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摘要：目前我國(guó)對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)研究仍然處于起步階段，而面對(duì)電力資源日漸稀缺的與用電需求越加旺盛的矛盾，海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)與發(fā)展趨勢(shì)已成必然，而海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型極其施工工藝則是海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)研究的重點(diǎn)所在。文章通過研究相關(guān)文獻(xiàn)以及結(jié)合筆者自己多年工作經(jīng)驗(yàn)情況下，首先對(duì)國(guó)際上常見海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)極其施工工藝進(jìn)行了深入分析，進(jìn)而對(duì)比了其適用條件，希望能夠?yàn)槲覈?guó)海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)提供有效參考。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；選型；施工工藝

1引言

當(dāng)前，發(fā)展速度最快的清潔能源當(dāng)屬風(fēng)力發(fā)電，海上擁有豐富的風(fēng)力能源，加上越來越先進(jìn)的風(fēng)力轉(zhuǎn)換技術(shù)，必將使海洋迅速成為高效的發(fā)電場(chǎng)。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)有的已經(jīng)進(jìn)入可大規(guī)模開發(fā)階段，而我國(guó)在此方面仍然處于探索階段。就國(guó)外研究顯示，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)成本大約是風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)成本的三分之一，且其選型與施工存在較大風(fēng)險(xiǎn)，這也是使得海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)成本較大的原因之一。可見對(duì)海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選與施工工藝進(jìn)行合理探討對(duì)于海上風(fēng)電發(fā)展極為關(guān)鍵。

2國(guó)內(nèi)外對(duì)于海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

DNV-OS-J101把海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)劃分為重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、樁承基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、桶形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及浮式結(jié)構(gòu)。海上的地質(zhì)條件較為復(fù)雜且多變，導(dǎo)致海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)并非是固定的某種單一形式，為降低成本，便于施工，基于一些特定情況也可選擇多種結(jié)構(gòu)混合的方式。上，然而目前應(yīng)用較為廣泛的當(dāng)是樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。我國(guó)目前對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)仍處于探索階段，東海大橋100MW海上風(fēng)電示范項(xiàng)目(3MW/臺(tái))和中海油渤海風(fēng)電示范項(xiàng)目(1.5MW/臺(tái))，只具備一定的現(xiàn)實(shí)意義，且針對(duì)性較強(qiáng)，不具備較好的普遍性與可推廣性?？梢姡谖覈?guó)現(xiàn)有的施工技術(shù)，船舶設(shè)備條件、海域作業(yè)條件等，探討出一兩種適用于我國(guó)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)極具現(xiàn)實(shí)意義。

3海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型及施工工藝

3.1重力式基礎(chǔ)

這種結(jié)構(gòu)主要是利用其重量使風(fēng)機(jī)保持垂直狀態(tài)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單且采用的是鋼筋混凝土的沉箱結(jié)構(gòu)，因此成本不高，這使其目前在海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建設(shè)中已經(jīng)有了較為成熟的應(yīng)用，但具備體積大且笨重的缺點(diǎn)。重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在施工之前必須清除掉淤泥層，完成孤立墩挖槽后應(yīng)及時(shí)拋石，拋石石塊為10kg~100kg為宜，并且要分層夯實(shí)，避免發(fā)生沉降現(xiàn)象。重力式基礎(chǔ)的體積、重量都較大，3~5MW風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的重量通常在1500t~2000t之間，高度超過15m；所以在選擇的預(yù)制廠應(yīng)離出運(yùn)碼頭較近為宜，避免長(zhǎng)距離的陸地運(yùn)輸。重力式基礎(chǔ)預(yù)制完成后，在進(jìn)行海上運(yùn)輸時(shí)可選擇采用駁船、半潛駁和浮吊的形式運(yùn)輸，也可利其自身浮游特性搭配氣囊使用拖輪牽引至安裝地點(diǎn)?；A(chǔ)安置到位后應(yīng)立即進(jìn)行碎石或拋砂壓載回填，回填過程的各個(gè)方面都要保持均勻，防止基礎(chǔ)傾斜和隔艙壁開裂。由此可見，重力式基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)及制造工藝都較為簡(jiǎn)單，承載力小，且國(guó)外有成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，比較適用地基條件較好，水深在10m以內(nèi)的區(qū)域；沖刷海床及軟地基則不適宜采用這種結(jié)構(gòu)

3.2桶式基礎(chǔ)

從研究來看，桶式基礎(chǔ)在近些年海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建設(shè)中得到了較好地應(yīng)用，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，又可分為單桶、三桶、四桶3種形式。桶式基礎(chǔ)屬于短粗的鋼性樁，主要利用了負(fù)壓沉貫的原理。呈現(xiàn)出開口形的圓桶形狀，每個(gè)桶是通過剪切板使中心立柱與鋼制圓桶連接，再通過剪切板使中心立柱產(chǎn)生的載荷分配到桶壁傳入基礎(chǔ)當(dāng)中。桶式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需要考慮諸多因素，難度也較大，其設(shè)計(jì)結(jié)果往往是隨著設(shè)計(jì)條件變化而有所不同，導(dǎo)致如果海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用它的話會(huì)造成較大的投資波動(dòng)。加上桶型基礎(chǔ)要保持負(fù)壓狀態(tài)，因此不適用于巖性海床、可壓縮的淤泥質(zhì)海床沖及刷海床。同時(shí)不能確?？偸悄苎蜎]基礎(chǔ)的灘涂地也不適用。適用水深為25m以下。桶式基礎(chǔ)起步較晚，發(fā)展應(yīng)用不還成熟，因此存在較多不確定風(fēng)險(xiǎn)。

3.3樁式基礎(chǔ)

樁基礎(chǔ)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，可以分類為單立柱單樁、單立柱三樁、導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)、多樁承臺(tái)等形式。

3.3.1單立柱單樁

這是樁式結(jié)構(gòu)中最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式，主要是由法蘭過渡連結(jié)段與一根直徑為3m~6m的鋼管樁組成。單樁結(jié)構(gòu)是國(guó)外近海風(fēng)電場(chǎng)采用最多的基礎(chǔ)形式，如丹麥Samso近海風(fēng)電場(chǎng)就采用了樁徑為4.5m的單立柱單樁結(jié)構(gòu)。對(duì)于單立柱單樁基的施工工藝，首先是對(duì)過渡段、鋼管樁的預(yù)制；接著是對(duì)鋼管樁的運(yùn)輸與沉設(shè)；最后則是對(duì)過渡段安裝、灌漿。雖然施工工藝簡(jiǎn)單，但是單立柱單樁樁徑一般都較大，必須使用超大型的打樁設(shè)備。這一條件在近期內(nèi)限制了單立柱單樁結(jié)構(gòu)在我國(guó)的應(yīng)用發(fā)展。近幾年，我國(guó)通過進(jìn)口大型液壓打裝錘，大大提高了打樁能力，彌補(bǔ)了單立柱單樁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用缺陷，單立柱單樁在我國(guó)有著較好的發(fā)展前景。另外，為緩解單立柱單樁直徑較大帶來的施工難問題況，還可采取適當(dāng)增加樁的長(zhǎng)度來替代直徑大的樁。

3.3.2單立柱三樁

單立柱三樁的出現(xiàn)很好地解決了單立柱單樁直徑過大的不足，其結(jié)構(gòu)形式如下圖。水下連接是單立柱三樁基礎(chǔ)的主要施工特點(diǎn)。其應(yīng)用原理是，將三根直徑中等的鋼管樁以等邊三角形均勻地定位在海底，而在樁頂結(jié)構(gòu)上，通過利用鋼套管對(duì)上部三腳的桁架結(jié)構(gòu)，進(jìn)行支撐進(jìn)而形成較為穩(wěn)定組合式基礎(chǔ)。施工順序?yàn)椋合仁菍?duì)三角架進(jìn)行沉放，然后利用導(dǎo)管對(duì)三根樁進(jìn)行施打。導(dǎo)管與基樁可通過水下焊接或灌注高強(qiáng)度化學(xué)漿進(jìn)行水下連接。三腳桁架應(yīng)預(yù)先制作，其承擔(dān)著上部塔架的荷載。在水平和斜向方向設(shè)置數(shù)根三腳桁架預(yù)制鋼構(gòu)件，分別連接三根鋼套管的中心，對(duì)于在上部豎向鋼管的頂端應(yīng)設(shè)置法蘭與風(fēng)機(jī)塔架進(jìn)行相接。這種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能夠很好地彌補(bǔ)單樁樁徑過大的缺陷，作業(yè)成本介于單樁與三腿導(dǎo)管架之間，適用的地質(zhì)條件比較廣泛，適用水深為30m以下。

3.3.3導(dǎo)管架基礎(chǔ)

導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)可根據(jù)實(shí)際情況需要設(shè)計(jì)成三腿、四腿結(jié)構(gòu)，又可分為直式、單傾、雙傾等形式。該基礎(chǔ)施工時(shí)需要使用兩套樁錘，因此，導(dǎo)管架基礎(chǔ)不宜用于淺水區(qū)域。導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)能夠較好地解決水下連接問題并且具備較好的承載能力，適用水深在30m以上。導(dǎo)管架基礎(chǔ)與單立柱三樁的施工工藝基本一致，然而其缺點(diǎn)在于該結(jié)構(gòu)地建設(shè)需要使用到大量的鋼材，因而在樁式基礎(chǔ)中往往較少采用到它。

3.3.4多樁承臺(tái)

多樁承臺(tái)基礎(chǔ)，又可劃分為高、低樁承臺(tái)，比如，我國(guó)的東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目，由于正處于橋下航道區(qū)域，因此，為了有效地避免發(fā)生意外碰撞而選擇高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在特定的海域內(nèi)，多樁承臺(tái)也具備一定的基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)：其要求的施工設(shè)備配置不高，國(guó)內(nèi)滿足要求的船舶資源較多，加上施工工藝較為成熟，適用與離岸15km以內(nèi)的海域施工。

3.4浮式基礎(chǔ)

水深在50m以上的近海區(qū)域的風(fēng)力機(jī)安裝作業(yè)過程中，浮式基礎(chǔ)具備明顯的優(yōu)勢(shì)。相比于固定樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架式這兩種結(jié)構(gòu)選型的高建設(shè)成本，浮式基礎(chǔ)作為風(fēng)力機(jī)的安裝平臺(tái)，利用錨泊系統(tǒng)進(jìn)行海床的錨定作業(yè)。浮式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)具備施工成本較低以及海上運(yùn)輸簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，因此在深水海域風(fēng)電場(chǎng)施工中，浮式基礎(chǔ)有著較為廣泛的應(yīng)用前景。通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)研究以及結(jié)合筆者多年工作實(shí)踐，浮式基礎(chǔ)主要有TLP、柱行浮筒以及三浮箱這三種類型。必須擁有足夠的浮力支撐風(fēng)電機(jī)組的重量，這是浮式基礎(chǔ)的硬性要求，同時(shí)還要求能夠有效地防止和抑制傾斜、搖晃以及方向移動(dòng)。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，避免強(qiáng)風(fēng)引起翻轉(zhuǎn)，是風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)過程中首先需要考慮的問題。比如英國(guó)BlueH公司在2008年建成首座海上浮式風(fēng)力機(jī)樣機(jī)，其先是在陸地上把風(fēng)力機(jī)與浮式基礎(chǔ)進(jìn)行組合，然后利用船運(yùn)輸?shù)骄唧w的安裝位置。從公開文獻(xiàn)資料來看，風(fēng)力機(jī)位于平臺(tái)中央主立柱上，這座樣機(jī)浮式平臺(tái)基礎(chǔ)，跟半潛式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)有所類似，同時(shí)為了保證風(fēng)力機(jī)穩(wěn)定使用可以調(diào)長(zhǎng)度的強(qiáng)力錨鏈線把它固定到海底重塊中，這樣一來讓該風(fēng)力機(jī)能夠在水深50-300m的海域中建設(shè)應(yīng)用。

4結(jié)束語

綜上所述，從研究來看海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中所能選擇到的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型眾多，并且它們各有優(yōu)點(diǎn)。在這種情況下我們需要充分結(jié)合具體海域情況、氣候環(huán)境以及建設(shè)成本等多方面因素綜合考量來做好海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型工作，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合具體選型采取適宜的施工技術(shù)與工藝，從而在有效地保證海上風(fēng)電建設(shè)質(zhì)量情況下提升其社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]張美陽,朱榮華,徐清富,李鳳.導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的過度段分析及優(yōu)化[D].現(xiàn)代海洋平臺(tái).2015(1).

[2]尚景宏,羅銳,張亮.海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型與施工工藝探討[J].應(yīng)用科技,2009(9).

[3]辛碩.海上風(fēng)電基礎(chǔ)型式與設(shè)計(jì)選型[J].科學(xué)與財(cái)富,2016(5).

作者:王革棟 單位:中交三航(上海)新能源工程有限公司