海上風(fēng)電開發(fā) 基礎(chǔ)選型先行

本刊策劃

26／單樁基礎(chǔ)

27／多樁承臺(tái)基礎(chǔ)

28／重力式基礎(chǔ)

30／多腳架式基礎(chǔ)

31／導(dǎo)管架基礎(chǔ)

32／吸力筒基礎(chǔ)

33／漂浮式基礎(chǔ)

36／海上風(fēng)電基礎(chǔ)特點(diǎn)及中國(guó)海域的適用性分析

41／鑒衡認(rèn)證以匠心精神打磨海上風(fēng)電基礎(chǔ)分析能力

近幾年，全球海上風(fēng)電的規(guī)模化開發(fā)速度明顯加快。歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)（WindEurope）公布的數(shù)據(jù)顯示，2019年，歐洲海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的362.3萬(wàn)千瓦，較2018年增長(zhǎng)19.6%，累計(jì)裝機(jī)容量為2207.2萬(wàn)千瓦。歐洲之外，中國(guó)迅速成為新的增長(zhǎng)引擎。根據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)，2019年，我國(guó)新增海上風(fēng)電裝機(jī)198萬(wàn)千瓦，累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到593萬(wàn)千瓦。

當(dāng)下，我國(guó)海上風(fēng)電依然處于規(guī)模化開發(fā)的初期，不僅面臨著產(chǎn)業(yè)鏈尚未完全成熟導(dǎo)致的種種風(fēng)險(xiǎn)，也承受著補(bǔ)貼退坡帶來的降本壓力。在這種情況下，為了保障項(xiàng)目安全、高效地開發(fā)與運(yùn)營(yíng)，業(yè)界必須將各個(gè)環(huán)節(jié)的工作做得更加精細(xì)。這其中就包括風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的選型。

基礎(chǔ)為風(fēng)電機(jī)組提供至少25年的關(guān)鍵支撐，在遭受風(fēng)載荷、風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行載荷以及波浪、海流等載荷作用的同時(shí)，還經(jīng)受著海上惡劣環(huán)境的嚴(yán)酷考驗(yàn)。同時(shí)，在海上風(fēng)電場(chǎng)的總投資中，基礎(chǔ)成本占20%～30%，遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)電場(chǎng)的同類比重。因此，在深入分析不同海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，風(fēng)電場(chǎng)所處海域的地質(zhì)、風(fēng)能資源、海洋水文等環(huán)境條件的前提下，合理的基礎(chǔ)選型，是推動(dòng)海上風(fēng)電成本下降、保障風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期安全運(yùn)行的主要途徑之一。

本期“封面故事”聚焦于目前幾類主流的海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)型式，圖文并茂地全面展示各類技術(shù)的發(fā)展歷程、應(yīng)用現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)、施工工藝要求、適用條件等，希望能夠?yàn)闃I(yè)界在開展海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型時(shí)提供參考。

單樁基礎(chǔ)

單樁基礎(chǔ)型式：由鋼板卷制而成的焊接鋼管組成，塔架直接由基礎(chǔ)樁腿支撐或者通過過渡段將兩者連接。樁腿插到海床以下，插入的深度取決于實(shí)際的環(huán)境載荷以及海底的地質(zhì)條件。

發(fā)展歷史：?jiǎn)螛痘A(chǔ)在海上油氣行業(yè)中有著數(shù)十年的應(yīng)用歷史，是最早被引入海上風(fēng)電領(lǐng)域的基礎(chǔ)型式之一，于1994年建成投產(chǎn)的荷蘭Lely海上風(fēng)電場(chǎng)即采用此類基礎(chǔ)型式。

適用條件：水深0～30m的海域。

應(yīng)用現(xiàn)狀：?jiǎn)螛痘A(chǔ)是目前海上風(fēng)電工程中應(yīng)用最廣泛的一種基礎(chǔ)型式。在歐洲海域，截至2019年共安裝了4258個(gè)海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)，所占份額高達(dá)81%。

分類：有過渡段單樁、無過渡段單樁。

安裝工藝：?jiǎn)螛痘A(chǔ)安裝的關(guān)鍵在于如何保證沉樁精度。目前典型的安裝方式有兩類：一類（圖1）是，自航式自升安裝船在GPS定位設(shè)備的指導(dǎo)下精確就位，調(diào)整抱樁器；啟動(dòng)自升船吊機(jī)吊起鋼樁，經(jīng)過翻樁、立樁、扶正調(diào)平后用液壓樁錘打樁，沉樁，直至結(jié)束。另一類（圖2）是，借助起重船和GPS定位安裝臨時(shí)定位平臺(tái)，起重船吊機(jī)吊起鋼樁，經(jīng)過測(cè)量定位、插樁調(diào)直、沉樁，直至結(jié)束。

優(yōu)勢(shì)：技術(shù)成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工簡(jiǎn)便、快捷，適應(yīng)性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好。

劣勢(shì)：結(jié)構(gòu)剛度小，固有頻率低，在水平外力作用下易產(chǎn)生側(cè)向變形；結(jié)構(gòu)安全受海床沖刷影響較大；當(dāng)沉樁深度范圍內(nèi)存在較為堅(jiān)硬巖土?xí)r，通常需用鉆孔工藝將樁基安裝至設(shè)計(jì)標(biāo)高， 但成本較高。

難點(diǎn)：安裝基礎(chǔ)后，通常需要進(jìn)行海床沖刷保護(hù)，傳統(tǒng)的防沖刷方法有砂被、拋石、仿生草、固化土等，但是目前效果仍不太明顯。

代表工程：英國(guó)的London Array海上風(fēng)電場(chǎng)（63萬(wàn)千瓦），丹麥的Horns Rev海上風(fēng)電場(chǎng)（16萬(wàn)千瓦），德國(guó)的EnBW Hohe See海上風(fēng)電場(chǎng)（49.7萬(wàn)千瓦），中國(guó)的三峽新能源江蘇大豐海上風(fēng)電項(xiàng)目（30萬(wàn)千瓦）、粵電湛江外羅海上風(fēng)電項(xiàng)目（20萬(wàn)千瓦）等。

多樁承臺(tái)基礎(chǔ)

多樁承臺(tái)基礎(chǔ)型式：又稱群樁式高樁承臺(tái)基礎(chǔ)，主要由鋼筋混凝土承臺(tái)和一組鋼管樁構(gòu)成。根據(jù)地質(zhì)條件和風(fēng)電機(jī)組荷載量級(jí)，可采用不同數(shù)量的鋼管樁，鋼管樁可設(shè)計(jì)為斜樁或直樁，混凝土承臺(tái)內(nèi)預(yù)埋與塔架的連接段上部，經(jīng)法蘭與風(fēng)電機(jī)組塔架相連。

發(fā)展歷史：該基礎(chǔ)為中國(guó)首創(chuàng)，在應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)之前，是海岸碼頭和橋墩基礎(chǔ)的常見結(jié)構(gòu)，由港口工程基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)展而來。

適用條件：主要適用于水深為0～30m的近岸海域。多樁承臺(tái)基礎(chǔ)的樁基一般傾斜布置，一是提升了基礎(chǔ)剛度，二是結(jié)合群樁可以降低樁身受力，所以，該基礎(chǔ)在軟土地基海域十分適用。

技術(shù)特點(diǎn)：設(shè)計(jì)中需分析多項(xiàng)復(fù)雜荷載作用下基礎(chǔ)的受力、變形和承載能力?；A(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮鋼管樁對(duì)稱布置，樁身傾斜度取值應(yīng)充分考慮船舶打樁可行性和樁身軸向受力，承臺(tái)設(shè)置高程和厚度應(yīng)充分考慮波浪力的作用大小和靠泊登臺(tái)的便利性。用于該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工船機(jī)的設(shè)備較多，市場(chǎng)的選擇性較大。

施工及安裝工藝：設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮鋼管樁沉樁精度，相鄰鋼管樁頂間距應(yīng)充分考慮打樁錘的施工可行性。施工中盡量減少調(diào)船和變動(dòng)打樁架斜度。同一基礎(chǔ)的鋼管樁，宜打至同一土層，且樁端標(biāo)高不宜相差太大。當(dāng)樁端進(jìn)入不同土層時(shí)，各樁沉樁貫入度不宜相差過大。

優(yōu)勢(shì)：由于借鑒港口工程結(jié)構(gòu)，施工技術(shù)較為成熟，基礎(chǔ)防撞性能好，軟土地基適應(yīng)性好。

劣勢(shì)：傳統(tǒng)海上風(fēng)電機(jī)組多樁承臺(tái)基礎(chǔ)普遍使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，海上施工時(shí)間長(zhǎng)，程序復(fù)雜，對(duì)海上施工窗口期要求苛刻，限制了該類風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的進(jìn)一步應(yīng)用。對(duì)于深水場(chǎng)址，鋼管樁耗鋼量顯著增加，建設(shè)成本明顯提高，所以，水深超過30m的海域不建議采用該基礎(chǔ)型式。

難點(diǎn)：樁基協(xié)同受力優(yōu)化分析是多樁承臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵?；A(chǔ)受到的荷載主要包括風(fēng)電機(jī)組荷載和承臺(tái)受到的波浪荷載，外部荷載傳遞到基礎(chǔ)樁上主要表現(xiàn)為樁身軸向作用力，如何優(yōu)化協(xié)同受力作用下的樁基工程量至關(guān)重要。

代表工程：上海東海大橋100MW 海上風(fēng)電示范項(xiàng)目是全國(guó)首個(gè)使用多樁高承臺(tái)基礎(chǔ)的海上風(fēng)電場(chǎng)，基礎(chǔ)設(shè)置8根直徑1.70m的鋼管樁。國(guó)電電力浙江舟山海上風(fēng)電公司普陀6號(hào)海上風(fēng)電場(chǎng)是國(guó)內(nèi)首個(gè)使用多樁加高承臺(tái)基礎(chǔ)的近海風(fēng)電場(chǎng)。

重力式基礎(chǔ)

重力式基礎(chǔ)型式：是海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的主要型式之一，和陸上風(fēng)電機(jī)組常見的重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)工作原理相似，主要依靠基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部壓載重量抵抗上部機(jī)組和外部環(huán)境產(chǎn)生的傾覆力矩和滑動(dòng)力，使基礎(chǔ)和塔架結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。

適用條件：適用于水深為0～30m的海域。適合海底地面平整，海床地質(zhì)承載能力較高的地質(zhì)，或是巖基海床，且嵌巖樁基工效低的地區(qū)，宜采用重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，成本上具有明顯優(yōu)勢(shì)。不適合軟地基及沖刷海床。

應(yīng)用現(xiàn)狀：截至2019年，歐洲海域共安裝了301個(gè)重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，所占份額約為5.7%（圖 1）。

分類：一般分為重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)、重力式沉箱基礎(chǔ)、重力式預(yù)應(yīng)力殼體基礎(chǔ)、鋼管樁―混凝土沉箱組合基礎(chǔ)等型式。

施工及安裝工藝：混凝土結(jié)構(gòu)的重力式基礎(chǔ)體積龐大，混凝土用量多。處于海洋腐蝕環(huán)境中的重力式基礎(chǔ)，為確保其力學(xué)性能指標(biāo)和耐久性，對(duì)表面混凝土裂縫寬度有嚴(yán)格的要求，一般使用預(yù)應(yīng)力混凝土后張法施工工藝。基建主要在干船塢內(nèi)、平板駁船上或陸上碼頭進(jìn)行。在場(chǎng)內(nèi)運(yùn)輸階段，可采用“蜈蚣車”移運(yùn)、軌道臺(tái)車或高壓氣囊滑移等方式。在下水階段，對(duì)于重量和體積相對(duì)較小的基礎(chǔ)，可以通過起重船直接吊裝上駁船進(jìn)行運(yùn)輸；對(duì)于體積較大的基礎(chǔ)，可采用船舶運(yùn)輸及海上浮運(yùn)的方式。運(yùn)輸時(shí)需綜合考慮天氣和海況，嚴(yán)格計(jì)算窗口期以及船舶橫穩(wěn)性（船舶繞縱向軸橫傾時(shí)的穩(wěn)定性）。由于重力式基礎(chǔ)直接將其巨大的重量和所受載荷傳給地表，所以，需對(duì)海床進(jìn)行處理，包括對(duì)基床進(jìn)行整平，滿足重力式基礎(chǔ)對(duì)基床平整度的要求；擴(kuò)散基礎(chǔ)對(duì)地基的應(yīng)力，起到減小地基應(yīng)力和不均勻沉降的作用。針對(duì)淺覆蓋層大直徑單樁嵌巖施工困難的問題，若對(duì)海床淺層土體進(jìn)行地基加固處理，可大幅提高淺層土體的地基承載力。安裝時(shí)，利用定位系統(tǒng)將基礎(chǔ)精準(zhǔn)定位在目標(biāo)海床點(diǎn)上；運(yùn)用大型浮吊和半潛駁船進(jìn)行基礎(chǔ)的吊升和安放；就位后進(jìn)行壓載物填充，將預(yù)先準(zhǔn)備的碎石填入空腔。

優(yōu)勢(shì)：重力式基礎(chǔ)通過自身的重量使得風(fēng)電機(jī)組矗立于海面上。相比其他基礎(chǔ)型式，重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的穩(wěn)定性。此外，該基礎(chǔ)型式采用陸上預(yù)制方式建造，不需要海上打樁作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)安裝工作量小，節(jié)省施工時(shí)間和費(fèi)用。

劣勢(shì)：重力式基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)分析和建造工藝比較復(fù)雜，對(duì)海床地質(zhì)條件要求較高，還需要有較深、隱蔽條件較好的預(yù)制碼頭和水域條件。采用大型起重船等安裝設(shè)備，安裝相對(duì)復(fù)雜。

代表工程：首個(gè)采用重力式基礎(chǔ)的海上風(fēng)電項(xiàng)目為1991年丹麥的第一個(gè)海上風(fēng)電場(chǎng)? Vindeby風(fēng)電場(chǎng)；2008年，比利時(shí)的Thronton Bank 海上風(fēng)電場(chǎng)一期工程應(yīng)用該基礎(chǔ)型式，項(xiàng)目海域水深20～28m；2017年，英國(guó)Blyth海上風(fēng)電場(chǎng)采用“鋼管樁―混凝土沉箱”組合重力式基礎(chǔ)方案。

多腳架式基礎(chǔ)

多腳架式基礎(chǔ)型式：根據(jù)樁數(shù)不同可分為三腳和多腳架式基礎(chǔ)。以三腳架式為例，采用標(biāo)準(zhǔn)的三腿支撐結(jié)構(gòu)，由主筒體、3根樁套管和斜桿結(jié)構(gòu)組成，并將3根直徑中等的鋼管樁以等邊三角形均勻地定位在海底，利用鋼套管對(duì)上部三腳的桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐，進(jìn)而形成較為穩(wěn)定的組合式基礎(chǔ)。

適用條件：一般多腳架式基礎(chǔ)適用于水深為0～30m的海域。安裝時(shí)需要采用嵌巖平臺(tái)。

應(yīng)用現(xiàn)狀：主要應(yīng)用在歐洲海域。截至2019年，該地區(qū)共安裝了126個(gè)海上風(fēng)電機(jī)組三腳架式基礎(chǔ)，所占份額約為2.4%。我國(guó)龍?jiān)措娏瘓F(tuán)在江蘇如東潮間帶試驗(yàn)風(fēng)電場(chǎng)也使用類似的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

技術(shù)特點(diǎn)：主筒體即三腳架的中心鋼管提供風(fēng)電機(jī)組塔架的基本支撐，類似單柱結(jié)構(gòu)，3根等直徑的鋼管樁一般呈等邊三角形均勻布設(shè)，三腳架常采用垂直的樁套管與鋼管樁連接。撐桿結(jié)構(gòu)承受上部塔架荷載，并將荷載傳遞給3根鋼管樁，預(yù)制的三角桁架設(shè)置數(shù)根水平和斜向撐桿，其分別連接3根樁套管以及主筒體。三角架支撐結(jié)構(gòu)布置的寬度和樁腿插入海底的深度由實(shí)際的環(huán)境載荷以及海底地質(zhì)條件來確定。

施工及安裝工藝：多腳架在陸上車間預(yù)加工，通過船舶直接運(yùn)到風(fēng)電場(chǎng)指定位置進(jìn)行下放安裝，再將鋼管樁依次插入樁套管內(nèi)，并用打樁錘將鋼管樁沉樁到指定標(biāo)高。施工過程中可一次性將鋼管樁全部插入各個(gè)樁套管內(nèi)，目的是解決多腳架式基礎(chǔ)的調(diào)平問題。由于海上建設(shè)環(huán)境條件較差，施工時(shí)盡量選擇平潮或接近平潮時(shí)間段。多腳架式基礎(chǔ)的樁套管與鋼管樁之間可采用灌注高強(qiáng)化學(xué)漿液、充填環(huán)氧膠泥，或是焊接等措施進(jìn)行連接。

優(yōu)勢(shì)：該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)船機(jī)設(shè)備要求不高，成本介于單樁基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)之間。結(jié)構(gòu)剛度相對(duì)較大，整體穩(wěn)定性好，不需要海床準(zhǔn)備和沖刷防護(hù)。

劣勢(shì)：該基礎(chǔ)型式若用于淺水地區(qū)，容易與船只發(fā)生碰撞。另外，需要進(jìn)行海上連接等操作，增加了施工難度。

代表工程：德國(guó)Alpha Ventus海上風(fēng)電場(chǎng)中首批機(jī)組中的6臺(tái)應(yīng)用該基礎(chǔ)型式。

導(dǎo)管架基礎(chǔ)

導(dǎo)管架基礎(chǔ)型式：基礎(chǔ)通常有3或4個(gè)樁腿，樁腿之間用撐桿相互連接，形成一個(gè)有足夠強(qiáng)度和穩(wěn)定性的空間桁架結(jié)構(gòu)。根據(jù)鋼管樁和導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)施工的先后順序，分為先樁導(dǎo)管架和后樁導(dǎo)管架兩種。

發(fā)展歷史：導(dǎo)管架基礎(chǔ)最早出現(xiàn)于歐洲。

適用條件：適用于水深為20～50m的海域。

應(yīng)用現(xiàn)狀：根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，截至2019年年底，歐洲安裝了468個(gè)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，占全部基礎(chǔ)數(shù)量的8.9%。

技術(shù)特點(diǎn)：導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是通過鋼管樁將導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)固定于海底，導(dǎo)管架具有剛性高的特點(diǎn)，從而提高了平臺(tái)抵抗自然荷載的能力，導(dǎo)管架與鋼管樁的連接通過灌漿來實(shí)現(xiàn)。

施工及安裝工藝：導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是一個(gè)鋼質(zhì)錐臺(tái)形空間框架，以鋼管為骨棱，在陸上先焊接好，運(yùn)輸?shù)桨惭b點(diǎn)就位。若基礎(chǔ)為先樁導(dǎo)管架，則需將鋼管樁先沉樁到位，再利用導(dǎo)管架下部的插尖將結(jié)構(gòu)安裝到鋼管樁上，最后通過灌漿連接。若基礎(chǔ)為后樁導(dǎo)管架，則先將導(dǎo)管架安裝到指定位置，并將鋼管樁從導(dǎo)管架下部的套管打入，最后通過灌漿連接。

優(yōu)勢(shì)：導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)主要采用小桿件，可降低波浪和水流的荷載作用。由于基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)剛度較高，對(duì)地質(zhì)的要求相對(duì)較低。另外，雖然船機(jī)配備要求較高，但是該基礎(chǔ)施工工藝成熟，海上作業(yè)工序少，施工關(guān)鍵點(diǎn)不多，綜合風(fēng)險(xiǎn)低。

劣勢(shì)：結(jié)構(gòu)受力相對(duì)復(fù)雜，導(dǎo)管架節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，疲勞損傷較大，且都要求專門加工，建造及維護(hù)成本較高，在一定程度上增加了海上風(fēng)電的投資成本。

難點(diǎn)：管節(jié)點(diǎn)是導(dǎo)管架的薄弱點(diǎn)之一，由于導(dǎo)管架大部分浸于海水中，受海洋環(huán)境載荷的作用，很容易產(chǎn)生腐蝕疲勞破壞，所以，節(jié)點(diǎn)焊接后需進(jìn)行探傷檢測(cè)，如發(fā)現(xiàn)夾渣或焊不透，必須刨掉重焊。此外，由于水下灌漿質(zhì)量較難檢測(cè)和監(jiān)測(cè)，所以，導(dǎo)管架和鋼管樁之間的灌漿連接也是結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)之一。

代表工程：英國(guó)Beatrice海上風(fēng)電場(chǎng)、德國(guó)Alpha Ventus海上風(fēng)電場(chǎng)的部分海上風(fēng)電機(jī)組；中國(guó)的三峽新能源陽(yáng)西沙扒海上風(fēng)電場(chǎng)、廣東珠海桂山海上風(fēng)電場(chǎng)也采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)。

未來預(yù)測(cè)：據(jù)美國(guó)能源調(diào)查公司RystadEnergy預(yù)測(cè)，2020―2025年，歐洲將安裝479個(gè)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；在全球范圍內(nèi)，這個(gè)數(shù)字將是1083個(gè)。

吸力筒基礎(chǔ)

吸力筒基礎(chǔ)型式：也稱負(fù)壓筒基礎(chǔ)，可為單筒和多筒結(jié)構(gòu)型式。由筒體和外伸段兩部分組成，筒體為底部開口、頂部密封的筒型，外伸段可采用鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)。

發(fā)展歷史：近海吸力錨的概念是20世紀(jì)60年代提出的，80年代初才開始在工程中實(shí)現(xiàn)，并得到迅速發(fā)展。由此自然引伸、提出了吸力式基礎(chǔ)平臺(tái)，即筒型基礎(chǔ)平臺(tái)，并于20世紀(jì)90年代在挪威海上油田得到首次工程應(yīng)用。借鑒海洋工程經(jīng)驗(yàn)，2014年，世界首個(gè)吸力筒結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)樣機(jī)應(yīng)用于BKR01海上風(fēng)電場(chǎng)，基礎(chǔ)高57m，重約850噸，安裝4MW風(fēng)電機(jī)組。

適用條件：適用于水深30～60m的海域，軟粘土和松散砂土地質(zhì)。

應(yīng)用現(xiàn)狀：吸力筒基礎(chǔ)在海洋工程領(lǐng)域已有近40年的使用歷史。自20世紀(jì)90年代陸續(xù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用。2010年6月29日，國(guó)內(nèi)道達(dá)海上風(fēng)電研究院采用復(fù)合筒型基礎(chǔ)作為海上測(cè)風(fēng)塔的基礎(chǔ)，成功進(jìn)行了整體海上安裝作業(yè)。

技術(shù)特點(diǎn)：筒型基礎(chǔ)的基本特點(diǎn)之一是它既不像樁式基礎(chǔ)需要深土的承載能力，也不像重力式基礎(chǔ)那樣對(duì)表層土的承載能力提出很高的要求。筒型基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和安裝是在常見的土質(zhì)條件下主要依靠對(duì)土和筒型基礎(chǔ)之間相互作用機(jī)理的掌握。

施工及安裝工藝：陸地預(yù)制，抽氣下沉，注水移除?？墒孪仍陉懮项A(yù)制好基礎(chǔ)，再拖到安裝海域。由于吸力式基礎(chǔ)負(fù)壓下沉深度相對(duì)較淺，重點(diǎn)勘察海床淺部地質(zhì)。當(dāng)基礎(chǔ)壽命超過設(shè)計(jì)使用壽命時(shí)，該基礎(chǔ)方便拆除，若通過評(píng)估則可進(jìn)行二次利用。

優(yōu)勢(shì)：該基礎(chǔ)不需要進(jìn)行打樁，施工速度快，可有效利用海上作業(yè)窗口期，盡可能安裝更多的基礎(chǔ)。針對(duì)深遠(yuǎn)海域的風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)，其在未來還有降低成本的潛力。該基礎(chǔ)安裝時(shí)噪音小，拆除簡(jiǎn)便。

劣勢(shì)：對(duì)筒體下沉控制要求較高。在負(fù)壓作用下，筒內(nèi)外將產(chǎn)生水壓差，引進(jìn)土體滲流，雖然滲流能大大降低下阻力，但是過大的滲流將導(dǎo)致筒內(nèi)土體產(chǎn)生大變形，形成土塞，甚至有可能使筒內(nèi)土體液化而發(fā)生流動(dòng)等，從而發(fā)生結(jié)構(gòu)傾斜。

難點(diǎn)：綜合來看，筒型基礎(chǔ)作為海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)應(yīng)用前景很大，但是設(shè)計(jì)體系還需進(jìn)一步完善，施工風(fēng)險(xiǎn)還需要進(jìn)一步把控。

代表工程：丹麥的Frederikshavn海上風(fēng)電場(chǎng)，中國(guó)三峽江蘇響水海上風(fēng)電場(chǎng)。

漂浮式基礎(chǔ)

漂浮式基礎(chǔ)型式：是漂浮在海面上的平臺(tái)，利用系泊或錨針在海底進(jìn)行位置的固定，通過三力的平衡來維持海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其中，三力是指自身重力、系纜回復(fù)力、結(jié)構(gòu)浮力，并且還能夠精準(zhǔn)控制海流影響產(chǎn)生的搖晃角度。

發(fā)展歷史：自20世紀(jì)70年代，美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)的Heronemus教授提出了世界上第一個(gè)漂浮式風(fēng)電機(jī)組的概念以來，漂浮式風(fēng)電機(jī)組經(jīng)歷40多年的發(fā)展，從概念研發(fā)到樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在已經(jīng)走向了實(shí)際應(yīng)用。荷蘭的Blue H Technologies公司在2008年夏，用離岸油井的技術(shù)開發(fā)出世界第一臺(tái)漂浮式風(fēng)電機(jī)組，安裝在意大利南部Puglia外海的風(fēng)電場(chǎng)。世界上第二臺(tái)單樁漂浮式基礎(chǔ)海上風(fēng)電機(jī)組在2009年挪威Karmoy海域安裝完成，命名為Hywind。

應(yīng)用現(xiàn)狀：目前，全球已有9個(gè)漂浮式風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)或商業(yè)化風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行。6個(gè)位于歐洲：挪威、葡萄牙、瑞典、英國(guó)、西班牙、法國(guó)各1個(gè)；3個(gè)位于日本。由PPI公司開發(fā)的Windfloat半潛式漂浮基礎(chǔ)，由Ideol公司開發(fā)的阻尼池駁船式漂浮基礎(chǔ)，也是即將應(yīng)用于小規(guī)模商業(yè)化的項(xiàng)目。

適用條件：適用于水深大于50m的水域。漂浮式風(fēng)電機(jī)組開發(fā)成本較固定式昂貴，但受海洋地形的限制，在歐洲、日本、韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣、美國(guó)夏威夷等處由于近岸無淺水區(qū)，海上風(fēng)電不得不采用漂浮式風(fēng)電機(jī)組，中國(guó)沿海某些海域由于地質(zhì)不適宜打樁施工，亦不得不考慮使用漂浮式風(fēng)電機(jī)組。因此，開發(fā)適用于更深海域的漂浮式海上風(fēng)電技術(shù)是未來的必然趨勢(shì)。

優(yōu)勢(shì)：漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)機(jī)動(dòng)性好、易拆卸，服役期滿可進(jìn)行回收再利用。

難點(diǎn)：漂浮式基礎(chǔ)的主要挑戰(zhàn)在于如何維持基礎(chǔ)穩(wěn)定性、限制基礎(chǔ)位移、高效的錨鏈系統(tǒng)，以及降低設(shè)計(jì)、安裝、維護(hù)成本。此外，相較于固定式基礎(chǔ)，漂浮式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)難度甚大而尚未成熟，仍處在快速發(fā)展變化的階段。

分類：漂浮式海上風(fēng)電基礎(chǔ)主要有四類，張力腿式（TLP）、立柱式（Spar）、駁船式（Barge）、半潛式（Semi)。其中，根據(jù)錨鏈的受力狀態(tài)，又可將張力腿歸為張緊式基礎(chǔ)，后三種歸為懸鏈?zhǔn)交A(chǔ)。其中立柱式、半潛式漂浮式基礎(chǔ)技術(shù)最為成熟，應(yīng)用最為廣泛。

張力腿式（TLP）基礎(chǔ)

張力腿式基礎(chǔ)是一種垂直系泊的順應(yīng)式漂浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。通常張力腿式基礎(chǔ)由懸浮的矩形水平浮筒和圓柱體結(jié)構(gòu)組成，通過剛度較大的張力腿直接連接至海底錨固結(jié)構(gòu)。由于預(yù)張緊的錨泊系統(tǒng)作用，使得張力腿式基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)近乎剛性運(yùn)動(dòng)，保證了非常好的穩(wěn)定性。

從理論上說，張力腿式基礎(chǔ)所承受錨泊系統(tǒng)的預(yù)張緊力越大，越能夠?qū)崿F(xiàn)平臺(tái)的平穩(wěn)。但在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)時(shí)，要綜合考慮各種規(guī)范和工程需求，來實(shí)現(xiàn)對(duì)預(yù)張緊力的確定。同時(shí)，由于高頻振動(dòng)對(duì)漂浮式風(fēng)電機(jī)組的性能影響比較大，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，要避開環(huán)境中與漂浮式基礎(chǔ)重合的固有周期。

適用條件：張力腿式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及施工工藝成熟，適用于對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)動(dòng)性能要求較低的工程。

優(yōu)點(diǎn)：風(fēng)電機(jī)組適應(yīng)性好、結(jié)構(gòu)自重輕。

缺點(diǎn)：筋腱承受載荷較大，張力系泊系統(tǒng)安裝工藝復(fù)雜、費(fèi)用高。

代表工程：PelaStar（由Glosten公司開發(fā)）、Blue H TLP（由Blue H Group公司開發(fā)）、Eco TLP（由DBD Systems 公司開發(fā) ）、GICONSOF（由GICON公司開發(fā)）等。

立柱式（Spar）基礎(chǔ)

立柱式基礎(chǔ)主體是一個(gè)大型的圓柱，其作用是支撐塔架和機(jī)艙以及系泊纜繩的重量，通過底部壓載使得漂浮式基礎(chǔ)的浮心高于重心，進(jìn)而提高漂浮式平臺(tái)的平穩(wěn)性。漂浮式基礎(chǔ)底部包括定壓載艙和臨時(shí)浮艙兩部分。其中，定壓載艙提供漂浮式基礎(chǔ)較大一部分壓載，產(chǎn)生較大的復(fù)原力臂以及慣性阻力，達(dá)到減小平臺(tái)橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)的目的，保證平臺(tái)的穩(wěn)定。臨時(shí)浮艙的作用是在浮體結(jié)構(gòu)運(yùn)達(dá)至指定海域后，將壓載水注入臨時(shí)浮艙，從而使漂浮式基礎(chǔ)自行扶正豎立。

通常情況下，立柱式基礎(chǔ)的吃水深度要大于等于輪轂和海平面之間的平均距離，才能達(dá)到穩(wěn)定性要求。立柱式基礎(chǔ)的錨泊定位系統(tǒng)通常采用張緊式或懸鏈?zhǔn)降匿摾|或合成纖維等。

適用條件：水深較深的海域。

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、垂向波浪激勵(lì)力小、穩(wěn)定性優(yōu)異。

缺點(diǎn)：立柱長(zhǎng)度過大導(dǎo)致制造、安裝及運(yùn)維難度大。

代表工程：Hywind （由Statoil公司開發(fā)）、Sway （由Sway公司開發(fā)）、Advanced Spar （由Japan Marine United公司開發(fā)）等。

駁船式（Barge）基礎(chǔ)

駁船式基礎(chǔ)以較大水線面面積提供復(fù)原力矩，因而吃水較小，穩(wěn)定性較好，是比較適合淺水的一種平臺(tái)類型，且施工安裝方便。但是這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致平臺(tái)所受波浪力大，在大風(fēng)浪海域中的橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)中響應(yīng)劇烈，適合平靜海域。雖然一些駁船平臺(tái)使用阻尼池設(shè)計(jì)以期減少波浪載荷，但是實(shí)際工作中并沒達(dá)到顯著效果。

適用條件：適合平靜或波浪較小的海域。

優(yōu)點(diǎn)：吃水小，水深適應(yīng)性好；在岸上裝配；施工安裝方便，只需使用常規(guī)的拖船。

缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)幅度小。

代表工程：日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）與日立造船共同制造了新一代海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的駁船式基礎(chǔ)，并選擇距離福岡縣北九州市白島海域的北九州港響灘地區(qū)約15km遠(yuǎn)處進(jìn)行實(shí)證。

表1 現(xiàn)有漂浮式基礎(chǔ)項(xiàng)目

半潛式（Semi）基礎(chǔ)

半潛式基礎(chǔ)通常由有斜撐管連接的多個(gè)大型浮筒構(gòu)件組成。風(fēng)電機(jī)組可以安裝在任意一個(gè)浮筒上，利用浮筒非常大的水線面面積來保證整機(jī)的穩(wěn)定性。浮筒內(nèi)部的壓艙來調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組整體的重心和穩(wěn)定性。

適用條件：適用水深范圍廣。

優(yōu)點(diǎn)：安裝方便，運(yùn)維方便，穩(wěn)定性較好，并且運(yùn)行可靠。

缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)龐大、復(fù)雜。

代表工程：WindFloat（由Principle Power公司開發(fā)）、Damping Pool （由 Ideol公司開發(fā)）、SeaReed （由DCNS公司開發(fā)）。