海上風(fēng)電機(jī)組重力式基礎(chǔ)發(fā)展回顧

文 | 楊威，林毅峰，張權(quán)

與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)具有重心高、傾覆力矩大、動(dòng)力響應(yīng)顯著的特點(diǎn)，同時(shí)還受到波浪、海流、海床地質(zhì)以及海冰等環(huán)境因素的影響，因此，此類基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是國內(nèi)外海上風(fēng)電場設(shè)計(jì)中的重要研究課題。

重力式基礎(chǔ)是海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的主要形式之一，它和陸上風(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，如圖1所示。重力式基礎(chǔ)通常是在風(fēng)電場附近的碼頭場地或船塢內(nèi)預(yù)制建造，然后通過船運(yùn)或浮運(yùn)至機(jī)位，并用砂礫等填料填充基礎(chǔ)內(nèi)部空腔以獲得必要的重量，再將其沉入經(jīng)過整平的海床面上。重力式基礎(chǔ)通常為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，節(jié)省鋼材，經(jīng)濟(jì)效果好，采用陸上預(yù)制方式建造，不需要海上打樁作業(yè)，海上現(xiàn)場安裝工作量小，節(jié)省施工時(shí)間和費(fèi)用。重力式基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)分析和建造工藝比較復(fù)雜，對海床地質(zhì)條件要求較高，還需要有較深的、隱蔽條件較好的預(yù)制碼頭和水域條件。

近年來，隨著歐洲海上風(fēng)電進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)階段，海上風(fēng)電機(jī)組重力式基礎(chǔ)在多座海上風(fēng)電場中得以成功設(shè)計(jì)建造，并在施工便利性和工程成本控制方面表現(xiàn)出較大的優(yōu)越性。表1給出了歐洲海上風(fēng)電1991—2017年的重力式基礎(chǔ)應(yīng)用現(xiàn)狀。我國海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)正處于快速發(fā)展階段，福建、廣東沿海作為我國海上風(fēng)能資源儲備最為豐富的地區(qū)，存在著大范圍淺覆蓋層甚至裸巖地基海床，海域水深超過30米，這在國內(nèi)外海上風(fēng)電場建設(shè)中是罕見的，大直徑鋼管樁嵌巖施工周期長，成本高，不確定性因素多。參考、借鑒國外重力式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理念，可為我國海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建造提供創(chuàng)新思路和方法。

淺水海域重力式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

一、重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)

早期的海上風(fēng)電場大部分建在水深15m以下的淺水海域。1991年，世界第一座海上風(fēng)電項(xiàng)目——Vindeby海上風(fēng)電場在丹麥Lolland島附近的低水位海域并網(wǎng)運(yùn)行。該風(fēng)電場水深2～4m，安裝11臺450kW風(fēng)電機(jī)組，總?cè)萘繛?.95MW，其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為圖2所示的重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)。隨后，Tunф Knob海上風(fēng)電場（丹麥，1995年）、Middelgrunden海上風(fēng)電場（丹麥，2001年）均采用類似的重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

圖1 海上風(fēng)電機(jī)組重力式基礎(chǔ)的典型結(jié)構(gòu)形式

表1 歐洲海上風(fēng)電機(jī)組重力式基礎(chǔ)應(yīng)用現(xiàn)狀

圖2 淺水海域重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)

Middelgrunden海上風(fēng)電場的海域水深3～5m，安裝20臺2.0MW風(fēng)電機(jī)組，總?cè)萘繛?0MW，是當(dāng)時(shí)世界上規(guī)模最大的海上風(fēng)電場。地質(zhì)勘察顯示海床淺層存在石灰?guī)r，且海域波浪和海流作用較小?；A(chǔ)選型對比發(fā)現(xiàn)，混凝土重力式基礎(chǔ)是最具成本效益的解決方案，基礎(chǔ)典型結(jié)構(gòu)如圖2所示?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)由混凝土底板、圓柱段殼體、抗冰錐和工作平臺組成，基礎(chǔ)頂部與機(jī)組塔筒連接，抗冰錐設(shè)置于海平面附近，形狀為外凸弧線。基礎(chǔ)安裝在經(jīng)過整平的碎石墊層上，整個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)重量為1800t?；A(chǔ)建造在風(fēng)電場附近的干船塢內(nèi)完成，再將首節(jié)機(jī)組塔筒以及電氣設(shè)備先安裝在基礎(chǔ)頂部整體出運(yùn)。由于海域水深較淺，基礎(chǔ)底部離海床面只有10～20cm，選擇波浪較小的海況出運(yùn)，基礎(chǔ)的海上運(yùn)輸和安裝由大型浮吊船來完成。水下碎石墊層鋪設(shè)、夯實(shí)和整平工作由潛水員下水進(jìn)行人工作業(yè)。

二、重力式沉箱基礎(chǔ)

2003年，丹麥Nysted海上風(fēng)電場成為當(dāng)時(shí)世界上最大規(guī)模的海上風(fēng)電項(xiàng)目。該風(fēng)電場離岸10km，海域水深6～10m。由于海床地質(zhì)中存在大量的漂石，單樁基礎(chǔ)方案難以應(yīng)用。同時(shí)，海床淺層存在7.5～12.75m厚的硬粘土層可作為重力式基礎(chǔ)的持力層，最終72臺機(jī)組基礎(chǔ)全部采用重力式基礎(chǔ)。Nysted風(fēng)電場重力式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理念在當(dāng)時(shí)是具有創(chuàng)新性的。為了使重量盡可能小以便于海上運(yùn)輸和安裝，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式為六邊形鋼筋混凝土沉箱結(jié)構(gòu)，主要由3個(gè)部分組成：開敞式沉箱、圓柱段殼體和抗冰錐，沉箱隔艙中裝填砂石填料從而獲得必要的壓載重量，每個(gè)機(jī)位的重力式基礎(chǔ)底高程是根據(jù)機(jī)組荷載和地質(zhì)條件優(yōu)化確定的，如圖3所示?；A(chǔ)在附近港口碼頭的駁船上預(yù)制建造?；A(chǔ)安裝下沉之前，對海床進(jìn)行處理，首先將表面的淤泥和細(xì)砂挖除，開挖深度達(dá)到10m，直到開挖至堅(jiān)硬的土層，然后用專業(yè)的整平船對海床面進(jìn)行整平處理。海上運(yùn)輸采用10000t級甲板駁船進(jìn)行作業(yè)，每次運(yùn)輸4個(gè)重力式基礎(chǔ)至風(fēng)電場海域，并運(yùn)用1500t級浮吊船進(jìn)行基礎(chǔ)安裝下沉作業(yè)，然后對沉箱的6個(gè)隔艙填充卵石和礫石作為壓載物，整個(gè)基礎(chǔ)壓載完成后的總重量約為1800t。Lillgrund海上風(fēng)電場（瑞典，2007年）、Sprog?海上風(fēng)電場（丹麥，2009年）、R?dsand 2海上風(fēng)電場（丹麥，2010年）、Karehamn海上風(fēng)電場（瑞典，2013年）均采用類似圖3所示的重力式沉箱基礎(chǔ)。

深水海域重力式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

一般認(rèn)為重力式基礎(chǔ)適合于水深不超過20m的淺水海域風(fēng)電場，因?yàn)殡S著水深的增加，重力式基礎(chǔ)受到波浪和海流的作用更加顯著，同時(shí)浮力作用占基礎(chǔ)總重量的比例高達(dá)40%以上，會(huì)抵消很大一部分基礎(chǔ)的重量。此外，海上風(fēng)電機(jī)組在塔筒與基礎(chǔ)交界面產(chǎn)生的荷載量級巨大，導(dǎo)致重力式基礎(chǔ)的重量和尺寸急劇增加。深水海域大容量機(jī)組對重力式基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、海床處理和海上運(yùn)輸安裝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)提出了越來越高的要求。

一、重力式預(yù)應(yīng)力殼體基礎(chǔ)

2008年， 比 利 時(shí)Thronton Bank海上風(fēng)電場一期工程安裝6臺5.0MW風(fēng)電機(jī)組，項(xiàng)目海域水深20～28m，海床以下地質(zhì)條件為10m厚的中粗砂?？紤]到北海惡劣的海況條件，設(shè)計(jì)方認(rèn)為應(yīng)盡可能減少基礎(chǔ)建造的海上作業(yè)時(shí)間，Nysted海上風(fēng)電場的開敞式沉箱基礎(chǔ)并不適合這種海況條件。對于深水海域惡劣的海況條件以及大容量風(fēng)電機(jī)組需要承受巨大的風(fēng)力荷載，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)剛度和疲勞問題成為決定性的因素。設(shè)計(jì)方創(chuàng)造性地提出采用后張法預(yù)應(yīng)力技術(shù)建造重力式基礎(chǔ)殼體結(jié)構(gòu)。為保證重量最小化，基礎(chǔ)采用圖4所示的錐形殼體結(jié)構(gòu)。整個(gè)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)由圓柱段、圓錐段和底板組成，其中的圓柱段和圓錐段殼體為后張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，底板為變厚度的混凝土厚板，中間為圓形空心，邊緣向外伸出較長的懸挑，內(nèi)部空腔裝填海水和砂作為壓載，整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的重量達(dá)到3000t，如圖4所示。

將重力式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為上述結(jié)構(gòu)形式具有如下諸多優(yōu)點(diǎn)：

（1）錐形殼體結(jié)構(gòu)能夠提供足夠的空間來保證壓載物重量。

（2）機(jī)組荷載傳遞至基礎(chǔ)底部受力明確，荷載傳遞路徑簡單直接。

（3）結(jié)構(gòu)整體上細(xì)下粗，波浪和海流作用較小，重心較低，有利于提高基礎(chǔ)的整體穩(wěn)定性。

（4）后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度大，能夠較好防止裂縫開展和疲勞破壞。

（5）壓載物填充作業(yè)一次性完成，施工方便，無需多次分倉填充。

Thronton Bank海上風(fēng)電場一期工程所用的重力式基礎(chǔ)是在專門設(shè)計(jì)的碼頭場地上進(jìn)行建造的，每個(gè)機(jī)位的海床挖深大約為7m。為保證基礎(chǔ)重量能夠很好地傳遞至基床以下土體，基床由過濾層和碎石墊層組成，整平后的碎石墊層表面傾斜度小于0.75°。重力式基礎(chǔ)采用夾具固定后用重型浮吊船吊運(yùn)至安裝機(jī)位。達(dá)到預(yù)定位置后，先向基礎(chǔ)空腔內(nèi)注水使之下沉，再向空腔內(nèi)裝填重度為15.8kN/m3的中粗砂。整個(gè)壓載物的裝填體積接近2000m3，裝填完成后整個(gè)基礎(chǔ)的重量達(dá)到7000t?；A(chǔ)防沖刷設(shè)計(jì)由反濾層和拋石防護(hù)層組成，拋石防護(hù)層沿基礎(chǔ)邊緣延伸10m范圍內(nèi)進(jìn)行拋石防護(hù)，如圖5所示。

圖3 淺水海域重力式沉箱基礎(chǔ)

圖4 重力式預(yù)應(yīng)力殼體基礎(chǔ)

圖5 Thronton Bank海上風(fēng)電場重力式基礎(chǔ)的防沖刷設(shè)計(jì)

二、鋼管樁—混凝土沉箱組合基礎(chǔ)

2017年，英國Blyth海上風(fēng)電示范風(fēng)電場規(guī)劃安裝5臺8.0MW風(fēng)電機(jī)組，工程海域水深36～42m。為滿足大容量機(jī)組和深水海域?qū)C(jī)組基礎(chǔ)的嚴(yán)苛要求，建造方首次提出采用“鋼管樁—混凝土沉箱”組合重力式基礎(chǔ)方案；為解決重力式基礎(chǔ)由于重量和尺寸較大導(dǎo)致海上運(yùn)輸和安裝困難的問題，設(shè)計(jì)方采用“浮運(yùn)—下沉”技術(shù)的海上運(yùn)輸安裝方案，這種技術(shù)是首次應(yīng)用于海上風(fēng)電工程。重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要由鋼管樁和混凝土沉箱組成，鋼管樁直徑6.5～7.0m，混凝土沉箱由圓錐段殼體和圓柱段殼體結(jié)構(gòu)組成，直徑30.0m，高度20.0m，圓柱段殼體結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置輻射狀肋板作為支撐結(jié)構(gòu)，沉箱空腔內(nèi)裝填砂和海水作為壓載物，整個(gè)重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)預(yù)制部分重量超過5500t，浮運(yùn)時(shí)吃水深度小于10m，如圖6所示。上述重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式具有以下優(yōu)勢：

（1）采用浮運(yùn)—下沉技術(shù)，無需重型浮吊設(shè)備運(yùn)輸和安裝基礎(chǔ)，海上作業(yè)簡單方便。

（2）專門為30～50m深水海域的大容量機(jī)型定制優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡潔緊湊。

（3）與導(dǎo)管架基礎(chǔ)、大直徑單樁基礎(chǔ)相比，具有成本控制和施工便利的競爭優(yōu)勢。

（4）相比混凝土圓柱殼體，采用鋼管樁結(jié)構(gòu)能夠減小結(jié)構(gòu)重量和浮運(yùn)吃水深度。

（5）鋼管樁頂部可直接與機(jī)組塔筒底法蘭連接，無需過渡段。

Blyth海上風(fēng)電示范風(fēng)電場的5座重力式基礎(chǔ)在干船塢內(nèi)建造，建造完成后向塢內(nèi)注水，然后由拖輪將基礎(chǔ)浮運(yùn)至安裝機(jī)位，最后向沉箱的隔艙內(nèi)填充砂和海水，完成裝填壓載作業(yè)，整個(gè)基礎(chǔ)安裝完成后的總重超過15000t。

海上風(fēng)電機(jī)組重力式基礎(chǔ)應(yīng)用的關(guān)鍵問題

目前海上風(fēng)電正逐步向深水海域大容量機(jī)型方向快速發(fā)展，而我國福建、廣東沿海地區(qū)受臺風(fēng)影響嚴(yán)重，導(dǎo)致機(jī)組極限荷載多受暴風(fēng)工況控制，荷載量級與歐洲海上風(fēng)電場同類機(jī)型相比高出30%以上，對基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。海上風(fēng)電機(jī)組重力式基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)輸安裝設(shè)計(jì)、海床處理設(shè)計(jì)。

圖6 鋼管樁—混凝土沉箱組合基礎(chǔ)

（1）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。根據(jù)已有的結(jié)構(gòu)形式可以判定，重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的最佳形式是帶有空腔的殼體結(jié)構(gòu)與提供重量的壓載物的組合。為保證殼體結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，可采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)或者兩種結(jié)構(gòu)的組合形式?；炷两Y(jié)構(gòu)的整體性較好，節(jié)省鋼材，現(xiàn)場預(yù)制工序較為復(fù)雜，基礎(chǔ)重量較大；鋼結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，基礎(chǔ)重量輕，但鋼結(jié)構(gòu)疲勞和腐蝕問題比較突出，材料成本高；采用鋼管樁—混凝土沉箱組合結(jié)構(gòu)，能夠較好地平衡兩種結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)缺點(diǎn)，但兩種材料連接部位受力復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)可靠的連接方式。

（2）運(yùn)輸安裝。按照目前5.0MW以上大容量海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)，重力式基礎(chǔ)預(yù)制結(jié)構(gòu)部分的重量達(dá)到3000～6000t。目前的運(yùn)輸安裝方式主要根據(jù)重力式基礎(chǔ)的浮運(yùn)穩(wěn)定性分為兩種方式：第一種是由于重力式基礎(chǔ)浮運(yùn)吃水深度較大，海域水深無法滿足條件，或者基礎(chǔ)無法滿足浮運(yùn)穩(wěn)定性，如Thronton Bank 1期的重力式基礎(chǔ)，只能用大型半潛駁船運(yùn)輸至安裝機(jī)位，然后用重型浮吊船輔助重力式基礎(chǔ)下沉至海床面；第二種是重力式基礎(chǔ)的下部尺寸設(shè)計(jì)較大，浮運(yùn)吃水深度小，具有良好的浮運(yùn)穩(wěn)定性，可在海況較好的情況下用拖輪拖航浮運(yùn)至安裝機(jī)位。

（3）海床處理。在將重力式基礎(chǔ)安放就位之前，先要對海床進(jìn)行處理，這個(gè)環(huán)節(jié)也是重力式基礎(chǔ)相比其他基礎(chǔ)形式如單樁、導(dǎo)管架基礎(chǔ)的劣勢所在。海床處理的主要目的是：（a）使得海床淺層土滿足地基承載力的要求；（b）對基床進(jìn)行整平，滿足重力式基礎(chǔ)對基床平整度的要求；（c）擴(kuò)散基礎(chǔ)對地基的應(yīng)力，起到減小地基應(yīng)力和不均勻沉降的作用。針對淺覆蓋層大直徑單樁嵌巖施工困難的問題，若對海床淺層土體進(jìn)行地基加固處理，可大幅提高淺層土體的地基承載力。如此，重力式基礎(chǔ)方案可成為具有競爭力的基礎(chǔ)方案。

本文通過回顧海上風(fēng)電機(jī)組重力式基礎(chǔ)從淺水海域小容量機(jī)型向深水海域大容量機(jī)型發(fā)展過程中的技術(shù)革新，總結(jié)了四種不同結(jié)構(gòu)形式的重力式基礎(chǔ)技術(shù)路徑，對它們的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了論述，得到結(jié)論與建議如下：

（1）海上風(fēng)電機(jī)組重力式基礎(chǔ)的最佳結(jié)構(gòu)形式為高強(qiáng)度殼體結(jié)構(gòu)與提供重量的壓載物的組合體。

（2）重力式基礎(chǔ)的陸上預(yù)制可選擇在附近的干船塢、甲板駁船或者碼頭場地完成。

（3）基礎(chǔ)海上運(yùn)輸安裝分為駁船、浮吊船運(yùn)輸安裝和浮運(yùn)安裝兩種方式，可針對具體海域海況和施工便利性進(jìn)行優(yōu)選。

（4）針對淺覆蓋層大直徑單樁嵌巖施工困難的問題，若對海床淺層土體進(jìn)行地基加固處理，重力式基礎(chǔ)可成為具有競爭力的基礎(chǔ)方案。