海上风电重力式基础应用与施工研究

崔涛

（福建中闽海上风电有限公司 福建莆田 351100）

0 引言

随着全球石化能源日益减少，可再生资源的利用发展迅速。国内外对于风能的利用逐渐增多，我国陆上风电逐渐趋于饱和，海上风资源比陆上更加丰富，海上风电的发展是大势所趋。自2008 年东海大桥风电场建成以后，其他各地的海上风电场发展迅速。

风机基础作为风电场中十分重要的部分，一直是研究的重点，对各种基础型式的研究都呈井喷之势。我国海上风电刚起步，受限于地质条件和施工经验，研究焦点一直在桩基础，国内已建与正在建设的风电场几乎全是桩基础，对重力式基础的研究与介绍则甚少。作为风机基础最主要的型式之一，重力式有其不可替代的地位，对于该型式的研究有重要意义。

1 结构型式与特点

重力式基础（Gravity Base Foundations，GBF）一般采用钢筋混凝土沉箱结构，并在压舱区内填入砂土、碎石等材料以增加自身重量。基础完全依靠自身重力就能有效抵抗外部荷载，并能在任何海况下保持整体稳定，是所有基础形式中稳定性最好的。

1.1 结构型式

基础结构比较简单，原理相同外形却各异，每一种型式都有各自的特色，分别适用于不同的水深、地质，也影响着设计与施工方法。主要使用的有下面4 种型式。

型式1 由丹麦工程咨询公司科威（COWI）设计［1-2］，采用有限元软件IBDAS 进行设计和分析，被COWI 公司使用超过20年，曾在纳斯特I 期（Nysted I）、纳斯特II 期（Nysted II）、利尔格朗德（Lillgrund）、斯普罗格（Sprogφ）等风电场使用过，是目前使用最广泛的。

型式2 为德国与奥地利最大的建造公司斯特拉巴格（Strabag）经过多年研究得出［3］。

型式3 为海塔公司（Seatower）设计，获得《质量管理体系要求》ISO 9001 认证。型式4 为万喜公司（Vinci）设计，参与英国碳信托有限公司关于海上风电基础设计大赛。

此外，还有在底部锚杆的重力式和上部混凝土下部钢结构的负压筒等不完全依靠自重的基础已经属于新的基础型式，不再归为重力式。

1.2 基础特点

作为最早使用的基础，重力式有以下6 个特点［4-5］。

（1）造价低。一般而言，在地质适合采用重力式基础的风电场，重力式造价最低，例如从表1 中阿拉风电场（Array）的成本分析可以看出此工程中重力式比单桩成本低很多。成本优势是重力式基础成为世界海上风电场第二大基础型式最重要的原因。

表1 Array 风电场基础成本估算

（2）稳定性好。基础自重及刚度大，抗风暴和海浪袭击能力很好。与其他基础型式相比，在各样的荷载工况下都能更好保持稳定。

（3）环境影响小。桩基打桩施工时的噪音对海洋生物的影响很大，重力式基础施工对海洋生态的影响相对较小，而且基础的碎石层有类似人工岛礁的作用，为海生物提供新的生存环境。

（4）海上施工项目多。海上施工的艰难与昂贵费用是影响工期与成本极为重要的因素，施工的项目与时间至关重要。重力式自重与体积大，运输与安装不方便，而且还需预先对海床进行处理，所以施工项目比其他基础型式多，施工时间也较长。

（5）地质要求高。所有荷载直接传递到海床表面，重力式对地基承载力要求高，基础安放前需确保海床有足够的承载力与平整度。此外对于有倾斜、淤泥较厚、液化和易被冲刷的海床也不适合采用重力式。

（6）适用范围较小。对地质与水深的高要求导致其适用范围较小，目前应用最深为比利时桑顿海岸风电场（Thorntonbank）的27.5 m，水深更深或地质稍差时基础需要做的更高更大更重，制造、运输与安装成本会大幅增加。

图1 重力式基础结构型式

2 国内外应用与发展情况

重力式基础在国外海上风电的应用非常广泛，占风机基础总数14%，仅次于单桩基础。世界上第1 座海上风电场——丹麦温讷比风电场（Vindeby）采用的就是重力式基础，经过20多年发展，瑞典、比利时、英国、德国等国家的数十个风电场中也都有采用，目前在国外的应用情况见图2 和表2［6］。已应用的基础自重在1 000 t～3 300 t，水深在3 m～30 m，高度5 m～45 m，适用单机容量0.45 MW～5 MW。国外对重力式的研究正向更深水域发展，基础可达自重7 000 t，高度60 m，适用单机容量10 MW。目前德国数座海上风电场正计划在25 m～50 m 水深的海域采用重力式基础，维斯文塔斯公司（Viciventus）已经研究出适用30 m～50 m 水深的重力式，将逐步应用。

表2 国外已运行重力式基础风电场概况

图2 国外海上风电基础应用情况

我国海洋地质条件特殊，桩基结构将成为我国基础的主要结构型式［7］，对于重力式基础的关注少研发慢。但重力式有其独特的适用环境，例如在表层覆土浅下部就是基岩这样不宜使用桩基的地质条件就非常适合采用重力式，而且重力式基础的成本将远远小于桩基。目前国内设计与施工经验有限，采用的方法是避开这样的区域，单单选择适合桩基的区域建设。例如正在规划的福建大练岛风电场，有钻孔资料显示非常适用重力式，但该区域被规避。此举限制了风机位置的规划，影响风电场整个效益。我国海域辽阔，虽然大部分区域不适合采用重力式，但是仍然有部分海域适用，如规划中的福建六鳌风电场计划采用重力式基础，因此对于重力式基础设计与施工的研究是非常必要的。

国外重力式基础已经发展20 多年，如丹麦科威公司（COWI），丹麦尼拉斯公司（NIRAS），比利时杨德诺集团（Jan De Nul Group），荷兰格朗米吉公司（Grontmij）等大型设计咨询公司在规划、可行性研究、环境影响评价、施工图、施工、运维与拆除等方面建立了完善的设计体系与标准，而且为使其有更大范围的应用做了诸多研究与尝试。而国内关于海上风电基础设计的安全标准、基本资料、设计依据以及结构设计并没有统一规范。虽然有陆上风电基础设计规范与经验作为参考，但是二者差异很大；国外设计标准与国内设计标准存在诸多差异，也仅供参考无法照搬。现阶段设计者根据各自的理解与思路得出的设计结果千差万别，要建立完善统一的标准体系还需要诸多努力。

3 重力式基础施工经验

重力式基础风电场的施工流程如图3 所示。

图3 重力式基础施工流程

3.1 施工准备

施工准备包括施工场地、设备、材料、船舶、人员等的预备工作，是工程施工的第一步。

3.2 基础预制与运输

基础预制方式与运输方式息息相关，前者往往决定后者。基础预制方式有陆上、船上、干坞内和浮船坞内施工等方式；运输方式［8］有批量运输和单个运输（起重船运输和浮运）2 种。

（1）船上施工。基础直接在大型驳船上施工，预制完成后由驳船运到风电场安装，没有自航能力的驳船则需拖船拖行或由推船顶推航行。基础运至安装位置后采用大型起重船吊装基础，根据起重船起吊能力决定驳船是否需要半潜，以减轻起吊重量。Nysted I，Nysted II，Lillgrund，Sprogφ 和Karehamn 等风电场都采用的是这种方法，是重力式基础运输安装中最常采用的。

（2）陆上施工。多在靠近码头附近的陆上施工，预制完成后根据基础尺寸、重量、运输距离与道路等情况采用大型运输机或高压滚动气囊运至驳船或起吊位置。适合批量运输的由驳船运送，适合单个运输的则用大型起重船起吊运送。批量运输基本都是船上施工，几乎不采用陆上施工。单个运输则有用陆上施工，例如Thronton bank I 风电场。

（3）干坞内施工。基础在干坞内预制，之后向船坞内注水，采用辅助设施维持基础悬浮稳定后用拖船将基础拖至安装位置或采用起重船在船坞内将基础起吊运至安装位置，Middelgrunden 风电场采用这种方法。

（4）浮式船坞内施工。基础在浮式船坞内预制，然后根据基础自浮能力与运输稳定性采用特殊运输船或拖船托运。利用基础自身浮力运输的方式目前还没有在任何风电场采用过，但它具有施工效率高，需要设备少、费用省等优点，而且在沉管隧道和石油平台基础运输中有成熟的应用经验［9］，此方法一直是研究的热点方向，具有广阔的发展前景，Seatower 公司和格拉维塔斯公司（Gravitas）有开始尝试，Vinci 公司已经制造出专门运输重力式基础的特殊辅助船。

3.3 基坑开挖

大部分风电场都是用挖掘机固定在驳船上开挖的方法，同时料斗驳船在旁边装载挖掘材料。一般开挖分3 步进行，测量定位、大面积初步开挖与精细开挖，精细开挖时要做好相应。整平工作，同时也要对地质复核，开挖到指定持力层为止。根据不同的工程情况，开挖尺度、深度、坡度、范围不尽相同。对于淤泥较多的情况要采取防回淤的措施，Middelgrunden 风电场的淤泥厚5 m，几乎是液态，回淤很严重，导致多次的清淤。开挖材料若能用于基础填料或基坑回填则需储存在附近，若是不能就卸在指定位置以减小对环境的影响。

3.4 垫层处理

基坑开挖整平后需要在持力层铺设2 层垫层：过滤层（0 mm～63 mm）与疏水层（10 mm～80 mm），厚度与范围根据工程地质情况来定。垫层铺设过程为：采用GPS 和潜水员定位放下钢框架、清理海床面、在钢框架内分层填充碎石、潜水员用框架上的移动横梁整平、移除钢框架，具体过程如图4 所示。是否夯实需根据工程情况而定，对于特殊问题如Middelgrunden 风电场淤泥严重压实效果差的情况可以灌浆解决。

图4 垫层处理示意图

3.5 基础安装

基础安装主要有定位落放和填料等2 个部分。

（1）定位落放。不同运输方式，基础定位落放方式也不同：批量运输的基础到达安放点后由起重船起吊，然后GPS 和潜水员精确定位，最后缓慢落放在指定位置；起重船单个运输的基础直接运到安装位置，然后定位落放；浮运的基础施工难度大，参考石油重力式平台的方式，可以通过向舱内灌水采用垂直或倾斜的落放形式，定位的工作困难，可由多只驳船或拖船等辅助船完成。

（2）填料。空腔内填充大多采用砂或碎石等密度较大的岩石材料，填料是否压实根据工程情况而定。对于型式1 等底板有隔室的结构也应在底板隔室内填料。部分风电场根据工程情况会选择密度较小的沙土或更大的矿石。例如Krehamn 风电场采用铁矿石填充，Thornton Bank 风电场部分基础填充橄榄石。

3.6 冲刷保护

大部分重力式风电场冲刷保护都是用岩石材料作为保护面层和过滤层以防止土体流失，之前海床预备的工作也可以起到一定保护作用。考虑到经济与环境原因，保护面层也有用混凝土块体的做法，混凝土块体可以被做成任意形状。还有工程用砂与碎石混合后装载土工布袋中抛填的方式防冲刷。目前有研究复合土工材料防冲刷的方法，在重力式基础中还未成功应用［10］。

3.7 紧急预案

施工过程中突然遇到恶劣天气和海况或者无法解决的技术难题等情况可以采用紧急预案将基础暂时沉入海中，之后用打捞船打捞。此举可以降低风险，但会增加难度与费用，需慎重选择。

3.8 其他

以上是分体式安装过程，整体式安装在重力式应用较少，主要有2 种形式：基础与塔筒陆上组装后运输安装，然后运送安装机舱与叶片，Middelgrunden 风电场采用这种方式；基础、塔筒、机舱和叶片陆上组装后一起运输安装，目前没有应用，却是研究的重点方向。

4 总结

海上风电重力式基础是风机基础的重要形式，通过对比研究得出以下3 点结论。

（1）与桩基相比，重力式基础具有众多独特的型式与特点。我国地质条件复杂多变，有适合重力式的条件，重力式的使用将带来极大的经济效益。

（2）重力式基础在国外应用成熟，已有丰富的设计与施工经验，正逐步向更深水域发展。国内对其研究几乎为零，需赶快建立适合国情的标准设计与施工规范。

（3）目前重力式的运输与安装过于依赖大型起重船，此方法不适用于更深水域，采用浮力运输的整体式安装方法是基础施工研究发展方向。