风电机组基础结构形式及计算方法

邓友生，李卫超, 王 倩, 彭程谱, 刘俊聪

(1.西安交通工程学院土木工程学院, 710300; 2.西安科技大学桩承结构研究中心，西安 710054;3.同济大学土木工程学院，上海 200092)

2015年12月12日，联合国气候变化大会在巴黎达成了具有里程碑意义的《巴黎协定》，该协定的签署将进一步推动可再生能源的发展[1]。风能作为重要的可再生能源之一，因其清洁环保、储量丰富、分布广泛等优点，自20世纪70年代开始受到大量关注。1980年，英国在Hampshire修建了世界上第一座风电场[2]，随后几十年，全球超过80个国家修建了大量陆地风电场。1990年，瑞典在Nogersund建造了全球第一座海上风电场，将风能的利用从陆地延伸到了近海区域[3]。与陆地风机相比，海上风机虽然其结构更加复杂且安装维护成本更高，但具有优势：风速更大且更加稳定、便于大型风机运输及大型风电场建设、减低噪声及视野影响、低风切变、与沿海经济发达地区的距离近而输电成本低[4]。故海上风电场的建设展示出更大的发展潜力。

根据全球风能理事会(GWEC)发布的2015年度全球风电发展报告[5]，2015年，全球风电新增装机容量达到63.467 GW，占新增可再生能源的45%。截至2015年年底，全球风电总装机容量为432.883 GW，其中海上风电装机容量为12.107 GW。图1为全球风电2000—2015年累计装机容量变化图。从图1可以发现，最近十年全球风电产业发展速度非常迅猛。

图1 2000—2015年全球风电装机容量

利用风能发电是通过风力发电机组完成。风电机组主要由叶片、轮毂、机舱(发电机)、塔架和基础等部分组成。塔架以下部分为风机基础结构，陆地风机基础主要承担由塔架传递而来的风轮荷载；而海上风机基础不仅受到风轮荷载，还会经受环境荷载(如波浪荷载、潮汐荷载、海流荷载、冰荷载、船舶荷载等)的作用。由于风向的随机性且主要以水平力作用于风机，加之风荷载、波浪荷载、潮汐荷载等都具有重复加载的特征，因而风机基础受力状态十分复杂。对于海上风电机组而言，因其在盐雾、海水、干湿交替的环境中，风机结构还面临着比较严重的防腐蚀、耐久性问题[6]。故海上风机基础工作环境更加复杂。此外，就建造成本而言，陆地风机基础投资大约占风电场总投资的3%～4%[7]，而海上风电基础成本可以占到总投资的15%～40%[8]。因此，对风电机组基础进行深入研究具有社会综合效益。

1 风电机组基础结构形式

目前，全球陆地风机装机容量约占总装机容量的97%，近年来海上风机发展也较为迅速。陆地风机基础以扩展基础、桩基础和岩石锚杆基础为主[9-10]，海上风机基础主要为重力式、单桩或多桩式、吸力筒式、三脚架(多脚架)式、导管架式、漂浮式等结构[8, 11]。

1.1 陆地风机基础

1.1.1 扩展基础

陆地风机扩展基础主要有重力式和梁板式两种结构形式。目前大多数陆地风机都采用重力式扩展基础作为塔架支撑结构，其通过基础环或螺栓将塔架荷载传递到地基，重力式基础结构如图2(a)所示。重力式基础形状以圆形和正方形为主，此外还有正六边形、正八边形等形状。重力式基础具有适用范围广、结构简单、施工方便、成本低等优点。但随着风电场向山地、高原、台风地区等风能资源更优区域发展，大容量风机逐渐成为主流，基础尺寸不断增大，导致混凝土和钢筋用量随之增加[12]。为此，梁板式基础得以应用[13-14], 如图2(b)所示。以1.5 MW风机为例，采用梁板式风机基础比重力式基础可节约造价35%[10]。

图2 陆地风机扩展基础

1.1.2 桩基础

无张力灌注桩(Patrick & Henderson，P & H)作为一种新型风机基础，由两层波纹钢管组成[17]，如图3所示。通过对高强螺杆施加后张预应力，利用预应力将混凝土与风机塔架连接。P & H桩利用管壁周围的土体抵御水平力和倾覆力矩，从而减少桩端受力。P & H桩主要用于土质地基场地，但在以岩质地基为主的场地其应用会受到限制。最近，梁板式桩筏基础[18-19]也被作为风机基础，这类基础具有在不明显降低筏板刚度的前提下节省材料。

图3 P & H无张力灌注桩[20]

1.1.3 岩石锚杆基础

如果基底有完整程度较好的基岩，采用岩石锚杆(索)基础，可明显减小基础尺寸，具有较好的经济性。同时，岩石锚杆基础可利用岩体自身的强度提供良好的抗拔性，故广泛应用于山区风机基础[20]。

1.2 海上风机基础

目前，欧洲国家海上风电装机容量占全球约91%，基本可以代表全球海上风电的发展现状。根据欧洲风能协会(EWEA)的统计[21]，欧洲已并网海上风电场采用的风机基础主要包括单桩基础、重力式基础、导管架、三脚架基础、多桩基础、漂浮式基础及其他形式基础。截至2015年，欧洲国家海上风机基础不同类型占比如图4所示。从图4可以看到，海上风机主要采用单桩基础，其次为重力式基础和导管架基础。

图4 欧洲国家海上风机基础类型

1.2.1 重力式基础

海上风机重力式基础主要适用于水深4～15 m的浅海区域，并且需要建造在地基承载力足够大的场地，如图5所示。这种重力式基础最大的优势在于其建造成本较低，但因其体积和质量比较大，在海上运输、安装难度较大且工期较长。王尔贝[22]提出了一种新型锚杆重力式基础的概念，借助锚杆对基础施加预应力，增加基础稳定性，相应地减小基础的尺寸和质量，从而降低了施工和运输难度。

图5 海上风机重力式基础

1.2.2 单桩基础

海上风机桩基础通常直径在3～7 m，主要适用于水深不超过30 m且海床浅层土体较好的场地[23]。单桩基础为目前应用最广泛的海上风机基础形式，如图6(a)所示。单桩基础运输安装方便且施工速度更快。李炜等[24]研发出一种加翼单桩，如图6(b)所示，可以有效减小水平位移、桩身弯矩，并提高单桩水平承载力。Byrne等[25]介绍了螺旋桩用于海上风机基础的可能性，螺旋桩具有更好的抗拔性能及便于装拆，如图6(c)所示。

图6 海上风机单桩基础

1.2.3 多桩基础

多桩基础主要包括三桩基础、多桩承台基础[26-27]，如图7所示。三桩基础可以采用比单桩基础更小的桩径，并且结构整体刚度更大，可用于水深20～40 m的场地。海上多桩承台基础与陆地类似，技术较成熟，但在海上进行斜桩作业难度比陆地更大，并且承台尺寸较大易受到潮汐、波浪的作用。

图7 海上多桩基础

1.2.4 吸力基础

吸力基础是通过自身质量和对筒内施加的负压作用下沉至预定深度的一种基础，有单筒式和多筒脚架式，如图8、图9所示[28]。多筒脚架式能够承受更大的水平力和弯矩。丁红岩等[29]提出了一种新型桩筒组合基础，通过合理减小桩长、桩壁厚等途径可以提高基础结构的承载性能。李大勇等[30]提出一种新型裙式吸力基础，能提高基础水平承载力，有效限制侧向位移。刘金龙等[31]提出了一种分段斜壁桶形基础。

βi为第i段斜壁与竖直方向的直角

1.2.5 脚架基础

三脚架基础是一种相对轻质的三脚钢管架基础结构，由中心钢管柱、支撑钢管及桩套管组成，如图10所示[32-34]。三脚架下部可通常采用桩基础来承担上部荷载，也可采用如图8所示的吸力筒代替桩。三脚架基础具有较好的稳定性和结构刚度，适用于50 m水深范围内的场地。此外，还有四脚架、不对称三脚架等多脚架基础形式[33]。

图10 脚架基础

1.2.6 导管架基础

导管架基础是一种常见的海上石油平台结构形式，后来应用于风电场建设中,如图11所示。导管架基础可用于位于水深30～50 m海上风机的支撑结构，相比其他基础形式，在建造水深超过30 m的大容量风机时具有较高的经济性[35]。美国Keystone公司[36]研发出了一种新型扭曲导管架基础，相比传统导管架具有更易安装、部件更少、成本更低等优点。

图11 导管架基础

1.2.7 漂浮式基础

随着风电场不断由近海区域向深海区域发展，以上介绍的固定式基础结构不能满足设计要求或建造成本大幅度提高。相比而言，漂浮式基础在深海区域具有更低的建造成本和更简便的安装流程，同时还利于拆除，因而近年来开始引起中外的广泛关注。目前，主流的漂浮式基础有三类，分别为张力腿式(TLP)、半潜式和Spar基础。

张力腿式基础主要由浮体结构、钢索和锚固端构成。该类基础具有良好的稳定性，但安装过程非常困难。Spar基础由一个圆柱体浮仓、下部压仓材料以及悬链线状锚泊线组成。半潜式基础与Spar基础结构类似，由3～4个浮仓、连接支架以及悬链线状锚泊线构成，但半潜式基础在波浪作用下的浮沉位移比Spar基础更小。图12为海上基础结构形式及适用水深[37]。

图12 海上风机基础形式及适用水深[37]

2 风电基础的计算方法

由于风机基础受力特点和工作环境不同于普通建筑基础，目前针对风机基础结构的相关问题研究主要可归纳为荷载工况问题、结构静力学问题、结构动力学问题、结构冲刷及腐蚀问题等。

2.1 荷载工况分析

荷载计算是风机基础结构设计的重要组成部分，风机基础结构主要受到两类荷载，即风机荷载和环境荷载。风机荷载是指风电机组在运行、故障、停机和运输等多种可能工况下产生的荷载。环境荷载则是指直接作用在风机基础上的所有外部荷载，其中陆地风机基础主要可能经受地震作用。海上风机基础由于所处环境更复杂，其受到的环境荷载包括海流力、波浪力、冰荷载、基础风荷载、船舶荷载及地震作用等。

目前风机荷载通常由风机厂家提供，再根据荷载数据进行基础结构设计。风机荷载包括叶轮上的静风压引起的荷载、湍流和尾流引起的荷载、风力发电机偏转引起的荷载和风力发电机组的重力荷载等[38]。从荷载和安全角度出发，风机荷载可分为正常运行工况荷载、极端工况荷载。

环境荷载主要针对海上风电机组基础。波浪力和海流力是海上风机基础受到的主要环境荷载。王其标等[39]采用流函数波浪理论分析了近海风电机组桩基础在不同水深情况下的水平向受力性能。将Morison方程与往复循环荷载下水平受荷桩某一深度土体的抗力P与该点桩的挠度y之间的P-y曲线法结合来分析风机桩基础的受力与变形。研究发现，水深对桩基础的受力影响很大，相对剪力和相对弯矩均是浅水最大，过渡水深次之，深水最小。Morison方程只考虑了波浪作用，而没有考虑海流与波浪的耦合作用。戴国亮等[40]分析比较了线性波浪理论和不同阶数Stokes非线性理论下波长与水深、波高的关系，并利用改进的Morison方程研究了潮流对直桩和斜桩上波浪力的影响。刘烨等[41]总结了桩基承台结构的波流力研究进展，并指出目前分析群桩上波流力有两种方法：一是利用Morison方程和实测波流力求得群桩中各组成桩的水动力系数与参数间的相关关系；二是以单桩受力为基础，求得群桩中各组成桩受力与单桩受力相比的系数，即所谓群桩效应系数与各相关参数间的关系，再把同一瞬时作用在单桩上的波流力乘以相应的群桩系数再相加来得到作用于整个桩群上的总波流力。管宁[42]建立了一种三维数值波浪水槽和波流水槽，并研究了波流荷载对海上风机基础结构的作用。刘珍等[43]采用高阶边界元法建立风-浪-流与任意形状结构物相互作用的时域数学模型，对张力腿基础机构在波流耦合作用下的运动响应进行了研究。

若风机建造在冬季结冰的海域，则应当考虑风机基础会受到冰荷载作用。周旋[44]对冰荷载计算方法、冰激振动研究、冰振疲劳分析和抗冰结构设计相关问题进行了介绍，明确了海上风机基础设计中开展冰荷载研究的必要性；推荐了结构静冰荷载和动冰荷载计算采用的规范，并指出安装锥体是冰区海上风机基础的有效抗冰措施。Shi等[45]采用数值方法建立了Aero-Hydro-Servo-Elastic时域模型，研究了冰破碎过程中单桩型风机受力的变化规律。结果显示，冰厚度对风机响应影响较大，而冰移动速度的影响很小。

船舶偶然撞击海上风机基础会造成较大的损害。由于撞击过程中会产生高度非线性的瞬态响应，而又不便于开展试验研究，因而对船舶撞击作用的研究主要采用数值分析方法。程晔等[46]采用有限元发研究了海上风机斜桩基础在船舶撞击作用下的动力响应。Lee等[47]采用ANSYS软件建立船舶撞击三脚架基础的三维有限元模型，研究了不同船舶撞击条件对橡胶挡板的动力响应的影响，进而指导风机基础的防撞设计。郝二通等[48]提出单桩基础面积受损率来描述风机被撞后结构的受损程度，可为海上风机桩基础采取防护措施提供依据。Sourne等[49]研究了船舶撞击对导管架基础的影响。

不论陆地还是海上风机基础，都可能受到地震作用的影响。目前关于地震作用对风机基础影响的研究主要通过离心机试验和数值模型分析进行。Yu等[50]通过离心机试验，研究了地震作用下地基沉降及三脚桩基础的结构稳定性，并与单桩基础的结果进行了对比。试验发现三脚桩基础在抗震性能方面更优。田树刚等[51]建立了三维动力有限元模型了，考虑了水-土-结构耦合相互作用，分析了海上风电单桩基础的地震响应规律。

2.2 基础结构静力计算

根据风机基础荷载特点，可以将基础结构响应分为两大类问题，即静力学问题和动力学问题。风机基础结构静力计算主要包括基础结构在静载作用下的承载力分析、受力变形分析、强度与稳定性分析等。

在风机基础承载力分析方面，Lang等[52]采用数值分析方法，研究了不同群桩形式高桩承台的竖向承载力、水平承载力以及抗弯承载力，结果发现垂直桩与斜桩的组合可以增大群桩基础的承载力。李炜等[53]通过常重力模型试验，研究了加翼单桩的水平承载力和变形，检验了加翼对提高单桩承载性能的效果。朱斌等[54]基于模型试验，提出了单筒和多筒基础的倾覆弯矩承载力分析方法，研究了吸力筒式基础的整体抗倾覆性能。Li等[55]通过现场大比尺单桩试验，分别针对桩基嵌固比(嵌固深度与外径之比)、基于静力触探的P-y模型、美国石油学会(API)规范推荐度P-y模型[式(1)]及长期风浪作用下桩基累积变形与内力发展开展了较为系统的研究，给出了基于原位静力触探或当前API规范的超大直径静载设计方法，并在此基础上，结合随机循环荷载作用下的累积变形模型，提出了应用于海洋风机的超大直径单桩基础的系统分析设计框架。

(1)

式(1)中：A为极限抗力修正系数;Put为地基土水平向极限抗力的理论值;ki为地基初始刚度。

Barari等[56]通过现场模型试验和数值分析，对黏土中吸力筒基础的竖向承载力进行了系统研究。风机基础由于受到水平荷载和弯矩较大，对于桩基础等形式的风机基础就会产生较大的水平向变形。目前，桩基础水平变形预测通常采用Matlock法、P-y曲线法以及数值分析。Li等[57]、Yang等[58]通过现场原位试验及数值模拟指出，当前API规范推荐的砂土中P-y曲线在桩基荷载变形较小时高估桩基承载力，而在变形较大时，低估桩基承载力。龚维明等[59]同样得到P-y曲线法计算桩水平位移偏大，Sorensen等[60]基于桩径、埋深和内摩擦角的修正P-y曲线则与实测曲线接近。在静力设计方法的基础上，Li等[61]推荐了考虑风浪随机荷载作用的超大直径单桩基础累积变形预测模型，以幂函数模型计算式为

yN,A+B=y1,A(NA+NB,eq.A)αA

(2)

式(2)中：yN,A+B为随机循环荷载之后的变形；y1,A为第一个循环时桩基变形；NA为循环荷载特征为A的循环次数；NB.eq.A为NB次循环荷载特征为B的循环荷载导致的变形在以特征为A的循环加载时需要的次数。

在风机基础结构强度和稳定分析方面，唐友刚等[62]利用SESAM软件包建立了数值模型，对半潜式风电浮式基础进行了整体结构强度分析。杨光[63]利用有限元计算得到了极限荷载，对风机基础结构强度进行了验算。

2.3 基础结构动力计算

风机承受的风荷载可以分为平均风和脉动风。平均风可视为静载，而脉动风具有随机波动特性，应作为动荷载处理。那么，风机荷载也就具有动态随机荷载特征。而海上风机基础还会受到波浪、海流、潮汐等不规律荷载，其结构会在这些荷载共同作用下产生的动态响应。在动荷载长期作用下，风机基础还会出现疲劳损伤问题，影响其使用寿命。

对风机基础的动力计算主要包括模态分析、疲劳分析等。

在进行风机基础设计时应尽量避免与风机结构发生共振，这时就需要对风机基础结构进行模态分析。研究发现，海上风机整体结构的前两阶固有频率主要反映风机塔架的固有特性,第三～第五阶固有频率主要反映基础结构的固有特性。李炜等[64]对单桩、三脚架、四桩导管架基础进行了动力分析，指出在基础结构设计中简要保证结构具有足够刚度以满足荷载作用下的变形控制要求，还要使基础刚度适中以避免共振。Iliopoulos等[65]利用在桩基础上布置的若干传感器，提出了一种单桩基础模态预测方法，但仅限于研究加速度响应。

在风、波浪、海流等动荷载长期作用下，风机基础会产生疲劳损伤。许多学者已经对钢筋混凝土基础、单桩、三脚架、半潜式基础等不用形式的风机基础进行了结构疲劳损伤研究[66-67]。Li等[61]通过有限元法建立了一种数学模型，得到风荷载引起的疲劳荷载并评价风机基础的抗倾覆稳定性。靳军伟等[68]给出了海上风机基础波浪荷载导致的疲劳损伤计算方法。Prendergast等[69]对风浪荷载耦合作用下海上风机基础结构的疲劳损伤进行了预测。

2.4 基础结构冲刷及腐蚀

由于暴露在海洋环境中，海上风机基础结构可能面临比陆地风机基础更严重的基础局部冲刷、钢结构腐蚀等问题。薛九天等[70]研究表明，基础周围局部冲刷会显著改变基础结构自振频率，进而可能导致基础与风机产生共振。同时，海水冲刷作用还会使桩基础承载性能明显减弱。史忠强等[71]基于开源程序OpenFOAM和动网格技术，利用切应力平衡法建立水流作用下的海上风电基础局部冲刷数学模型，能够很好反映圆柱形单桩基础周围的水流结构。祁一鸣等[72]、Chen等[73]、于通顺等[74]通过建立缩尺物理模型，分别研究了冲刷作用对桩基础、导管架基础和复合筒形基础周围地基局部冲刷特性。

在海水环境中，腐蚀作用会对风机基础结构造成很大的危害[75]。邹辉[76]综合阐述了海上风机基础腐蚀的特点，并根据海洋腐蚀环境的划分和特性，针对钢结构和混凝土结构分别给出典型解决方案。姚忠等[77]混凝土腐蚀是影响混凝土结构耐久性的重要原因。此外，在进行基础结构防腐设计时，应当明确结构受腐蚀分区，按照不同区域特点采取对应的防腐措施。

3 存在的问题与探讨

(1)对于陆地风机基础而言，中国的优势风能资源主要集中分布在西北部地区，而这些地区昼夜温差较大。因而，可以考虑进行温度变化对风机基础相关性能影响的研究。而对于海上风机基础来说，则还是主要面临复杂的环境荷载作用，进而环境荷载与风机荷载耦合作用下风机基础的静力学和动力学响应还需要进一步深入研究。

(2)目前，中国已颁发了《风电机组地基基础设计规定》(FD 003—2007)，外国也颁发了《海上风机结构设计标准》(DNV-OS-J 101—2007)、《海上风机设计要求》(IEC 61400-3—2009)等，但是中国至今还没有一部关于海上风机基础设计的相应规范，故还有许多研究工作需要开展与完善。

(3)与欧洲海域不同，中国东海和南海大部分海域每年会经历热带风暴袭击，因此，在这种极端环境海上风机及基础的相关力学和变形问题应当受到重视。此外，对于地震引发的海啸对海上风机及基础的严峻考验也不容忽视。部分建造在台风可能经过区域的陆地风电机组基础，也同样面临类似问题的挑战。

(4)基于可靠度的风机基础优化设计研究。由于风机基础荷载具有很强随机性与未知性，因而采用传统定量化方法进行设计分析远远不够。将可靠度理论广泛应用于风机基础结构优化设计与分析可能是今后研究的一个重要方向。

(5)目前，对风机基础的承载能力、稳定性、变形等理论研究的较多，而试验研究相对较少，故试验研究需要进一步加强。特别是，随着风机容量的不断增大，风机的高度也在不断升高，对大容量风机基础的模型试验研究显得尤为重要。

4 结论与展望

风能作为一种清洁的可再生能源已经越来越受到世界各国的密切重视。关于风电机组基础的研究，不论从人类社会经济效益还是从运营安全角度考虑，其意义都是非常重要的。通过对近十年来中外风机基础结构形式发展及相关研究进展的进行系统地分析，指出其研究中存在的问题，并探讨了未来可能的研究方向。陆地风机基础技术经过几十年的发展已经相对成熟，尽管海上风机数量与陆地风机数量相差巨大，但是中外学者们对海上风机基础相关研究的关注度却远远高于陆地风机基础。可见，海上风电场的快速发展将为风机基础的相关研究提供更丰富的材料和更广阔的空间。

中国是一个风能资源非常丰富的国家，50 m高风能资源总储量大约为2 580 GW，其中陆地风能储量约为2 380 GW，5～25 m水深海上风能储量约为200 GW[78]。中国在2015年实现全年新增风电装机容量达30.753 GW，截至2015年底累计装机容量145.362 GW，继续保持着全球风电装机容量第一位，同时海上风电装机容量也突破1 GW。2016年1月，中国能源局于发布的《可再生能源“十三五”发展规划(征求意见稿)》指出[79]，预计到2020年中国非化石能源占能源消费总量比例达到15%，2030年达到20%，“十三五”期间新增投资将达到约2.3万亿元。到2020年年底风力发电2.5×108kW，其中海上风电规模将达到1 000×104kW。这必将有力推动中国风电机组基础的深入研究。