浅谈国内外海上风电基础型式与发展趋势

贾晓辉,关辉

（中交第三航务工程局有限公司江苏分公司，江苏 连云港 222042）

浅谈国内外海上风电基础型式与发展趋势

贾晓辉,关辉

（中交第三航务工程局有限公司江苏分公司，江苏 连云港 222042）

本文简单介绍了海上风机的各种基础型式，较为详细地对基础型式的结构、适用的海域（水深和地质）、施工方法、优缺点、国内外使用现状以及发展前景进行了描述，重点是对浮式和IBGS概念基础的提出，希望能够为国内同类型或相似工程的投资、设计、施工和安装提供较为多元化的选择和参考的依据。

海上风电；基础型式；浮式基础；IBGS；概念基础

国内风能从刚开始起步时的补充能源，变成现在的替代能源，是我国发展最快的绿色能源。在我国陆上风电场建设快速发展的近些年，随着“弃风限电”情况的出现和国家政策的实施，人们已经注意到陆上风能利用所受到的一些限制，于是将目光逐渐转向了风速大、风向较稳定的海上风能。早在1990年，第一座海上风机在瑞典Baltic Sea海岸架设成功，人们已经看到了海上风电的巨大潜力。2006年我国颁布的《中华人民共和国可再生能源法》成为推动我国海上风能利用的催化剂，2011年国内第一个海上风电项目——上海杭州湾东大桥海上风电就是最好的印证。通过对国内外已经建成的海上风电场投资比例大数据的分析，风机基础成本约占风电场总成本的20%～30%，是造成海上风电成本较高的原因之一，因此探讨合理使用基础结构型式成为海上风电发展的重点。经过了20多年的发展，海上风电基础型式随着各地迥异的海域、地质和天气等因素也逐渐趋于多样化，目前国内外海上风电基础型式可分为四大类：桩承式基础、重力式基础、吸力式基础、浮式基础。

1 桩承式基础

桩承式基础可分为：单桩基础、群桩基础、三脚架基础、导管架基础。

（1）单桩基础。单桩基础即单根钢管桩基础是由一个直径在3～7m之间的钢管桩构成，适用于小于25m的水域，其结构特点是构造简单、受力明确。对于软土地基可采用锤击沉桩法，对于岩石地基可采用钻孔的方法，也可在岩石地基内形成大直径钻孔灌注桩。由于该基础生产工艺简单，施工成本低，施工过程易控制，施工单位经验较丰富等优点，目前成为海上风机的主流基础结构。目前国内外此种基础型式结构应用较为广泛，如中国的盐城东台项目（2016）、大连庄河项目（岩地钻孔法）（2017）；英国的Sheringham Shoal（2012）；丹麦的homs Rev（2009）；爱尔兰的Arklow Bank（2003）；荷兰的WP Q7（2005）等项目。

（2）群桩基础。群桩基础中应用最为广泛的是高桩承台群桩基础（有预埋基础环和预埋锚栓等型式），由基桩和上部承台（包括混凝土承台和钢承台）组成，适用于5～20m的水域。斜桩基桩沿一定半径的圆周布设，对抵抗水平位移和结构受力较为有利，但桩基相对较长，总体结构偏于厚重。因波浪对承台产生较大的顶推力作用，需对基桩承台的连接采取加固措施。目前国内此种基础型式较为常见，如盐城响水项目，采用的就是预埋基础环和预埋锚栓（试验桩）高桩承台基础型式，还有上海东大桥风电场项目，采用8根1～3m直径的钢管桩作为基桩，在承台底面呈圆周形均匀布置。

（3）三脚架基础。用三根1～3m直径的钢管桩定位于海底，埋置于海床下10～20m的地方，三脚桁架为预制构件，承受上部塔筒荷载，并将应力与力矩传递于三根钢桩。三根桩成等边三角形均匀布设，桩顶通过钢套管支撑上部三脚桁架结构，构成组合式基础。该基础自重较轻，整体结构稳定性较好，适用于15～30m的水域。目前国内外也有一些项目采用三脚架式基础，如我国的南通如东项目（潮间带）；德国的Alpha Ventus（2010）中的Multibrid公司的6台；瑞典的Nogersund（1990）等项目。

（4）导管架基础。导管架基础是一钢质锥台形空间框架，以钢管为骨架，在陆上预制完成，再运输到安装点就位，将钢管桩从导管中打入海底。该基础强度高，重量轻，承载力大，并能有效解决水下连接问题，适用于5～50m范围内的水域，但造价昂贵，需要大量的钢材，易受天气和海浪的影响。导管架基础是深海海域风电场未来发展的趋势之一。国内此种基础型式还在试验阶段，如珠海桂山项目，国外也处于发展阶段，如德国的Alpha Ventus（2010）海上风电场中的6台Repower机组；英国Beatrice（2006）示范海上风电场中的两台5MW机组、Ormonde（2012）等项目。

2 重力式基础

重力式基础主要依靠自重使风机垂直矗立在海面上，一般为钢筋混凝土沉箱结构，其承载力小、制造工艺简单，适合岩土地基及坚硬的黏土、砂土，地基必须有足够的承载力支撑基础结构自重和环境荷载等，应用于0～10m的水域。

早期的海上风电基础均采用此基础型式，国内对此基础型式还在试验阶段，如盐城响水项目中的两台风机基础（复合筒式结构），采用的就是重力式基础和吸力式基础相结合的基础结构；还有就是瑞典的Lillgrund Oresund（2008）；丹麦的Sprogo（2009）；比利时的Belwind（2011）等项目。

3 吸力式基础

吸力式基础又称为负压筒式基础，该基础分为单筒及多筒吸力式沉箱基础，是一种新型的海洋工程基础结构型式，适用于地质条件为砂性土或软黏土的各种水深条件风场。由于其材料安装成本低于桩承式基础，且易于海上运输和安装而受到海上风力发电行业的青睐。

吸力式基础在海上风电场工程的应用案例较少，如丹麦的Frederikshaven（2003），由此看来，吸力式基础发展空间较大，但是可靠性还需要进一步的验证。

4 浮式基础

浮式基础根据水深、天气和安装需求的不同，可分为TLP、Spar、Semi、Barge，是漂浮在海面上的盒式平台，再用锚泊系统锚定于海床，适用于大于50m的水域，是未来深海海域风机基础发展的趋势之一。

国内此种基础结构型式还在学习和积累经验阶段，目前还没有海上风电工程采用，国外此种基础型式已经处于发展阶段，如荷兰的Blue H Technologies公司在2008年用离岸油井的技术开发出世界第一座浮式风能发电机（80kW），安装在意大利南部Puglia外海的风电场；2009年挪威Karmoy海域的Hywind（采用Spar基础）；葡萄牙Priciple Power的Wind Float（2011）；University of Maine（2013）造了一个1：8的大尺度样机模型在海上进行了试验，基础配备三个锚杆和三个浮箱；在2013年，日本建造了两个样机：半潜式和Spar式基础；2017年挪威石油在位于Scotland的Pilot Park浮式风电场安装五台6MW风机，基础采用Spar基础并通过锚链固定于海床。

5 IBGS概念基础

IBGS（Inward Battered Guide Structure）概念基础由Keystone设计，并在2016年于美国境内的Block Island海上风电场正式投产，此风电场为美国第一个海上风电项目，项目投资2.9亿美元，配备五台6MW GE Haliade风机，水深23～28m，产生的电力可满足Block Island居民90%的能源需求。

如图1所示，IBGS基础类似于导管架，但整体结构却非常紧凑，性能较好，同等条件下比传统的导管架结构节省钢材，同时整个结构节点也较其减少了9个，焊接工作量低，建造方便，安装也较为简单。虽然是三腿结构，但其实是四根基桩，风机中部与中间基桩连接，这对于整体结构的稳性有较大帮助。

图1 导管架和IBGS

相关资料显示，Keystone对于飓风条件影响下的导管架基础做了很多研究，并将其专利IBGS同传统导管架进行过比较，同样的风机、同样的OP条件，在强度、固有频率都满足设计要求的条件下IBGS比传统导管架轻20%，安装成本低20%。IBGS已经在英国作为测风塔基础进行了建造安装，如果真的能够在实践中经受住考验，无疑将在海上风电基础型式中具有强劲的竞争力。

6 结语

本文介绍了桩承式基础、重力式基础、吸力式基础和浮式基础以及相应的基础型式的结构、适用的海域（水深和地质）、施工方法、优缺点、国内外使用现状以及发展前景等有关知识，再到IBGS概念基础的提出，体现了风机基础型式的多样性和复杂性，既有利于业主方成本化和合理化投资，又有利于设计方因地制宜的设计和参考，更有利于施工方对本工程风机基础的施工、安装和学习。

[1]陈达.海上风电机组基础结构[M].中国水利水电出版社，2014.1.

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1671-0711（2017）06（下）-0131-02