漂浮式海上风电场TLP锚固基础应用研究综述

上海绿色环保能源有限公司 ■ 张智伟

中交上海三航科学研究院有限公司 ■ 王菁*

中交第三航务工程局有限公司 ■ 伍绍博

0 引言

近年来，随着能源需求量的日益增大，以及海洋浅水区石油和天然气储量消耗殆尽，人们对海洋的开发利用已经从近海大陆架发展到深海水域(部分水域水深超过1000 m)。风能作为一种清洁、可再生能源，在广阔的深海具有巨大的开发潜能。但由于传统的固定式平台基础是基于变形和稳定性条件进行设计的，其自重与工程造价往往随海水深度的增加而大幅增长，所以不适用于深水环境。因此，通过借鉴海洋油气平台技术，采用漂浮式结构作为风电机组、塔筒的承载平台，在深海水域建设风电场已成为各国争相建设和研究的新方向。

漂浮式海上风电场是采用漂浮式锚固基础及锚泊系统将风电机组安置于深海水域。相比于固定式风电机组，漂浮式风电机组的制造、安装成本更低，并且能适应更深的水深环境，在深远海域具有更加广阔的市场前景。张力腿式(TLP)平台是近年来迅速发展的一种新型深水系泊的稳定结构，无论是在施工技术还是装备上，都已经在国外漂浮式海上风电场的建设中取得了良好的示范效果。

1 漂浮式海上风电场TLP平台结构形式

目前，漂浮式海上风电场存在3种平台结构形式：半潜式平台、立柱式平台及张力腿式(TLP)平台[1]。其中，TLP平台经过几十年的应用实践，已被证明具有良好的运动性能，也是适宜深海水域油气生产的平台形式。

漂浮式海上风电场TLP平台的概念最初来源于深海TLP采油平台。1984年，Conoco公司在北海157 m水深的Hutton油田成功安装了世界上第一座实用型TLP平台[2]；随后，TLP平台逐渐成为各石油公司在深海油气田开发中采用的主流开采装置之一。现阶段TLP平台已发展出3种结构形式，如图1所示。

第1代为传统式TLP平台，如图1a所示，一般由平台上体、立柱、下体和锚泊系统等部分组成。该类平台是当今世界上数量最多的TLP平台，几乎占世界TLP平台总数的一半。

第2代为迷你式TLP平台，如图1b所示。其通过对上部结构体系进行改进和优化，使平台体积更小，造价更低，有较好的灵活性。

第3代为延伸式TLP平台，也称为新型四柱平台，如图1c所示。该类TLP平台对传统张力腿结构的改进主要集中在平台的主体，为保证该结构能更好的承受上部荷载，缩小了支撑上部平台的立柱间距[3-6]。

图1 TLP平台3种结构形式

表1 国外漂浮式海上风电场TLP基础工程案例

漂浮式海上风电场采用的TLP结构形式具有重量轻、可在陆上进行风电机组组装、稳性佳、无主动压载设备这4个优点。2007年，国外首个TLP平台漂浮式风电机组样机制造并试运行，目前比较成熟的漂浮式海上风电场TLP项目如表1所示，各风电场风电机组的TLP结构形式如图2所示。

以Blue H项目为例，其是世界上首座漂浮式海上风电项目，也是首座采用TLP结构形式的漂浮式海上风电项目。该项目于2009年在意大利海岸建成，采用了2叶片风电机组，上部结构由6个侧立柱和中央的1个风电机组塔承台构成，基础形式采用660 t的混凝土重力式基础[1]。

2 TLP锚固基础形式

TLP锚泊系统主要包括筋腱和锚固基础两部分，当平台侧向的刚度不满足要求时，还需考虑再设置辅助的锚泊系统[7]。TLP结构主要是依靠锚固基础来抵抗结构受到的较大的竖向荷载，其锚固结构形式常见的包括桩基、重力式基础和吸力锚基础3种形式。由于TLP结构的预张力加上重力等于其受到的浮力，该预张力最终作用于锚泊系统上，使得锚索始终保持在张拉受力的绷紧状态，因此，在锚泊系统中，锚固基础的设计选型尤为重要[4-7]。目前，漂浮式风电机组的TLP锚固基础设计基本参照深海石油平台的经验设计方法。国外已运营的TLP锚泊系统设计参数如表2所示[3-13]。

图2 风电机组TLP结构形式图

表2 深海石油TLP锚泊系统设计参数

2.1 桩基形式

桩基是目前使用的TLP平台中最为普遍的一种基础形式，现阶段世界范围内有88%(21座)的深海石油TLP平台采用了桩基[3,13-15]。水下桩基的构造相对简单，可以安装在海床下0～25 m的深度，且安装深度主要取决于海床的类型；桩基直径多为2～4.5 m，壁厚约为直径的1/100。

对于桩基而言，张力腿可通过基盘与桩基连接，也可与桩基直接连接。目前大多数TLP平台桩基采用张力腿直接与桩基连接的方式。以位于美国墨西哥湾海域的Magnolia TLP项目为例，该项目中TLP平台的工作水深为1425 m，采用4柱新型TLP结构形式，平台每个角上均有2根张力腿；桩基直径为2.44 m，长为103 m，桩重为433 t[14]；张力腿在底部与桩基直接相连。

张力腿通过基盘与桩基连接时，基盘又分为整体式和独立式2种形式。Jolliet TLP平台采用整体式基盘，如图3所示。该平台基础由一个矩形基盘和桩基组成，其中基盘每个角上有4根桩基，共16根。Jolliet TLP平台有延伸至基座外的水平放置的钢架，其上开孔用来插入筋腱，套筒用来安装桩基，如此基盘便能与筋腱在上部相连，并与桩基在下部连接[3]。

图3 Jolliet TLP平台整体式基盘

Auger TLP平台则采用独立式基盘，如图4所示。该平台的4个独立桩基础均布在4个角上，各基座均用桩基来定位，这些桩均打入海床底部的地基土中，且各桩和基座在桩顶相连接。平台和基础通过筋腱和角柱组成的张力腿连接为一个整体，且每个张力腿和基础的各基座连接[3,13]。

图4 Auger TLP平台独立式基盘

2.2 重力式基础形式

重力式基础是依靠自身重力来抵御外界荷载[4]。2009年，荷兰Blue H Technologies公司在意大利海岸建设的漂浮式海上风电项目便采用了混凝土重力式基础作为TLP锚固基础。2012年，德国Gicon公司进行了1:25的基于重力盘的重力式基础TLP物理模型试验，试验结果表明，采用重力盘重力式基础锚固方式作为TLP基础形式，在一定条件下具有良好的应用前景。

由于重力式基础在深海水域适用性受到限制，现有的采用重力式基础的TLP平台并不多见。Hutton TLP平台是世界上第一座实用化TLP平台，采用的正是4个相互独立的重力式基础，如图5所示。Hutton TLP平台的工作水深为147 m，所处海底地质为中等强度粘土；其共设计使用了4个浮筒和6根立柱，张力腿采用4根钢管和4根角柱的结构形式；其通过张力腿和甲板锚固在一起，使自身维持在张拉状态[2,3]。

图5 Hutton TLP平台结构图

2.3 吸力锚基础形式

在TLP基础中，吸力锚基础也被认为是重力式基础的一种，通常被称为裙式重力基础[7,16]。吸力锚通常是底部敞开、顶部封闭的钢制圆桶结构，也有采用混凝土制成的，其通过筋腱与上部结构相连。吸力锚基础入土深度相对较浅，其高径比较小，通常为1.5～6，安装时依靠自重和结构内外的压力差将其沉入土中。

Snorre A TLP平台和Heidrun TLP平台采用的都是吸力锚基础，二者的结构形式分别如图6和图7所示。Snorre A TLP平台采用新型的吸力锚基础作为锚固基础[7]，其位于当时北海开发最深的海域(工作水深为335 m)，所处海底上层土质为软粘土，存在一定的孔穴和塌陷性土层；在海底约60 m深度还有含砾石的冰碛，整体土质不稳定。在这种地质条件下，Sage油气公司结合实验及检测结果认为，Snorre A TLP平台的混凝土基座比较适合软粘土海底地基。这种裙式重力基础允许一定位移的产生，可重复使用，并以经济性和安全性的优势在软土地基中逐渐取代了桩基础[3,18,19]。随后，Heidrun TLP平台也采用了类似的基础结构形式。

图6 Snorre A TLP平台结构形式图

图7 Heidrun TLP平台结构形式图

3 TLP锚固基础应用研究趋势

图8为采用不同TLP锚固形式的漂浮式海上风电场在不同地质条件下的应用情况[1]。由于吸力锚基础难以贯入到较硬或密实的土层中，所以在这种地质条件下，传统的重力式基础和桩基应用较多，而吸力锚基础则多应用于软粘土中。

图8 漂浮式海上风电场TLP锚固基础应用现状

3.1 桩基应用研究

目前桩基设计技术已经比较成熟，国内外都有关于桩基设计的相应规范，在深水油气平台中应用也较为广泛。桩基作为最常见的水工基础形式，在国内拥有丰富的施工经验。海上风电机组TLP锚固基础的桩基一般以钢管桩为主，钢管桩制作工艺成熟、工序简单，重量较轻、便于运输，并能承受较高的疲劳强度，且钢结构在海水中耐腐蚀性也较强[20]。

深海平台的桩基设计方法与浅海中的基本相同。海上桩基施工周期长，需临时建立施工平台，影响施工的因素也较多，例如搅拌船和淡水运输等。通常情况下，随着水深的不断增加，打桩难度也不断加大，施工造价也相应增加，而深海中桩基的承载力因受安装方式的影响会大打折扣，这是桩基在深海水域应用中亟需解决的主要问题之一[5]。

不同于深海石油平台，海上风电机组结构的柔度大，自振周期长，所以桩基的刚度计算必须考虑循环荷载作用下刚度的折减效应。同时，海上风电机组通常选用大直径桩，而大直径桩在设计时务必要考虑其侧向刚度。当采用预制桩或灌注桩型时，还应对桩基进行裂缝验算[20,21]。

不论基础采用何种结构形式，设计时要解决的主要问题都是基础和土的相互作用，尤其对于深入到持力层的桩基，两者之间的相互作用更加强烈[3]。由于桩基受到的荷载较大，桩基的尺寸也需要设计的很大才能满足要求，特别是在深厚淤泥质土层、土质情况不稳定，或存在一定塌陷性状土层等地质条件下，桩基的施工难度和造价会大幅增加。因此，这也是桩基设计中另一个值得重视的问题。

3.2 重力式基础应用研究

重力式基础通常为基础埋深为3～5 m的浅基础，主要采用混凝土材料。其最大特点是材料成本相对较低，尺寸和规模通常较大，能靠自重抵御外界荷载；适合的地基条件为密实砂土或较硬粘土，且较多见于100～200 m水深处的海域[5]。

一般情况下，重力式基础可直接放置于海底。重力式基础与码头工程中沉箱形式类似，施工工艺大同小异，通常在陆地上预制好后，再运至相应位置进行安装，施工船舶和设备在国内比较齐全。

在现阶段的深海石油平台中，重力式基础在不设桩基的条件下，可依靠自身重量承担上部平台的抗拔力，并维持体系稳定，体现了其较好的稳定性和高效性。

由于海上风电机组结构属于高耸结构，其对基础的差异沉降和承载力要求较高[20]。为保持基础在上部荷载作用下不产生倾斜和滑移，可采用增大基础底面尺寸或增加基础埋深的方式，但施工难度和成本会随之大幅增加。因此，在很厚的淤泥层、冲刷海床及液化土层等地质条件下，传统的重力式基础很难解决滑移和倾斜等问题。对漂浮式海上风电机组来说，基础一旦发生不均匀沉降，会直接影响各张力腿的受力状态，进而影响TLP平台的整体安全稳定性，这是重力式基础在漂浮式海上风电场TLP设计中需解决的关键问题。

3.3 吸力锚基础应用研究

目前，吸力锚已被成功地应用于多种海洋工程结构中，如海上石油平台、海底保护结构、军舰海上系泊和补给等。吸力锚特别适合于软粘土海底地基，其在经济技术性能上具有几个显著特点：材料和制造成本低、不需要打桩设备、海上施工工期短、抗拔性能卓越、就位准确等。

可沉入性和承载性能是设计使用吸力锚时需要解决的主要问题，其中，确定吸力锚能否达到预定的设计深度是首要问题。在TLP锚泊系统承载力设计中，由于荷载角度与水平向夹角较大，吸力锚的承载力计算一般以竖向抗拔承载力作为控制标准[5,9]。

近年来许多国外研究机构对吸力锚贯入过程进行了研究，研究方法包括室内模型试验、离心模型试验、大比尺模型试验等，分析了砂土、粘土及粉土等不同土质下吸力锚贯入特性，并针对抽吸速度、内部吸力的变化、最终贯入深度、沉贯速率、垂直度和锚内土体稳定性等关键问题进行了专门研究，获得了很多具有实用价值的经验，促进了吸力锚的更好施工。然而，国内吸力锚的工程实践较少，关于此方面的研究也刚起步。由于国内的地质条件与国外存在较大差异，不能完全套用国外经验，漂浮式海上风电场的发展亟需在此方面加强理论与试验研究[21]。

对漂浮式海上风电场基础而言，在长期动力循环荷载作用下，基础的抗拔承载力及结构的疲劳损伤问题显得尤为重要[12,14]。因此，考虑采用吸力锚作为漂浮式海上风电场锚固基础时，需要对其在风电场荷载作用下的工作机理、承载力及对地质条件的适应性开展系统研究，为我国漂浮式海上风电场的发展做好技术储备。

4 结语

目前，美国、欧洲、日本已走在漂浮式海上风电发展的技术前沿，提出了大量的概念方案，进行了各种物理模型试验和数值计算分析，并建设了样机；同时，一系列与漂浮式海上风电机组相关的设计、施工规范(ABS、DNV)也已陆续出版。未来，漂浮式海上风电机组的大规模应用指日可待，相关的深远海风资源开发也将进入新的时代。

现阶段在国内，TLP只在深海石油平台上应用过，而漂浮式海上风电的荷载条件、水深与深海石油平台有较大差别。漂浮式海上风电基础的破坏模式、承载力计算方法、施工工艺等尚未得到系统的研究。TLP平台能否处于正常工作状态，首先取决于其水下锚固基础是否稳定，因此有必要深入了解各种形式的TLP基础，研究适用于我国海上风电的荷载工况、海洋地质条件及工作水深的TLP锚固基础形式，将对我国开发适用于深远海域的漂浮式海上风电场具有重要实用价值。

在3种TLP锚固基础结构形式中，与桩基和传统的重力式基础相比，吸力锚基础特别适合于软粘土海底地基，能够适应我国沿海的地质条件。吸力锚高径比较小，抗拔承载力设计存在较大的优化空间；在施工方面，吸力锚又是一种“自安装”基础，无需大型施工设备，可直接降低施工成本。因此，吸力锚基础结构具有较好的经济性和适用性，在我国漂浮式海上风电场的建设中具有良好的应用前景。