海上风电开发 基础选型先行

本刊策划

26／单桩基础

27／多桩承台基础

28／重力式基础

30／多脚架式基础

31／导管架基础

32／吸力筒基础

33／漂浮式基础

36／海上风电基础特点及中国海域的适用性分析

41／鉴衡认证以匠心精神打磨海上风电基础分析能力

近几年，全球海上风电的规模化开发速度明显加快。欧洲风能协会（WindEurope）公布的数据显示，2019年，欧洲海上风电新增装机容量达到创纪录的362.3万千瓦，较2018年增长19.6%，累计装机容量为2207.2万千瓦。欧洲之外，中国迅速成为新的增长引擎。根据国家能源局统计，2019年，我国新增海上风电装机198万千瓦，累计装机容量达到593万千瓦。

当下，我国海上风电依然处于规模化开发的初期，不仅面临着产业链尚未完全成熟导致的种种风险，也承受着补贴退坡带来的降本压力。在这种情况下，为了保障项目安全、高效地开发与运营，业界必须将各个环节的工作做得更加精细。这其中就包括风电机组基础结构的选型。

基础为风电机组提供至少25年的关键支撑，在遭受风载荷、风电机组运行载荷以及波浪、海流等载荷作用的同时，还经受着海上恶劣环境的严酷考验。同时，在海上风电场的总投资中，基础成本占20%～30%，远高于陆上风电场的同类比重。因此，在深入分析不同海上风电机组基础结构特点，风电场所处海域的地质、风能资源、海洋水文等环境条件的前提下，合理的基础选型，是推动海上风电成本下降、保障风电机组长期安全运行的主要途径之一。

本期“封面故事”聚焦于目前几类主流的海上风电机组基础型式，图文并茂地全面展示各类技术的发展历程、应用现状、技术特点、施工工艺要求、适用条件等，希望能够为业界在开展海上风电机组基础结构选型时提供参考。

单桩基础

单桩基础型式：由钢板卷制而成的焊接钢管组成，塔架直接由基础桩腿支撑或者通过过渡段将两者连接。桩腿插到海床以下，插入的深度取决于实际的环境载荷以及海底的地质条件。

发展历史：单桩基础在海上油气行业中有着数十年的应用历史，是最早被引入海上风电领域的基础型式之一，于1994年建成投产的荷兰Lely海上风电场即采用此类基础型式。

适用条件：水深0～30m的海域。

应用现状：单桩基础是目前海上风电工程中应用最广泛的一种基础型式。在欧洲海域，截至2019年共安装了4258个海上风电单桩基础，所占份额高达81%。

分类：有过渡段单桩、无过渡段单桩。

安装工艺：单桩基础安装的关键在于如何保证沉桩精度。目前典型的安装方式有两类：一类（图1）是，自航式自升安装船在GPS定位设备的指导下精确就位，调整抱桩器；启动自升船吊机吊起钢桩，经过翻桩、立桩、扶正调平后用液压桩锤打桩，沉桩，直至结束。另一类（图2）是，借助起重船和GPS定位安装临时定位平台，起重船吊机吊起钢桩，经过测量定位、插桩调直、沉桩，直至结束。

优势：技术成熟，结构简单，施工简便、快捷，适应性强，经济性好。

劣势：结构刚度小，固有频率低，在水平外力作用下易产生侧向变形；结构安全受海床冲刷影响较大；当沉桩深度范围内存在较为坚硬岩土时，通常需用钻孔工艺将桩基安装至设计标高， 但成本较高。

难点：安装基础后，通常需要进行海床冲刷保护，传统的防冲刷方法有砂被、抛石、仿生草、固化土等，但是目前效果仍不太明显。

代表工程：英国的London Array海上风电场（63万千瓦），丹麦的Horns Rev海上风电场（16万千瓦），德国的EnBW Hohe See海上风电场（49.7万千瓦），中国的三峡新能源江苏大丰海上风电项目（30万千瓦）、粤电湛江外罗海上风电项目（20万千瓦）等。

多桩承台基础

多桩承台基础型式：又称群桩式高桩承台基础，主要由钢筋混凝土承台和一组钢管桩构成。根据地质条件和风电机组荷载量级，可采用不同数量的钢管桩，钢管桩可设计为斜桩或直桩，混凝土承台内预埋与塔架的连接段上部，经法兰与风电机组塔架相连。

发展历史：该基础为中国首创，在应用于风电机组基础之前，是海岸码头和桥墩基础的常见结构，由港口工程基础结构发展而来。

适用条件：主要适用于水深为0～30m的近岸海域。多桩承台基础的桩基一般倾斜布置，一是提升了基础刚度，二是结合群桩可以降低桩身受力，所以，该基础在软土地基海域十分适用。

技术特点：设计中需分析多项复杂荷载作用下基础的受力、变形和承载能力。基础设计时应考虑钢管桩对称布置，桩身倾斜度取值应充分考虑船舶打桩可行性和桩身轴向受力，承台设置高程和厚度应充分考虑波浪力的作用大小和靠泊登台的便利性。用于该基础结构施工船机的设备较多，市场的选择性较大。

施工及安装工艺：设计应充分考虑钢管桩沉桩精度，相邻钢管桩顶间距应充分考虑打桩锤的施工可行性。施工中尽量减少调船和变动打桩架斜度。同一基础的钢管桩，宜打至同一土层，且桩端标高不宜相差太大。当桩端进入不同土层时，各桩沉桩贯入度不宜相差过大。

优势：由于借鉴港口工程结构，施工技术较为成熟，基础防撞性能好，软土地基适应性好。

劣势：传统海上风电机组多桩承台基础普遍使用钢筋混凝土结构，海上施工时间长，程序复杂，对海上施工窗口期要求苛刻，限制了该类风电机组基础的进一步应用。对于深水场址，钢管桩耗钢量显著增加，建设成本明显提高，所以，水深超过30m的海域不建议采用该基础型式。

难点：桩基协同受力优化分析是多桩承台基础设计的关键。基础受到的荷载主要包括风电机组荷载和承台受到的波浪荷载，外部荷载传递到基础桩上主要表现为桩身轴向作用力，如何优化协同受力作用下的桩基工程量至关重要。

代表工程：上海东海大桥100MW 海上风电示范项目是全国首个使用多桩高承台基础的海上风电场，基础设置8根直径1.70m的钢管桩。国电电力浙江舟山海上风电公司普陀6号海上风电场是国内首个使用多桩加高承台基础的近海风电场。

重力式基础

重力式基础型式：是海上风电机组基础结构的主要型式之一，和陆上风电机组常见的重力式扩展基础工作原理相似，主要依靠基础结构及内部压载重量抵抗上部机组和外部环境产生的倾覆力矩和滑动力，使基础和塔架结构保持稳定。

适用条件：适用于水深为0～30m的海域。适合海底地面平整，海床地质承载能力较高的地质，或是岩基海床，且嵌岩桩基工效低的地区，宜采用重力式基础结构，成本上具有明显优势。不适合软地基及冲刷海床。

应用现状：截至2019年，欧洲海域共安装了301个重力式基础结构，所占份额约为5.7%（图 1）。

分类：一般分为重力式扩展基础、重力式沉箱基础、重力式预应力壳体基础、钢管桩―混凝土沉箱组合基础等型式。

施工及安装工艺：混凝土结构的重力式基础体积庞大，混凝土用量多。处于海洋腐蚀环境中的重力式基础，为确保其力学性能指标和耐久性，对表面混凝土裂缝宽度有严格的要求，一般使用预应力混凝土后张法施工工艺。基建主要在干船坞内、平板驳船上或陆上码头进行。在场内运输阶段，可采用“蜈蚣车”移运、轨道台车或高压气囊滑移等方式。在下水阶段，对于重量和体积相对较小的基础，可以通过起重船直接吊装上驳船进行运输；对于体积较大的基础，可采用船舶运输及海上浮运的方式。运输时需综合考虑天气和海况，严格计算窗口期以及船舶横稳性（船舶绕纵向轴横倾时的稳定性）。由于重力式基础直接将其巨大的重量和所受载荷传给地表，所以，需对海床进行处理，包括对基床进行整平，满足重力式基础对基床平整度的要求；扩散基础对地基的应力，起到减小地基应力和不均匀沉降的作用。针对浅覆盖层大直径单桩嵌岩施工困难的问题，若对海床浅层土体进行地基加固处理，可大幅提高浅层土体的地基承载力。安装时，利用定位系统将基础精准定位在目标海床点上；运用大型浮吊和半潜驳船进行基础的吊升和安放；就位后进行压载物填充，将预先准备的碎石填入空腔。

优势：重力式基础通过自身的重量使得风电机组矗立于海面上。相比其他基础型式，重力式基础结构简单，具有良好的稳定性。此外，该基础型式采用陆上预制方式建造，不需要海上打桩作业，现场安装工作量小，节省施工时间和费用。

劣势：重力式基础的结构分析和建造工艺比较复杂，对海床地质条件要求较高，还需要有较深、隐蔽条件较好的预制码头和水域条件。采用大型起重船等安装设备，安装相对复杂。

代表工程：首个采用重力式基础的海上风电项目为1991年丹麦的第一个海上风电场⸺ Vindeby风电场；2008年，比利时的Thronton Bank 海上风电场一期工程应用该基础型式，项目海域水深20～28m；2017年，英国Blyth海上风电场采用“钢管桩―混凝土沉箱”组合重力式基础方案。

多脚架式基础

多脚架式基础型式：根据桩数不同可分为三脚和多脚架式基础。以三脚架式为例，采用标准的三腿支撑结构，由主筒体、3根桩套管和斜杆结构组成，并将3根直径中等的钢管桩以等边三角形均匀地定位在海底，利用钢套管对上部三脚的桁架结构进行支撑，进而形成较为稳定的组合式基础。

适用条件：一般多脚架式基础适用于水深为0～30m的海域。安装时需要采用嵌岩平台。

应用现状：主要应用在欧洲海域。截至2019年，该地区共安装了126个海上风电机组三脚架式基础，所占份额约为2.4%。我国龙源电力集团在江苏如东潮间带试验风电场也使用类似的基础结构。

技术特点：主筒体即三脚架的中心钢管提供风电机组塔架的基本支撑，类似单柱结构，3根等直径的钢管桩一般呈等边三角形均匀布设，三脚架常采用垂直的桩套管与钢管桩连接。撑杆结构承受上部塔架荷载，并将荷载传递给3根钢管桩，预制的三角桁架设置数根水平和斜向撑杆，其分别连接3根桩套管以及主筒体。三角架支撑结构布置的宽度和桩腿插入海底的深度由实际的环境载荷以及海底地质条件来确定。

施工及安装工艺：多脚架在陆上车间预加工，通过船舶直接运到风电场指定位置进行下放安装，再将钢管桩依次插入桩套管内，并用打桩锤将钢管桩沉桩到指定标高。施工过程中可一次性将钢管桩全部插入各个桩套管内，目的是解决多脚架式基础的调平问题。由于海上建设环境条件较差，施工时尽量选择平潮或接近平潮时间段。多脚架式基础的桩套管与钢管桩之间可采用灌注高强化学浆液、充填环氧胶泥，或是焊接等措施进行连接。

优势：该基础结构对船机设备要求不高，成本介于单桩基础和导管架基础之间。结构刚度相对较大，整体稳定性好，不需要海床准备和冲刷防护。

劣势：该基础型式若用于浅水地区，容易与船只发生碰撞。另外，需要进行海上连接等操作，增加了施工难度。

代表工程：德国Alpha Ventus海上风电场中首批机组中的6台应用该基础型式。

导管架基础

导管架基础型式：基础通常有3或4个桩腿，桩腿之间用撑杆相互连接，形成一个有足够强度和稳定性的空间桁架结构。根据钢管桩和导管架结构施工的先后顺序，分为先桩导管架和后桩导管架两种。

发展历史：导管架基础最早出现于欧洲。

适用条件：适用于水深为20～50m的海域。

应用现状：根据欧洲风能协会的统计，截至2019年年底，欧洲安装了468个导管架结构基础，占全部基础数量的8.9%。

技术特点：导管架结构基础是通过钢管桩将导管架结构固定于海底，导管架具有刚性高的特点，从而提高了平台抵抗自然荷载的能力，导管架与钢管桩的连接通过灌浆来实现。

施工及安装工艺：导管架结构基础是一个钢质锥台形空间框架，以钢管为骨棱，在陆上先焊接好，运输到安装点就位。若基础为先桩导管架，则需将钢管桩先沉桩到位，再利用导管架下部的插尖将结构安装到钢管桩上，最后通过灌浆连接。若基础为后桩导管架，则先将导管架安装到指定位置，并将钢管桩从导管架下部的套管打入，最后通过灌浆连接。

优势：导管架结构主要采用小杆件，可降低波浪和水流的荷载作用。由于基础的结构刚度较高，对地质的要求相对较低。另外，虽然船机配备要求较高，但是该基础施工工艺成熟，海上作业工序少，施工关键点不多，综合风险低。

劣势：结构受力相对复杂，导管架节点数量多，疲劳损伤较大，且都要求专门加工，建造及维护成本较高，在一定程度上增加了海上风电的投资成本。

难点：管节点是导管架的薄弱点之一，由于导管架大部分浸于海水中，受海洋环境载荷的作用，很容易产生腐蚀疲劳破坏，所以，节点焊接后需进行探伤检测，如发现夹渣或焊不透，必须刨掉重焊。此外，由于水下灌浆质量较难检测和监测，所以，导管架和钢管桩之间的灌浆连接也是结构的薄弱点之一。

代表工程：英国Beatrice海上风电场、德国Alpha Ventus海上风电场的部分海上风电机组；中国的三峡新能源阳西沙扒海上风电场、广东珠海桂山海上风电场也采用导管架基础。

未来预测：据美国能源调查公司RystadEnergy预测，2020―2025年，欧洲将安装479个导管架结构基础；在全球范围内，这个数字将是1083个。

吸力筒基础

吸力筒基础型式：也称负压筒基础，可为单筒和多筒结构型式。由筒体和外伸段两部分组成，筒体为底部开口、顶部密封的筒型，外伸段可采用钢筋混凝土预应力结构或钢结构。

发展历史：近海吸力锚的概念是20世纪60年代提出的，80年代初才开始在工程中实现，并得到迅速发展。由此自然引伸、提出了吸力式基础平台，即筒型基础平台，并于20世纪90年代在挪威海上油田得到首次工程应用。借鉴海洋工程经验，2014年，世界首个吸力筒结构基础样机应用于BKR01海上风电场，基础高57m，重约850吨，安装4MW风电机组。

适用条件：适用于水深30～60m的海域，软粘土和松散砂土地质。

应用现状：吸力筒基础在海洋工程领域已有近40年的使用历史。自20世纪90年代陆续在国内应用。2010年6月29日，国内道达海上风电研究院采用复合筒型基础作为海上测风塔的基础，成功进行了整体海上安装作业。

技术特点：筒型基础的基本特点之一是它既不像桩式基础需要深土的承载能力，也不像重力式基础那样对表层土的承载能力提出很高的要求。筒型基础的设计和安装是在常见的土质条件下主要依靠对土和筒型基础之间相互作用机理的掌握。

施工及安装工艺：陆地预制，抽气下沉，注水移除。可事先在陆上预制好基础，再拖到安装海域。由于吸力式基础负压下沉深度相对较浅，重点勘察海床浅部地质。当基础寿命超过设计使用寿命时，该基础方便拆除，若通过评估则可进行二次利用。

优势：该基础不需要进行打桩，施工速度快，可有效利用海上作业窗口期，尽可能安装更多的基础。针对深远海域的风电场开发，其在未来还有降低成本的潜力。该基础安装时噪音小，拆除简便。

劣势：对筒体下沉控制要求较高。在负压作用下，筒内外将产生水压差，引进土体渗流，虽然渗流能大大降低下阻力，但是过大的渗流将导致筒内土体产生大变形，形成土塞，甚至有可能使筒内土体液化而发生流动等，从而发生结构倾斜。

难点：综合来看，筒型基础作为海上风电机组基础应用前景很大，但是设计体系还需进一步完善，施工风险还需要进一步把控。

代表工程：丹麦的Frederikshavn海上风电场，中国三峡江苏响水海上风电场。

漂浮式基础

漂浮式基础型式：是漂浮在海面上的平台，利用系泊或锚针在海底进行位置的固定，通过三力的平衡来维持海上风电机组基础结构的稳定性。其中，三力是指自身重力、系缆回复力、结构浮力，并且还能够精准控制海流影响产生的摇晃角度。

发展历史：自20世纪70年代，美国马萨诸塞大学的Heronemus教授提出了世界上第一个漂浮式风电机组的概念以来，漂浮式风电机组经历40多年的发展，从概念研发到样机实验，现在已经走向了实际应用。荷兰的Blue H Technologies公司在2008年夏，用离岸油井的技术开发出世界第一台漂浮式风电机组，安装在意大利南部Puglia外海的风电场。世界上第二台单桩漂浮式基础海上风电机组在2009年挪威Karmoy海域安装完成，命名为Hywind。

应用现状：目前，全球已有9个漂浮式风电机组样机或商业化风电场运行。6个位于欧洲：挪威、葡萄牙、瑞典、英国、西班牙、法国各1个；3个位于日本。由PPI公司开发的Windfloat半潜式漂浮基础，由Ideol公司开发的阻尼池驳船式漂浮基础，也是即将应用于小规模商业化的项目。

适用条件：适用于水深大于50m的水域。漂浮式风电机组开发成本较固定式昂贵，但受海洋地形的限制，在欧洲、日本、韩国、中国台湾、美国夏威夷等处由于近岸无浅水区，海上风电不得不采用漂浮式风电机组，中国沿海某些海域由于地质不适宜打桩施工，亦不得不考虑使用漂浮式风电机组。因此，开发适用于更深海域的漂浮式海上风电技术是未来的必然趋势。

优势：漂浮式基础结构机动性好、易拆卸，服役期满可进行回收再利用。

难点：漂浮式基础的主要挑战在于如何维持基础稳定性、限制基础位移、高效的锚链系统，以及降低设计、安装、维护成本。此外，相较于固定式基础，漂浮式基础的设计难度甚大而尚未成熟，仍处在快速发展变化的阶段。

分类：漂浮式海上风电基础主要有四类，张力腿式（TLP）、立柱式（Spar）、驳船式（Barge）、半潜式（Semi)。其中，根据锚链的受力状态，又可将张力腿归为张紧式基础，后三种归为悬链式基础。其中立柱式、半潜式漂浮式基础技术最为成熟，应用最为广泛。

张力腿式（TLP）基础

张力腿式基础是一种垂直系泊的顺应式漂浮式基础结构。通常张力腿式基础由悬浮的矩形水平浮筒和圆柱体结构组成，通过刚度较大的张力腿直接连接至海底锚固结构。由于预张紧的锚泊系统作用，使得张力腿式基础的运动近乎刚性运动，保证了非常好的稳定性。

从理论上说，张力腿式基础所承受锚泊系统的预张紧力越大，越能够实现平台的平稳。但在设计基础时，要综合考虑各种规范和工程需求，来实现对预张紧力的确定。同时，由于高频振动对漂浮式风电机组的性能影响比较大，在基础设计时，要避开环境中与漂浮式基础重合的固有周期。

适用条件：张力腿式基础设计及施工工艺成熟，适用于对风电机组运动性能要求较低的工程。

优点：风电机组适应性好、结构自重轻。

缺点：筋腱承受载荷较大，张力系泊系统安装工艺复杂、费用高。

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

立柱式（Spar）基础

立柱式基础主体是一个大型的圆柱，其作用是支撑塔架和机舱以及系泊缆绳的重量，通过底部压载使得漂浮式基础的浮心高于重心，进而提高漂浮式平台的平稳性。漂浮式基础底部包括定压载舱和临时浮舱两部分。其中，定压载舱提供漂浮式基础较大一部分压载，产生较大的复原力臂以及惯性阻力，达到减小平台横摇和纵摇运动的目的，保证平台的稳定。临时浮舱的作用是在浮体结构运达至指定海域后，将压载水注入临时浮舱，从而使漂浮式基础自行扶正竖立。

通常情况下，立柱式基础的吃水深度要大于等于轮毂和海平面之间的平均距离，才能达到稳定性要求。立柱式基础的锚泊定位系统通常采用张紧式或悬链式的钢缆或合成纤维等。

适用条件：水深较深的海域。

优点：结构简单、垂向波浪激励力小、稳定性优异。

缺点：立柱长度过大导致制造、安装及运维难度大。

代表工程：Hywind （由Statoil公司开发）、Sway （由Sway公司开发）、Advanced Spar （由Japan Marine United公司开发）等。

驳船式（Barge）基础

驳船式基础以较大水线面面积提供复原力矩，因而吃水较小，稳定性较好，是比较适合浅水的一种平台类型，且施工安装方便。但是这种设计导致平台所受波浪力大，在大风浪海域中的横摇和纵摇运动中响应剧烈，适合平静海域。虽然一些驳船平台使用阻尼池设计以期减少波浪载荷，但是实际工作中并没达到显著效果。

适用条件：适合平静或波浪较小的海域。

优点：吃水小，水深适应性好；在岸上装配；施工安装方便，只需使用常规的拖船。

缺点：运动幅度小。

代表工程：日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）与日立造船共同制造了新一代海上风力发电系统的驳船式基础，并选择距离福冈县北九州市白岛海域的北九州港响滩地区约15km远处进行实证。

表1 现有漂浮式基础项目

半潜式（Semi）基础

半潜式基础通常由有斜撑管连接的多个大型浮筒构件组成。风电机组可以安装在任意一个浮筒上，利用浮筒非常大的水线面面积来保证整机的稳定性。浮筒内部的压舱来调节风电机组整体的重心和稳定性。

适用条件：适用水深范围广。

优点：安装方便，运维方便，稳定性较好，并且运行可靠。

缺点：结构庞大、复杂。

代表工程：WindFloat（由Principle Power公司开发）、Damping Pool （由 Ideol公司开发）、SeaReed （由DCNS公司开发）。