海上风电六边形筒型基础及浮式运输装备运输稳性研究

喻 飞，甘 乐，段 斐*，陈俊生，朱春生，练继建，刘 润

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010；2.南方海上风电联合开发有限公司，广东 珠海 519000；3.天津大学，天津 300072）

风能作为清洁可再生能源，成为近年来发展最快的新能源之一。海风与陆风不同，海上风力远远大于陆地，海上风电远离人群，又不占用耕地，发展空间巨大，完全有能力担任绿色可再生电力主力军角色。大力发展海上风电，战略价值巨大。近年来海上风电正在世界各地飞速发展。海上风机建设中基础结构最常见的是桩基础、重力式基础及近年来发展较快的筒形基础。负压吸力筒型基础以其刚度大、抗倾覆能力强及总体造价低等优势被大量地运用于受台风影响及岩层埋深较浅的海上风电场[1-2]。但筒型基础体型较大、重量较大，底部筒裙分仓板等均为薄壁结构，无法直接承受筒型基础的大重量，因此无法放置在平板驳上直接运输，只能通过浮运方式进行运输。筒型基础底部筒裙为开口结构，浮运过程中的稳定性和抗倾覆能力弱于船舶或海工等闭口结构型式[3-4]，因此需要大型辅助装备对其进行运输作业。由于筒型基础为新型的海上风电基础结构，目前并不存在一种成熟的浮运装置[5-6]。因此需要研究一种针对海上风电负压吸力筒型基础，能够为其提供足够稳性，实现安全运输的浮运装备及其运输方法。

1 海上风电吸力筒型基础与浮运装备

海上风电六边形筒型基础如图1所示。基础主体为上部全钢结构+下部钢包混凝土六边形筒体的复合结构。基础筒裙为六边形开口结构，筒裙高度14 m，筒裙边对边的距离为32 m，筒裙厚度0.3 m。筒裙内部设计有六边形的内舱板，六边形内舱板和外筒壁之间设计有6块分舱板，为整个筒裙加强支撑、提高刚度。筒裙舱室因此分割为7个独立舱室，为筒裙提供支撑、增强刚度。安装时将首先利用基础自重产生一定下沉量，同时筒裙内部气体被海底泥面封闭在筒裙内部。自沉结束后将筒裙内部气体抽走形成负压，基础在负压作用下继续下沉，直至整个筒裙嵌入到泥面内部。筒裙顶部设计由径向梁与环向梁构成的筒顶梁系，以增强筒顶刚度。筒顶梁系上部设计有单柱和斜撑，单柱-斜撑-筒顶梁系形成联合受力体系，以更好地传递顶部弯矩。

图1 海上风电六边形筒型基础

筒型基础的浮式运输通过浮运平台来实现。浮运平台长88.2 m，宽65 m，型深6 m，设计吃水3.5 m，将圆形筒裙完全包裹夹持，如图2所示。如此筒型基础和浮运平台在运输过程中形成运动整体，基础的运动，尤其是对倾覆起关键作用的纵摇、横摇，将传递给浮运平台，两者共同运动。利用浮运平台的大水线面为基础在运输过程中提供足够稳性。

图2 浮运平台对圆形筒型基础完全包裹夹持

由图3和图4可知，浮运平台由2个浮体模块拼装而成，1个为嵌入型模块（浅色）、1个为被嵌入型模块（深色）。浮运平台是组装式非自航浮运平台，为钢质结构，提前在船厂进行制造，制造完成后托运至筒型基础制造现场。浮运平台拼装时，在2个模块接触面附近的甲板上，利用2台卷扬机将嵌入型模块导向限位条沿被嵌入型模块导向限位槽向前拉动，使嵌入型模块前端与基础筒裙紧密接触，拼装到位后将筒裙完全包裹匹配，2个模块被纵向拉紧固定，2个浮体模块与风机基础连接成能共同运动的稳定结构形式。浮运平台将筒型基础夹持完成后，由拖船拖至场区安装位置，如图5所示。

图3 浮运平台嵌入型模块（浅色）和被嵌入型模块（深色）的拼接方式

图4 浮运平台两模块组合完成图

图5 浮运平台和筒型基础拖航示意图

2 基础浮运静稳性分析

浮运平台和筒型基础作为一个整体，其主要参数见表1。整体坐标系坐标原点建立在筒裙底部，X轴指向航行前进方向，Z轴竖直向上，整体坐标系如图6所示，浮运平台和基础静稳性计算结果如图7所示。

表1 浮运平台和基础整体主要参数

图6 整体坐标系说明图

从图7所示的结果中可以看出，一方面可以得到浮运平台和基础的初稳性高度为159.53 m，满足交通运输部海事局关于《海上移动平台法定检验技术规则》及中国船级社《海上移动平台入级规范》中“自由液面修正后初稳性高不少于0.15 m”的要求；另一方面，从图7所示中可以看出，回复力曲线和风倾曲线在第二交点处，复原力矩曲线下的面积与风倾力矩的面积比为17.6，满足交通运输部海事局关于《海上移动平台法定检验技术规则》及中国船级社《海上移动平台入级规范》中“复原力矩曲线至第二交点或进水角（取小者）以下的面积至少应比风压倾侧力矩至同一限定角下的面积大40%”的要求。综上所述，稳性校核结果表明，浮运平台带基础满足稳性校核的规范要求。

图7 稳性校核曲线

3 基础浮运时域计算及运动特性分析

以广东珠海桂山海域为例，从表2中可以看出，桂山海域全年出现概率最大的波浪周期为2～4 s，小于2 s周期的波浪累计频率仅为1%。最大波高为2.0～2.5 m，对应谱峰周期为10～11 s，但概率极小，该海域全年波高基本在2 m以下、2 m以上的概率仅0.01%。

表2 桂山海域有效波高与谱峰周期（Hs-Tp）联合概率分布表（全年） %

建立浮运平台与筒形基础的动稳性分析模型，选取拖航作业典型的海况进行数值模拟计算，计算条件为：风、浪同向。波浪谱为JONSWAP谱。计算有效波高分别取1、2和3 m，波浪谱峰周期取10 s，为浮式系统固有周期，此时为最不利工况。按照蒲式风级表波浪对应的风速分别取15、21和27节。根据相关文献与实际拖航工程经验，航速取2 m/s。表3至表5给出了浮运过程中各自由度的计算值。从表中的计算结果可以看出，纵摇在顺浪0°下的响应最大，在表3至表5中分别为1.003°、2.114°和3.411°；横摇在横浪90°下的响应最大，在表3至表5中分别为1.679°、2.524°和2.920°，可见浮运平台具有良好的水动力学性能，各工况下最大的纵横摇角均控制在规范要求的4°范围以内，能够保障安全拖航作业。

表3 有效波高1 m谱峰周期10 s风速15节下的计算统计结果

表4 有效波高2 m谱峰周期10 s风速21节下的计算统计结果

表5 有效波高3 m谱峰周期10 s风速27节下的计算统计结果

4 结论

针对筒型基础不适合直接干拖运输的特点，提出了一种能够为筒型基础提供足够稳性、实现安全运输的浮运装备及其运输方法。建立了浮运平台与筒形基础的动稳性分析模型，选取拖航作业典型的海况进行数值模拟计算，根据相关文献与实际拖航工程经验，航速取2 m/s。计算结果显示，浮运平台具有良好的水动力学性能，纵摇在顺浪下的响应最大、横摇在横浪下的响应最大，浮运平台具有良好的水动力学性能，各工况下最大的纵横摇角均控制在规范要求的4°范围以内、能够保障安全拖航作业。