。該海域原來屬于可通航水域，來往船只較多。該場址區(qū)域使用權(quán)通常遵循“風電機組機位點征用原則”，因此，該風電場為非封閉管理區(qū)域，存在船舶進入該風電場的可能。例如，有９臺風電機組位于東海大橋３＃１０００ｔ級船舶通航孔兩側(cè)，最靠近的一臺風電機組距離通航孔僅３０ｍ。因此，基礎(chǔ)受船舶撞擊的風險很大，必須采取措施防止船舶的直接撞擊。２基礎(chǔ)設(shè)計（１）防撞擊措施采用兩個防撞方案，即針對１０００ｔ級船舶通航孔兩側(cè)的９臺風電機組，采取的防撞措施為在每臺機組周圍設(shè)置５根直徑為２５ｍ的防撞鋼管樁，再在該防撞鋼管樁周圍設(shè)置橡膠護航，每根樁之間通過兩道錨相連的防撞措施；針對通航孔以外的風電機組，防撞設(shè)計原則和方式與通航孔側(cè)的防撞樁相同，不同的是按照２００ｔ級船舶通防撞設(shè)計，每臺風電機組周圍的５根防撞鋼管的直徑為１２ｍ。實際施工過程采用的方案為通過將鋼筋混凝土承臺降低到一個相對合適的位置，使得船舶撞擊時不會撞到底下的樁基，也不會撞到上面的塔架。同時，還在風電機組外圍設(shè)置了適當防護，確保即使船舶撞擊到混凝土承臺，其撞擊力也能被大大減弱；同時，通過混凝土承臺將撞擊力傳導(dǎo)至下部的多樁承臺，減弱其對風電機組整機的影響。（２）基礎(chǔ)選型海