海上风电基础特点及中国海域的适用性分析

文 | 上海勘测设计研究院有限公司 黄俊

概况

海上风电作为可再生能源发展的关键方向，我国将其划入战略性新兴产业的重要组成部分。我国第一座海上风电场⸺ 上海东海大桥海上风电场从2010年实现并网发电至今，已经安全运行10年。10年间，风电机组单机容量逐渐增加（从3MW到10MW），建设场址从滩涂到近海，已经开始走向深远海。中国海上风电的大规模开发建设带动了相关产业链发展，反之，产业链的发展又推动着风电技术的不断创新和升级。

中国海域特点

虽然我国拥有的海上风能资源丰富，但是台风、海冰、地震、软土地质、基岩等，也给设计和建设带来巨大难度。可以说，中国海上风电的建设条件最复杂，最具有挑战性。

一、风能资源

我国沿海地区大部分近海海域90m高度的年平均风速在7～8.5m/s之间，适合大规模开发建设海上风电场。特别是台湾海峡，年平均风速基本在7.5～10m/s之间，局部区域的年平均风速可达10m/s以上。然而，我国的福建、广东、台湾地区每年都要经历多场台风，阵风风速可超70m/s，高风速必然对风电机组、基础提出高要求。

二、海洋水文

我国北方海域冬天海面结冰，这除了对结构的材料性能提出更高要求外，海冰长期作用在结构上，还会引起冰激振动，从而降低结构的安全使用寿命。通常，安装于该海域的设施需要设置专用的抗冰措施（图1）。

我国南方海域受台风影响，常伴随着大风大浪，部分海域的最大波高超过20m，不仅极大影响海洋结构物的安全性，同时也影响海上运维工作。

三、工程地质

我国沿海地区地质主要以软土地基为主（以江苏和上海地区为代表）。虽然在该地质条件下建设海上风电项目时，海上施工难度低，但表层土承载能力较差，导致基础结构工程量增加。另外，随着近年福建和广东海上风电的大力开发，业界认识到，该区域除了风能资源好外，也存在台风和大区域的浅覆盖层地质（以福建兴化湾、福建莆田、广东南澳和阳江等海域为代表）。浅覆盖层地质意味着基础桩基需要嵌岩施工（图2），或是必须采用新型的浅基础型式。

综上所述，中国海域的海上风电建设条件远比欧洲复杂。针对中国海上风电场的建设特点，选择合理的基础型式十分重要。

基础特点与运用

基础是海上风电最关键结构之一，合理的基础型式不仅能提升项目收益率，促进施工高效性，同时也能保证项目的安全性和可靠性。当然，基础选型除与建设场址的海域特点密切相关，还应考虑船机设备、单位建造能力。

一、基础型式

基础型式按照受力特点主要分为桩基础、浅基础和柔性基础，主要类型见表1。

在明确风电场的水深和地质条件等基本情况后，便可对风电机组基础进行初步选型，见表2。

二、基础特点与运用

1. 高桩承台基础

该基础由基桩和混凝土承台组成，刚度较大，抗水平荷载性能较好，适用于中等水深且对海床地质条件要求不高的条件。其采用传统的港口工程施工设备和施工工艺、施工难度较小，大多数海上施工单位都有能力施工。

我国第一座海上风电场⸺ 上海东海大桥海上风电场（图3）位于东海大桥东侧的东海海域，工程海域水深9.9～11.9m，以软土地基为主，该项目总装机容量为20.4万千瓦，安装3.0MW和5.0MW风电机组。基于当时的施工设备能力，该场址采用斜高桩承台基础。

福建兴化湾样机试验风电场（图4）工程海域水深约5～16m，以浅覆盖层地质为主，基岩面埋深较浅。项目总装机容量7.74万千瓦，安装7种不同厂家的机型，单机容量在5.0～6.7MW。该场址采用大直径直高桩承台基础。

2. 单桩基础

它为我国海上风电采用的最主要基础型式之一。单桩基础结构相对简单，主要采用大型沉桩设备将一根钢管桩打入海床。在钢管桩上设置靠船设施、钢爬梯及平台等，钢管桩顶部通过灌浆或直接通过法兰连接顶部塔筒。单桩基础一般采用单根直径4.5～9.0m钢管桩定位于海底，承受波流荷载及风电机组荷载。为防止桩周冲刷，沿单桩一定范围内进行防冲刷处理。

三峡新能源大连市庄河III海上风电场（图5）是我国已建的最北海上风电场，平均水深约20m，以软土地基为主，局部机位有基岩和溶洞存在。该项目总装机容量为30万千瓦，安装3.3MW和6.45MW风电机组，该场址主要以单桩基础为主，由于受海冰影响，基础安装抗冰锥结构。

表1 风电机组基础的主要类型

表2 风电机组基础选型建议表

3. 多脚架式基础

多脚架结构根据桩数不同可设计成三脚（图6）、四脚等基础，多根桩通过刚架与中心立柱连接，风电机组塔架连接到立柱上形成一个结构整体，多脚架结构的刚度大于单桩结构，可以通过调整三脚架来保证中心立柱的垂直度。

龙源电力集团在如东潮间带建设的示范风电场，潮间带涨潮时平均水深只有1.5m，风电场共安装了9个国内风电机组生产厂家的16台海上试验机组，单机容量为1.5～3.0MW，总容量3.2万千瓦。该场址以软土地基为主。

4. 导管架基础

该基础借鉴了海洋石油平台的概念，其上部采用桁架式结构，当水深到一定深度后，其刚度较高的特点就能从经济性上反映出来。但导管架结构交叉节点较多，结构建造复杂，结构疲劳敏感性高。

三峡新能源阳西沙扒一期30万千瓦海上风电场（图7），场区水深在27～32m之间，共安装55台单机容量5.5MW的风电机组，该场址表层土为软土地基，埋深一定深度后存在基岩。该场址采用了部分导管架基础。

5. 负压（吸力）筒基础

该基础适用于海床为砂性土或软粘土的浅海域，靠负压进行安装，靠自重及筒侧阻力使基础稳定。基础底部为吸力筒结构，负压筒沉放于海床面后进行抽水和抽气，其对负压筒沉放就位、调平、密封、纠偏等技术要求较高。

三峡新能源响水20万千瓦海上风电项目（图8），场区水深8～12m。共安装37台单机容量为4MW风电机组和18台单机容量为3MW风电机组。该场址以软土地基为主，并在风电场内运用了两台吸力筒试验基础。

6. 重力式基础

重力式基础主要依靠自重来抵抗风荷载和波浪荷载产生的作用力，维持稳定，重力式基础对表层土地基承载力要求较高。该结构可靠，在合适水深条件下，经济性较好。重力式风电机组基础施工所需的设备类似于重力式码头中的沉箱码头，国内有许多企业有着丰富的沉箱式码头施工经验，不存在相关的技术障碍。目前国内海上风电场还没有建设完成的重力式基础，但是相关的研究和试验都在开展。

7. 漂浮式基础

漂浮式基础属于柔性支撑结构（图9），主要包括锚索、锚定地点、浮箱或压载箱。漂浮式基础和锚泊系统的设计在满足性能稳定的同时，必须兼顾整个系统的设计成本。就经济性而言，半潜式基础是利用载重水线面面积通过分布浮力来获得复原力矩，结构简单，而且生产工艺成熟，单位吃水成本较低，经济性较好；张力腿基础看似结构简单，成本较低，但是由于结构产生远大于结构自重的浮力，浮力抵消自重后的剩余浮力与预张力平衡，预张力作用在锚泊系统上，使锚索时刻处于张拉的绷紧状态，将会造成锚泊系统和锚固基础形式设计的复杂性。

国内漂浮式基础大都处于研发阶段，目前中国三峡上海勘测设计研究院有限公司正在开展漂浮式基础的施工图设计，有望2021年实现我国第一台漂浮式样机下海。

小结

海上风电平价时代的即将到来，必将对基础优化设计提出越来越高的要求。基础优化除了基于合理的基础选型外，设计的方法和规范支撑也是关键因素。相信，随着多年来我国在海上风电建设中积累的大量现场资料和经验，必能有效地支撑基础设计，将我国的海上风电建设得更好。