1.2 海上風電機組基礎結構的分類及組成

雖然海上風電發展潛力毋庸置疑，但是相對陸地風電場，海上風電場工程技術復雜，建設技術難度較大的特點也是顯而易見的。海上風電機組通常由塔頭（風輪與機艙）、塔架和基礎三部分組成。其中，海上風電機組基礎對整機安全至關重要，其結構具有重心高、承受的水平力和傾覆彎矩較大等特點，在設計過程中還需充分考慮離岸距離、海床地質條件、海上風浪以及海流、冰等外部環境的影響，從而導致海上風電機組基礎的造價約占海上風電場工程總造價的20%～30%。在充分考慮海上風電場復雜環境條件的基礎上，慎重選擇海上風電機組基礎結構型式，并進行合理設計是海上風電場建設的關鍵。

風電機組基礎作為風電機組的支撐結構，對風電系統的安全運行起著至關重要的作用。風電機組基礎型式需要根據風電場所處位置及技術、經濟等綜合因素決定。海上風電機組基礎處于海洋環境中，不僅要承受結構自重、風荷載，還要承受波浪、水流力等；同時，風電機組本身對基礎剛度、基礎傾角和振動頻率等均有非常嚴格的要求，因而海上風電機組基礎結構設計復雜，結構型式也由于不同的海況而多樣化。海上風電機組基礎根據與海床固定的方式不同，可分為固定式和浮式兩大類，類似于近海固定式平臺和移動式平臺。兩類基礎適應于不同的水深，固定式一般應用于淺海，適應的水深在0～50m，其結構型式主要分為樁承式基礎和重力式基礎。浮式基礎主要用于50m以上水深海域，是海上風電機組基礎的深水結構型式。

1.2.1 樁承式基礎

樁承式基礎結構受力模式和建筑工程中傳統的樁基礎類似，由樁側與樁周土接觸面產生的法向土壓力承受結構的水平向荷載，由樁端與土體接觸的法向力以及樁側與樁周土接觸產生的側向力來承受結構的豎向荷載。樁承式基礎按照樁身材料不同可分為鋼管樁基礎和鋼筋混凝土管樁基礎，按照結構型式不同可分為單樁基礎、三角架基礎、導管架基礎和群樁承臺基礎等。

單樁基礎是最簡單的基礎結構型式，其受力形式簡單，一般在陸上預制而成，通過液壓錘撞擊貫入海床或者在海床上鉆孔后沉入，如圖1-1所示。其優點主要是結構簡單、安裝方便。其不足之處在于受海底地質條件和水深約束較大，水太深易出現彎曲現象，對沖刷敏感，在海床與基礎相接處，需做好防沖刷措施，并且安裝時需要專用的設備（如鉆孔設備），施工安裝費用較高。單樁基礎也是目前使用最為廣泛的一種基礎型式，國外現有的大部分海上風電場，如丹麥的Horns Rev和Nysted、愛爾蘭的Arklow Bank、英國的North Hoyle、Scroby Sands和Kentish Flats等大型海上風電場均采用了這種基礎。

隨著水深的增加，單樁基礎便不再適合，因為采用單樁基礎既不經濟，而且技術上的難度加大，施工可行性減低。因此，三角架基礎應運而生。三角架基礎吸取了海上油氣開采中的一些經驗，采用標準的三腿支撐結構，由圓柱鋼管構成，增強了周圍結構的剛度和強度，如圖1-2所示。三角架的中心軸提供風機塔架的基本支撐，類似單樁基礎。三角架基礎適用于比較堅硬的海床，具有防沖刷的優點。德國的Alpha Ventus海上風電場首批海上機組中的6臺，以及我國江蘇如東150MW海上（潮間帶）示范風電場的金風科技2.5MW機組都采用了三角架基礎。

導管架基礎如圖1-3所示，它是一個鋼質錐臺形空間框架，以鋼管為骨棱，基礎為三腿或四腿結構，由圓柱鋼管構成。基礎通過結構各個支腿處的樁打入海床。導管架基礎的特點是基礎的整體性好，承載能力較強，對打樁設備要求較低。導管架的建造和施工技術成熟，基礎結構受到海洋環境載荷的影響較小，對風電場區域的地質條件要求也較低。2006年，英國在其北海海域開展的Beatrice試驗性項目中采用了導管架基礎，項目所在海域水深48m，導管架高62m，平面尺寸20m× 20m，樁長44m，樁徑1.8m，樁的壁厚60mm。瑞典的Utgrunden Ⅱ海上風電場項目也采用了導管架基礎。

群樁承臺基礎為碼頭和橋墩常用的結構型式，由樁和承臺組成，如圖1-4所示。根據實際的地質條件和施工難易程度，可以選擇不同根數的樁，外圍樁一般整體向內有一定角度的傾斜，用以抵抗波浪、水流荷載，中間以填塞或者成型方式連接。承臺一般為鋼筋混凝土結構，起承上傳下的作用，把承臺及其上部荷載均勻地傳到樁上。群樁承臺基礎具有承載力高，抗水平荷載能力強，沉降量小且較均勻的特點，缺點是現場作業時間較長，工程量大。我國上海東海大橋海上風電場項目即采用了世界首創的風電機組群樁承臺基礎。基礎由8根直徑為1.7m的鋼管樁與承臺組成，鋼管樁為5.5∶1的斜樁，管材為Q345C，上段管壁厚30mm，下段管壁厚25mm，樁長為81.7m。8根樁在承臺底面沿以承臺中心為圓心，半徑為5m的圓周均勻布置。

1.2.2 重力式基礎

重力式基礎顧名思義就是利用自身的重力來抵抗整個系統的滑動和傾覆。重力式基礎一般由胸墻、墻身和基床組成，如圖1-5所示。胸墻的作用主要有：①將塔筒和墻身連成整體；②直接承受冰荷載、船舶撞擊等荷載，并將這些荷載傳給下部結構；③設置防沖設施、系船設施和安全設施等。胸墻一般位于水位變動區，又直接承受波浪、冰凌和船舶的撞擊作用，受力情況復雜，需要有足夠的整體性和耐久性。胸墻設計時要考慮結構整體性、強度、剛度以及上部設備和塔筒安裝的需要。墻身的作用是支撐胸墻，并將作用在上部及自身的荷載傳給地基。基床的作用是擴散、減小地基應力，降低沉降，保護地基不受沖刷，便于整平地基，安裝墻身等。

重力式基礎根據墻身結構不同可劃分為沉箱基礎、大直徑圓筒基礎和吸力式基礎。其中沉箱基礎和大直徑圓筒基礎是碼頭中常用的基礎結構型式，一般為預制鋼筋混凝土結構，依靠自身及其內部填料的重力來維持整個系統的穩定使風電機組保持豎直。重力式基礎必須有足夠的自重來克服浮力并保持穩定。因此，重力式基礎是所有基礎類型中體積和質量最大的。此外，還可以通過往基礎內部填充鐵礦、砂石、混凝土和巖石等來提高基礎的重力。重力式基礎的重量和造價隨著水深的增加而成倍增加。為避免基礎與海床間的浮力，需具有足夠的壓重。重力式基礎具有結構簡單、造價低、抗風暴和風浪襲擊性能好等優點，其穩定性和可靠性是所有基礎中最好的。其缺點在于，地質條件要求較高，并需要預先處理海床，由于其體積大、重量大（一般要達1000t以上），海上運輸和安裝均不方便，并且對海浪的沖刷較敏感。丹麥的Vindeby和Middelgrunden海上風電場采用了這種基礎型式。

吸力式基礎是一種特殊的重力式基礎，也稱負壓桶式基礎，分為單桶（即一個吸力桶）、三桶和四桶幾種結構型式。這是一種新的基礎結構概念，在淺海和深海區域中都可以使用。在淺海中的吸力桶實際上是傳統樁基礎和重力式基礎的結合，在深海中作為浮式基礎的錨固系統，更能體現出其經濟優勢。吸力式基礎利用了負壓沉貫原理，是一鋼桶沉箱結構，鋼桶在陸上制作好以后，將其移于水中，向倒扣放置的桶體充氣，將其氣浮漂運到就位地點，定位后抽出桶體中的氣體，使桶體底部附著于泥面，然后通過桶頂通孔抽出桶體中的氣體和水，形成真空壓力和桶內外水壓力差，利用這種壓力差將桶體插入海床一定深度，省去了樁基礎的打樁過程。桶式基礎大大節省了鋼材用量和海上施工時間，采用負壓施工，施工速度快，便于在海上惡劣天氣的間隙施工。由于吸力式基礎插入深度淺，只需對海床淺部地質條件進行勘察，而且風電場壽命終止時，可以簡單方便地拔出并可進行二次利用。但在負壓作用下，桶內外將產生水壓差，引起土體滲流，雖然滲流能大大降低下沉阻力，但是過大的滲流將導致桶內土體產生滲流大變形，形成土塞，甚至有可能使桶內土體液化而發生流動等，在下沉過程中容易產生傾斜，需頻繁矯正。丹麥的Frederikshavn海上風電場的建設中首次使用了吸力式基礎。

1.2.3 浮式基礎

浮式基礎由浮體結構和錨固系統組成，如圖1-6所示。浮體結構是漂浮在海面上的合式箱體，塔架固定其上，根據錨固系統的不同而采用不同的形狀，一般為矩形、三角形或圓形。錨固系統主要包括固定設備和連接設備，固定設備主要有樁和吸力桶兩種，連接設備大體上可分為錨桿和錨鏈兩種。錨固系統相應地分為固定式錨固系統和懸鏈線錨固系統。浮式基礎是海上風電機組基礎的深水結構型式，主要用于50m以上水深海域。

浮式基礎按照基礎上安裝的風電機組的數量分為多風電機組式和單風電機組式。多風電機組式即指在一個浮式基礎上安裝有多個風電機組，但因穩定性不容易滿足和所耗費的成本過高，一般不予考慮。單風電機組式主要參考現有海洋石油開采平臺而提出，因其技術上有參考對象，且成本較低，是未來浮式基礎發展的主要方向。

浮式基礎按系泊系統不同主要可分為Spar式基礎、張力腿式基礎和半潛式基礎三種結構型式。Spar式基礎通過壓載艙使得整個系統的重心壓低至浮心之下來保證整個風電機組在水中的穩定，再通過懸鏈線來保持整個風電機組的位置。張力腿式基礎通過操作張緊連接設備使得浮體處于半潛狀態，成為一個不可移動或遷移的浮體結構支撐。張力腿通常由1～4根張力筋腱組成，上端固定在合式箱體上，下端與海底基座相連或直接連接在固定設備頂端，其穩定性較好。半潛式基礎依靠自身重力和浮力的平衡，以及懸鏈線錨固系統來保證整個風電機組的穩定和位置，結構簡單且生產工藝成熟，單位吃水成本最低，經濟性較好。

浮式基礎屬于柔性支撐結構，能有效降低系統固有頻率，增加系統阻尼。與固定式基礎相比，其成本較低，容易運輸，而且能夠擴展現有海上風電場的范圍。由于深海風電機組承受荷載的特殊性、工作狀態的復雜性、投資回報效率等，浮式基礎目前在風電行業仍處于研究階段。