某近海风电场风机基础结构选型分析

顾明

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 上海 200092）

我国近海风能资源丰富，预计可达陆地风能资源的3倍。大力发展风电尤其是近海风电，对于改善我国现有的能源结构，实现资源与环境的可持续发展具有非常重要的意义。地基基础是风电机组设计的重要内容。近海风电机组由于体型巨大，且长期承受风、浪、波流等各种复杂荷载的作用，因此对基础的各方面性能提出了更高的要求。

本文结合某近海风电场项目，就风机方案设计阶段基础的选型问题展开讨论，通过结构计算和对比分析以给出风机基础的合适方案。

1 项目背景

1.1 场地概况

某海上风电场位于离岸约35km的近海海域，初步选定单机容量为3.0MW的风力发电机组，转轮直径103.9m，轮毂高度90m。风电场所在场地海底地势较为平坦，水深平均在19m左右。根据探勘土层情况结合区域地质资料，表层以淤泥质粉质粘土、粉土、粉质粘土为主。

1.2 设计荷载

风机基础设计考虑的荷载主要包括自重、风机荷载、波浪力、水流力、风荷载、地震荷载、撞击荷载等。其中上部风机承受风荷载作用传递至塔筒底的荷载，即为基础结构设计的风机荷载，一般可由风机厂家的资料取最不利工况计算得到。

风机基础设计考虑施工工况、正常运行工况、极端工况、地震工况等荷载组合工况，同时考虑正常使用极限状态和承载力极限状态。

1.3 计算原则

海上风机基础结构的设计计算通常按三种状态进行：

（1）极端工况下的极限状态设计，考虑基础承受最大风机荷载和相应波浪荷载情况下的结构计算。

（2）疲劳工况下的极限状态设计，主要考虑基础在整个服役期内承受风、波浪等循环荷载作用下产生的疲劳破坏。

（3）系统自振特性计算，即进行风机-塔架-基础-地基整个系统的模态计算，分析结构体系的自振特性，以避免产生共振破坏。

风机基础设计在方案比选阶段一般主要进行极端工况下的极限状态计算，在方案确定后进行深化设计时，再进行疲劳极限状态和系统自振特性等计算。海上风机基础长期承受上部塔架传来的各向荷载，以及波浪力和海流力等，这些荷载均具有较明显的动力和循环特性；而基础在上述荷载作用下的水平变形通常较大，地基土也容易产生塑性变形。因此，为了更好地反映海上风机基础的循环受荷和大变形的特性，本工程桩基的水平受荷计算均采用p-y曲线法。

1.4 基础水平变形设计标准

考虑风机正常安全运行的要求以及高耸结构对水平变形的要求，并结合国内外相关工程的经验，拟定本工程在正常服役状态下的桩基泥面处水平变形不大于25mm。此外，根据风机厂家提供的数据，本工程所选3.0MW机型的基础水平变形控制标准为：水平刚度不小于2.0×107N/m。

2 方案设计及比选

海上风机基础的结构设计需要考虑海床的地质构造、离岸距离、海上风浪的载荷特性以及海流、冰等的影响。就目前国内外发展情况看，海上风机基础按结构型式可分为重力固定式、单桩基础、支柱式基础、浮置式基础、高桩承台群桩基础以及桶形基础等。

图1 海上风机基础的常见型式

本工程风电场场址离岸距离约36km，平均水深19m左右，风电场浅表层土主要为淤泥质粉质粘土、粉土、粉质粘土，分别属于高压缩性土层、中等偏高压缩性土层，天然地基承载力较低。由于水深较深，若采用重力式基础则会导致基础体积过大，运输施工困难，工程造价不经济；另一方面，海床面浅表层土在波浪、潮流作用下，容易因地基承载力不足以及冲刷影响使基础产生不均匀沉降乃至失稳，因此本工程不宜采用重力式基础。桶形基础和浮置式基础具有良好的应用前景，然而目前仍处于理论研究与试验阶段，尚未大规模投入使用，设计及施工经验不足，因而一般也不考虑选用。以下主要就单桩基础，支柱式基础（包括三角架和四角架组合式基础）和高桩承台基础进行计算分析。

2.1 单根钢管桩基础

本海域水深一般为19～20m，海床上部土层为高压缩性的淤泥或淤泥质土，地基刚度较小。因此建议首先对海床地基进行加固处理，本方案分析时暂不考虑地基处理的影响。根据目前已建近海风电场基础设计经验，本工程拟定单桩基础的结构型式为：单根直径4.2m钢管桩，平均桩长70m，壁厚50mm，入土深度为41m，桩尖进入粉质粘土与粉砂层。

计算结果表明，直径4.2m，壁厚50mm的单根钢管桩方案可以满足风机正常运行工况下的基础承载力及结构强度要求，但其平台水平刚度仅1.1×107N/m，达不到工程经验规定的刚度要求。在极限工况下，桩顶水平位移过大，可能对风机的安全运行产生很不利的影响。另一方面，如继续加大桩径，目前国内大直径钢管桩海上施工一定程度仍受施工工艺及设备的限制。因此本工程不建议采用单根钢管桩的基础方案。

2.2 三角架组合式基础

三角架组合式基础即三桩导管架基础，主要在海上石油平台、灯塔等建设中得到广泛的应用。三角架组合式基础的具体结构型式为：三根钢管桩按等边三角形布设于海底，桩顶通过套管连接上部三角桁架，从而构成组合式基础。

拟定的三角架组合式基础方案为：三根钢管桩呈等边三角形布置，外接圆直径27m。钢管桩直径2.2m，壁厚26mm，桩长为70m，入土深度64m。施工时先将预制导管架定位、沉放、初步调平之后，再将三根钢管桩穿过钢管套打入到海床中。三角架组合式基础一般在外围设置有独立的防撞和靠船桩，故结构计算时一般无需再考虑撞击荷载。

经过计算，分别考虑最不利荷载的作用方向，桩顶的最大压力和最大上拔力分别为5590kN和2640kN，小于相应的单桩竖向承载力，满足要求。采用p-y曲线法进行水平变形的计算，得到桩基在泥面处的最大水平位移为26.1mm，桩基水平刚度为9.3×107N/m，满足要求。

2.3 四角架组合式基础

四角架组合式基础方案与三角架方案类似：四根钢管桩定位于海底，桩顶通过套管连接上部四角架结构，构成组合式基础。结构计算参数：钢管桩直径1.8m，壁厚24mm，桩长70m，入土深度64m。

分别考虑最不利荷载作用方向情况下，桩顶的最大压力和最大上拔力分别为6040kN和1830kN，小于相应的单桩竖向承载力，满足要求。采用p-y曲线法进行结构水平变形的计算，得到桩基泥面处最大水平位移为25.1mm，桩基水平刚度为8.4×107N/m，满足要求。

2.4 高桩承台群桩基础

高桩承台群桩基础为港口工程常见的结构，由桩基和承台组成，承台一般为现浇混凝土。本方案拟采用采用10根直径2.0m、壁厚26mm的80m长钢管桩作为基础，在承台底面沿半径6m圆周均匀布置，基桩斜度5：1。设计承台底标高位于设计高潮位与设计低潮位之间，基桩入土深度为54m。

采用p-y曲线法对本方案进行了极限荷载工况下桩基水平承载力计算，计算结果表明，本方案的各项设计指标均可以满足设计要求。桩基的最大压力和最大上拔力分别为5120kN和3550kN，均小于相应的单桩竖向抗压或抗拔承载力，满足要求。桩基泥面处最大水平位移为16.8mm，桩基水平刚度为5.7×107N/m，满足要求。

高桩承台群桩基础一般不另设防撞系统，因此需要进行撞击工况下的结构验算。本工程按偶然工况计算船舶撞击力，假定船舶重200吨，撞击速度3m/s，撞击力按《铁路桥涵设计基本规范》公式计算，波浪力按最大波高计算，水流力按涨潮流速计算。经过计算得到单桩最大压力为3126.1kN，小于抗压承载力9865kN，单桩最大抗拔力为2602.8kN，小于抗拔承载力4099kN，满足结构设计要求。

2.5 方案比选

理论上讲，单桩基础，支柱式基础（包括三角架组合式基础和四角架组合式基础），高桩承台基础在本工程中都可以采用。然而结合计算结果以及国内目前的实际施工水平，各种方案在技术经济指标方面存在差异。

单桩方案在采用4.2m大直径钢管桩的条件下基础水平刚度仍然较小，不能满足上部风机安全运行的要求。同时考虑到国内目前的施工水平，在海上进行如此大直径桩施工的设备条件有限，实际经验也相对比较欠缺。因此从确保工程质量和安全的角度出发，本工程不建议采用单根钢管桩的基础型式。

三角架及四角架组合式基础由于采用预制钢结构的型式，其基础主要的构件大部分可在陆上拼装完成，海上施工工作量相对较小，对缩短工期较为有利。但是该种型式的基础对施工过程中的稳定性控制及精度要求比较高。此外，由于这两种方案的基础防撞能力偏低，一般需额外设置单独的防撞系统，从而又增加了工程量和造价。

高桩承台群桩基础的施工工艺最为成熟，但是其主要的施工工作量均在海上现场完成，因为施工周期较长，同时受场地制约的影响也较多。该方案整体刚度较大，防撞能力也相对较强。

鉴于目前国内海上混凝土施工工艺相对比较成熟，因此采用高桩承台群桩基础方案具有较好的可行性和可靠性，工程风险较低。另一方面，国内海洋石油工程领域在石油平台导管架施工方面经验成熟，故三角架和四角架基础方案也可在本工程中采用。高桩承台群桩基础刚度较大，不需考虑设置独立的防撞桩；而三角架或四角架基础方案防撞能力偏低，需在外围另设防撞桩，因此两者各有优劣。相比三角架方案，四角架组合式基础性能相近但造价偏高，因此经对比后可不作考虑。

综上所述，本工程风机基础将高桩承台群桩列为第一推荐方案，将三角架组合式基础作为第二推荐方案。

3 结语

海上风机基础的造价是风电场总造价的重要部分，选择经济合适的基础型式会大大降低风电场的建设成本。本文结合某近海风电场风机基础的实例，从结构安全、施工难度、工程量等角度分析了单桩基础、三角架组合式基础、四角架组合式基础和高桩承台群桩基础等不同基础型式的适用性。本文的计算过程和讨论结果可为其它类似工程风机基础的选型设计提供参考。

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