海上风电机组重力式基础发展回顾

文 | 杨威，林毅峰，张权

与陆上风电相比，海上风电机组的基础结构具有重心高、倾覆力矩大、动力响应显著的特点，同时还受到波浪、海流、海床地质以及海冰等环境因素的影响，因此，此类基础结构是国内外海上风电场设计中的重要研究课题。

重力式基础是海上风电机组基础结构中的主要形式之一，它和陆上风电机组常见的重力式扩展基础工作原理相似，主要依靠基础结构及内部压载重量抵抗上部机组和外部环境产生的倾覆力矩和滑动力，使基础和塔架结构保持稳定，如图1所示。重力式基础通常是在风电场附近的码头场地或船坞内预制建造，然后通过船运或浮运至机位，并用砂砾等填料填充基础内部空腔以获得必要的重量，再将其沉入经过整平的海床面上。重力式基础通常为钢筋混凝土结构，节省钢材，经济效果好，采用陆上预制方式建造，不需要海上打桩作业，海上现场安装工作量小，节省施工时间和费用。重力式基础的结构分析和建造工艺比较复杂，对海床地质条件要求较高，还需要有较深的、隐蔽条件较好的预制码头和水域条件。

近年来，随着欧洲海上风电进入大规模开发阶段，海上风电机组重力式基础在多座海上风电场中得以成功设计建造，并在施工便利性和工程成本控制方面表现出较大的优越性。表1给出了欧洲海上风电1991—2017年的重力式基础应用现状。我国海上风电开发建设正处于快速发展阶段，福建、广东沿海作为我国海上风能资源储备最为丰富的地区，存在着大范围浅覆盖层甚至裸岩地基海床，海域水深超过30米，这在国内外海上风电场建设中是罕见的，大直径钢管桩嵌岩施工周期长，成本高，不确定性因素多。参考、借鉴国外重力式基础的设计理念，可为我国海上风电机组基础结构设计建造提供创新思路和方法。

浅水海域重力式基础设计

一、重力式扩展基础

早期的海上风电场大部分建在水深15m以下的浅水海域。1991年，世界第一座海上风电项目——Vindeby海上风电场在丹麦Lolland岛附近的低水位海域并网运行。该风电场水深2～4m，安装11台450kW风电机组，总容量为4.95MW，其基础设计为图2所示的重力式扩展基础。随后，Tunф Knob海上风电场（丹麦，1995年）、Middelgrunden海上风电场（丹麦，2001年）均采用类似的重力式基础结构。

图1 海上风电机组重力式基础的典型结构形式

表1 欧洲海上风电机组重力式基础应用现状

图2 浅水海域重力式扩展基础

Middelgrunden海上风电场的海域水深3～5m，安装20台2.0MW风电机组，总容量为40MW，是当时世界上规模最大的海上风电场。地质勘察显示海床浅层存在石灰岩，且海域波浪和海流作用较小。基础选型对比发现，混凝土重力式基础是最具成本效益的解决方案，基础典型结构如图2所示。基础结构由混凝土底板、圆柱段壳体、抗冰锥和工作平台组成，基础顶部与机组塔筒连接，抗冰锥设置于海平面附近，形状为外凸弧线。基础安装在经过整平的碎石垫层上，整个基础结构重量为1800t。基础建造在风电场附近的干船坞内完成，再将首节机组塔筒以及电气设备先安装在基础顶部整体出运。由于海域水深较浅，基础底部离海床面只有10～20cm，选择波浪较小的海况出运，基础的海上运输和安装由大型浮吊船来完成。水下碎石垫层铺设、夯实和整平工作由潜水员下水进行人工作业。

二、重力式沉箱基础

2003年，丹麦Nysted海上风电场成为当时世界上最大规模的海上风电项目。该风电场离岸10km，海域水深6～10m。由于海床地质中存在大量的漂石，单桩基础方案难以应用。同时，海床浅层存在7.5～12.75m厚的硬粘土层可作为重力式基础的持力层，最终72台机组基础全部采用重力式基础。Nysted风电场重力式基础的设计理念在当时是具有创新性的。为了使重量尽可能小以便于海上运输和安装，基础结构形式为六边形钢筋混凝土沉箱结构，主要由3个部分组成：开敞式沉箱、圆柱段壳体和抗冰锥，沉箱隔舱中装填砂石填料从而获得必要的压载重量，每个机位的重力式基础底高程是根据机组荷载和地质条件优化确定的，如图3所示。基础在附近港口码头的驳船上预制建造。基础安装下沉之前，对海床进行处理，首先将表面的淤泥和细砂挖除，开挖深度达到10m，直到开挖至坚硬的土层，然后用专业的整平船对海床面进行整平处理。海上运输采用10000t级甲板驳船进行作业，每次运输4个重力式基础至风电场海域，并运用1500t级浮吊船进行基础安装下沉作业，然后对沉箱的6个隔舱填充卵石和砾石作为压载物，整个基础压载完成后的总重量约为1800t。Lillgrund海上风电场（瑞典，2007年）、Sprogø海上风电场（丹麦，2009年）、Rødsand 2海上风电场（丹麦，2010年）、Karehamn海上风电场（瑞典，2013年）均采用类似图3所示的重力式沉箱基础。

深水海域重力式基础设计

一般认为重力式基础适合于水深不超过20m的浅水海域风电场，因为随着水深的增加，重力式基础受到波浪和海流的作用更加显著，同时浮力作用占基础总重量的比例高达40%以上，会抵消很大一部分基础的重量。此外，海上风电机组在塔筒与基础交界面产生的荷载量级巨大，导致重力式基础的重量和尺寸急剧增加。深水海域大容量机组对重力式基础的结构优化设计、海床处理和海上运输安装等关键环节提出了越来越高的要求。

一、重力式预应力壳体基础

2008年， 比 利 时Thronton Bank海上风电场一期工程安装6台5.0MW风电机组，项目海域水深20～28m，海床以下地质条件为10m厚的中粗砂。考虑到北海恶劣的海况条件，设计方认为应尽可能减少基础建造的海上作业时间，Nysted海上风电场的开敞式沉箱基础并不适合这种海况条件。对于深水海域恶劣的海况条件以及大容量风电机组需要承受巨大的风力荷载，基础结构刚度和疲劳问题成为决定性的因素。设计方创造性地提出采用后张法预应力技术建造重力式基础壳体结构。为保证重量最小化，基础采用图4所示的锥形壳体结构。整个基础结构由圆柱段、圆锥段和底板组成，其中的圆柱段和圆锥段壳体为后张法预应力结构，底板为变厚度的混凝土厚板，中间为圆形空心，边缘向外伸出较长的悬挑，内部空腔装填海水和砂作为压载，整个混凝土结构的重量达到3000t，如图4所示。

将重力式基础设计为上述结构形式具有如下诸多优点：

（1）锥形壳体结构能够提供足够的空间来保证压载物重量。

（2）机组荷载传递至基础底部受力明确，荷载传递路径简单直接。

（3）结构整体上细下粗，波浪和海流作用较小，重心较低，有利于提高基础的整体稳定性。

（4）后张法预应力混凝土结构的强度和刚度大，能够较好防止裂缝开展和疲劳破坏。

（5）压载物填充作业一次性完成，施工方便，无需多次分仓填充。

Thronton Bank海上风电场一期工程所用的重力式基础是在专门设计的码头场地上进行建造的，每个机位的海床挖深大约为7m。为保证基础重量能够很好地传递至基床以下土体，基床由过滤层和碎石垫层组成，整平后的碎石垫层表面倾斜度小于0.75°。重力式基础采用夹具固定后用重型浮吊船吊运至安装机位。达到预定位置后，先向基础空腔内注水使之下沉，再向空腔内装填重度为15.8kN/m3的中粗砂。整个压载物的装填体积接近2000m3，装填完成后整个基础的重量达到7000t。基础防冲刷设计由反滤层和抛石防护层组成，抛石防护层沿基础边缘延伸10m范围内进行抛石防护，如图5所示。

图3 浅水海域重力式沉箱基础

图4 重力式预应力壳体基础

图5 Thronton Bank海上风电场重力式基础的防冲刷设计

二、钢管桩—混凝土沉箱组合基础

2017年，英国Blyth海上风电示范风电场规划安装5台8.0MW风电机组，工程海域水深36～42m。为满足大容量机组和深水海域对机组基础的严苛要求，建造方首次提出采用“钢管桩—混凝土沉箱”组合重力式基础方案；为解决重力式基础由于重量和尺寸较大导致海上运输和安装困难的问题，设计方采用“浮运—下沉”技术的海上运输安装方案，这种技术是首次应用于海上风电工程。重力式基础结构主要由钢管桩和混凝土沉箱组成，钢管桩直径6.5～7.0m，混凝土沉箱由圆锥段壳体和圆柱段壳体结构组成，直径30.0m，高度20.0m，圆柱段壳体结构内设置辐射状肋板作为支撑结构，沉箱空腔内装填砂和海水作为压载物，整个重力式基础结构预制部分重量超过5500t，浮运时吃水深度小于10m，如图6所示。上述重力式基础结构形式具有以下优势：

（1）采用浮运—下沉技术，无需重型浮吊设备运输和安装基础，海上作业简单方便。

（2）专门为30～50m深水海域的大容量机型定制优化设计，结构设计简洁紧凑。

（3）与导管架基础、大直径单桩基础相比，具有成本控制和施工便利的竞争优势。

（4）相比混凝土圆柱壳体，采用钢管桩结构能够减小结构重量和浮运吃水深度。

（5）钢管桩顶部可直接与机组塔筒底法兰连接，无需过渡段。

Blyth海上风电示范风电场的5座重力式基础在干船坞内建造，建造完成后向坞内注水，然后由拖轮将基础浮运至安装机位，最后向沉箱的隔舱内填充砂和海水，完成装填压载作业，整个基础安装完成后的总重超过15000t。

海上风电机组重力式基础应用的关键问题

目前海上风电正逐步向深水海域大容量机型方向快速发展，而我国福建、广东沿海地区受台风影响严重，导致机组极限荷载多受暴风工况控制，荷载量级与欧洲海上风电场同类机型相比高出30%以上，对基础设计提出了更高的要求。海上风电机组重力式基础的设计关键环节包括基础结构设计、运输安装设计、海床处理设计。

图6 钢管桩—混凝土沉箱组合基础

（1）基础结构。根据已有的结构形式可以判定，重力式基础结构的最佳形式是带有空腔的壳体结构与提供重量的压载物的组合。为保证壳体结构具有足够的强度和刚度，可采用预应力混凝土结构、钢结构或者两种结构的组合形式。混凝土结构的整体性较好，节省钢材，现场预制工序较为复杂，基础重量较大；钢结构强度大，基础重量轻，但钢结构疲劳和腐蚀问题比较突出，材料成本高；采用钢管桩—混凝土沉箱组合结构，能够较好地平衡两种结构材料的优缺点，但两种材料连接部位受力复杂，需要设计可靠的连接方式。

（2）运输安装。按照目前5.0MW以上大容量海上风电机组设计，重力式基础预制结构部分的重量达到3000～6000t。目前的运输安装方式主要根据重力式基础的浮运稳定性分为两种方式：第一种是由于重力式基础浮运吃水深度较大，海域水深无法满足条件，或者基础无法满足浮运稳定性，如Thronton Bank 1期的重力式基础，只能用大型半潜驳船运输至安装机位，然后用重型浮吊船辅助重力式基础下沉至海床面；第二种是重力式基础的下部尺寸设计较大，浮运吃水深度小，具有良好的浮运稳定性，可在海况较好的情况下用拖轮拖航浮运至安装机位。

（3）海床处理。在将重力式基础安放就位之前，先要对海床进行处理，这个环节也是重力式基础相比其他基础形式如单桩、导管架基础的劣势所在。海床处理的主要目的是：（a）使得海床浅层土满足地基承载力的要求；（b）对基床进行整平，满足重力式基础对基床平整度的要求；（c）扩散基础对地基的应力，起到减小地基应力和不均匀沉降的作用。针对浅覆盖层大直径单桩嵌岩施工困难的问题，若对海床浅层土体进行地基加固处理，可大幅提高浅层土体的地基承载力。如此，重力式基础方案可成为具有竞争力的基础方案。

本文通过回顾海上风电机组重力式基础从浅水海域小容量机型向深水海域大容量机型发展过程中的技术革新，总结了四种不同结构形式的重力式基础技术路径，对它们的设计的关键环节进行了论述，得到结论与建议如下：

（1）海上风电机组重力式基础的最佳结构形式为高强度壳体结构与提供重量的压载物的组合体。

（2）重力式基础的陆上预制可选择在附近的干船坞、甲板驳船或者码头场地完成。

（3）基础海上运输安装分为驳船、浮吊船运输安装和浮运安装两种方式，可针对具体海域海况和施工便利性进行优选。

（4）针对浅覆盖层大直径单桩嵌岩施工困难的问题，若对海床浅层土体进行地基加固处理，重力式基础可成为具有竞争力的基础方案。