1.1 海上風機基礎型式

海上風電最早始于歐洲，1990年，在瑞典Nogersund安裝了世界上第一臺單機容量為220kW的海上風電機組；1991年，在丹麥Vindeby建設了世界上第一座商業海上風電場；2001年，世界第一座大型海上風電場Horns Rev也在丹麥建成并投入使用。自此，海上風電技術開始大力發展，單機裝機容量不斷提高，基礎型式也不斷改進，并涌現出一些新型基礎型式與混合基礎型式。

海上風機基礎型式按結構型式及其安裝方法分為樁式基礎、重力式基礎、吸力式筒形基礎和浮式基礎等，幾種海上風機基礎型式如圖1-1所示。其中，樁式基礎是最常用的基礎型式，單樁基礎、導管架基礎、高樁承臺基礎等均屬樁式基礎。

1.1.1 樁式基礎

1.1.1.1 單樁基礎

單樁基礎的概念最早于1994年由荷蘭萊利公司提出，是海上風電場建設中應用最多的基礎型式。單樁基礎作為一種簡單的樁基型式，具有制造快速、安裝簡單的優點，風機塔架由單個大直徑樁基支承，既可直接用法蘭連接，也可通過過渡段灌漿連接，單樁基礎型式如圖1-2所示。基礎施工時，一般采用鉆孔或打樁技術將鋼管樁打入海床，上部結構再通過過渡段灌漿或直接采用法蘭與鋼管樁連接。單樁直徑一般為4～7m，壁厚約為直徑的1/100，插入海床的深度與土壤的強度有關。

單樁基礎的優缺點見表1-1。

綜上所述，單樁基礎主要受限于整體剛度、振動及變形因素，適用于海床表層承載能力高，且平均水深在0～30m的場址。目前，歐洲正在研發10m樁徑的超大直徑單樁基礎，使其應用到海域水深更深、機組容量更大的海上風電場建設中，如此，單樁基礎型式在較深海域中也將成為一種合適的選擇。

1.1.1.2 水下多樁基礎

三樁基礎在水下多樁基礎中較為常見，其結構中心為連接塔筒的單立柱，單立柱通過三根斜撐連接樁套管，鋼管樁通過三樁基礎的三個樁套管固定于海床。樁套筒與樁通常采用灌漿進行連接，水下三樁基礎型式如圖1-3所示。底座寬度和打樁深度由工程海域的海洋水文和工程地質等條件決定。與單樁基礎相比，水下多樁基礎具有更高的穩定性和抗側剛度，適合20～50m的水深場址條件。水下多樁基礎由于樁套筒較長，在淺水海域影響船只的停靠。

水下多樁基礎的優缺點見表1-2。

水下三樁基礎在德國Alpha Ventus（Borkum West Ⅰ）風電場首次應用，并對該基礎型式開展了大量的研究工作，該基礎型式后續又推廣到Borkum West Ⅱ與Baltic 2兩個項目中，國內的潮間帶海上風電場采用過水下六樁基礎，如圖1-4所示。

1.1.1.3 水上三樁基礎

水上三樁基礎可以看作是對水下三樁基礎的演變，最早由德國BARD公司在近海風電場項目中應用，并在2013年建成了世界上首個以此基礎型式為主的海上風電場；很多人將其與水下三樁基礎劃分為一類，這種結構安裝時先將三根鋼管樁精確打入海床，調平后，再安裝上部結構，一般通過水上灌漿連接鋼管樁與上部結構，使上部結構承擔風電機組的荷載，如圖1-5所示。依據Det Norske Veritas（DNV）的相關建議，此結構適用于25～40m水深的場址條件。雖然適宜較深的水深，但有人認為此種結構有三根獨立樁懸挑于水面以上，重心高，抗側剛度差，受到風、浪荷載作用反應更加明顯，上部結構笨重不利于運輸。

因此，水上三樁基礎只在少數風電場得到應用，該基礎型式造價相對較高，建造比較復雜，但水上三樁基礎能有效解決目前海上安裝作業時間短和受天氣影響大的問題，通過水上灌漿進行快速連接，是一種很好的連接方式。

水上三樁基礎的優缺點見表1-3。

1.1.1.4 導管架基礎

導管架基礎由桁架結構作為中間支撐，通過3～6根垂直或傾斜的鋼管樁固定在海床上。導管架基礎通過灌注高強灌漿材料或其他形式與鋼管樁連接，導管架頂部通常通過內法蘭與風機塔筒連接。這類基礎適合水深10～50m的場址條件，而且已經在海洋石油和天然氣平臺中使用了40多年。隨著水深的增加，這種基礎型式的優勢更加明顯，但由于其節點多且復雜，建造工作量較大。導管架基礎適合的場址條件很廣，并且到目前為止沒有主體結構發生破壞的報告。

導管架基礎是目前歐洲海上風電場用得較多的一種基礎型式，也是未來發展的趨勢。根據打樁的先后順序，導管架基礎分先樁法導管架基礎與后樁法導管架基礎。后樁法導管架基礎與海洋石油平臺的導管架基礎類似，導管架基礎上設置有防沉板與樁靴（又稱“樁套管”），先沉放導管架，再將鋼管樁從樁靴穿入打入海床，后樁法導管架基礎曾應用于英國的Beatrice海上風電示范項目中，如圖1-6所示，以后絕大部分導管架基礎均為先樁法，如圖1-7所示。以四樁先樁法導管架基礎為例，首先在海底打入4根呈正方形布置的鋼管樁，然后進行導管架基礎整體吊裝。吊裝過程通過導向板將基礎腿部插入鋼樁，再完成導管架基礎的定位及調平工作，最后進行水下灌漿施工。

導管架基礎的優缺點見表1-4。

1.1.1.5 高樁承臺基礎

高樁承臺基礎由樁和連接樁頂的樁承臺（簡稱承臺）組成。一般通過8根呈正八邊形布置的內傾鋼管樁定位于海底，樁頂通過鋼箱梁和鋼筋網連接支撐上部承臺結構，如圖1-8所示。高樁承臺基礎在國內具有較大優勢，主要表現在對施工設備配置要求不高、國內能進行施工的船舶及施工裝備資源較多、適合在離岸距離不遠的海域施工。此外，高樁承臺基礎具有承載力高、沉降量小且較均勻的特點，可應用于各種工程地質條件。這類基礎適合0～20m的水深場址條件，由于需要在海上現場澆筑大量混凝土，海上施工作業時間長，不宜用于離岸較遠的海域。文獻[12]中表明由于我國和歐洲國家不同的地質條件和打樁裝備的差距，歐洲國家主要選擇單樁基礎作為近海風電場的基礎型式，而我國東部海域則可使用高樁承臺基礎。我國第一個海上風電場——東海大橋海上風電場就是應用該基礎型式。

高樁承臺基礎的優缺點見表1-5。

1.1.2 重力式基礎

重力式基礎由鋼筋混凝土或鋼質基礎結構作為基座坐立于海床面上，通過過渡段或豎井頂法蘭與塔筒連接，如圖1-9所示。該基礎型式屬于一種混凝土基礎結構，施工時可以帶或不帶小型鋼質或混凝土基座，可選用砂石、鐵礦石或巖石等來獲得足夠重力的壓載物，將它們填入重力式基礎中，可根據實際的地質條件調節底座寬度。重力式基礎的底座一般是平板或環板，基礎周邊需有防沖刷保護。

重力式基礎是最早應用于海上風電場建設的基礎型式，主要依靠自重使塔筒保持垂直，有混凝土重力式基礎和鋼沉箱基礎兩種類型，適用于地質較好，水深從0～25m的場址條件。由于混凝土的價格遠低于鋼材，該基礎在淺水海域經濟性較好。水深大于20m時，為保證有足夠重量抵抗環境荷載，其尺寸和造價隨水深的增加而增大。

現在大多數重力式基礎為鋼筋混凝土沉箱結構，在風電場附近的碼頭用鋼筋混凝土預制沉箱，然后用氣囊助浮、拖輪牽引其漂浮到安裝位置，并用砂礫填充基礎內部以獲得必要的壓載，繼而將其沉入海底，類似于重力式碼頭沉箱。

重力式基礎的優缺點見表1-6。

1.1.3 吸力式筒形基礎

吸力式筒形基礎（或負壓筒形基礎，簡稱吸力筒基礎）由倒扣式筒形結構作為基座吸附于海床面，基礎下部通過負壓貫入海床以下一定深度，上部通過過渡段或鋼管頂內法蘭與塔筒連接。

吸力式筒形基礎是近年來國外逐漸發展起來的一種新型的風機基礎。該基礎形狀為大型圓柱狀鋼制或混凝土薄壁結構，其頂端封閉，底部開口，并在頂部設有排水抽氣口，與樁基礎相比，其嵌入深度比較小，但是筒直徑一般比樁直徑大很多。丹麥在2002年和2009年分別成功地將吸力筒基礎應用于位于灘涂的風電機組和海上測風塔。2005年，德國在海上嘗試為一臺6MW的Enercon風電機組安裝一個直徑16m的吸力式筒形基礎，然而在負壓沉貫過程中吸力筒筒壁受到船只的意外撞擊而屈曲，最終導致整個沉貫施工失敗。盡管目前吸力式筒形基礎的技術難度較大并且有失敗的教訓，但是由于其本身在施工、承載和重復利用等方面有獨特的優勢，在英國、德國和丹麥受到關注。我國也有單位做了一些有效探索，并成功施工安裝了有海上風電機組樣機的混凝土吸力筒形基礎。常見的兩種吸力式筒形基礎如圖1-10所示。

吸力式筒形基礎的優缺點見表1-7。

1.1.4 浮式基礎

在水深超過50m的海上風電場，采用樁基礎等海上固定式基礎已經無法滿足經濟性的要求，需要一種新的結構型式，而浮式基礎可能是這一區域最適合的選擇。浮式風電機組使用浮式結構作為海上風機的基礎平臺，平臺再用系泊系統錨定于海床，對地質條件沒有較高要求，且容易運輸，具有廣闊的應用前景。

圖1-11所示為比較有代表性的浮式基礎。這種結構在深海優勢明顯，且具有便于運輸、安裝，便于拆除等優勢。但這種結構不適用于淺海；其運動特性對機組運行影響較大，與近岸固定式基礎型式相比，其技術尚不成熟，投資高。

2009年9月，世界上第一個海上漂浮式風電機組Hywind在挪威正式啟用，單機容量為2.3MW, Hywind風電機組設置在一個柱形浮標上，浮標通過三根纜索與海底固定，里面放入水和巖石當作壓艙物。當時挪威國家石油公司（Statoil）計劃對其進行為期兩年的試驗測試后，尋求國際伙伴合作，建造更多的漂浮式風電機組。盡管浮式風電機組的商業化還需很長一段時間，但是目前國際上已經提出了各種不同的浮式平臺概念形式，如Tri-floater、WindSea、Sway、Minifloat、Windfloat、mini TLP等，并對浮式風電機組進行了大量的模型試驗和數值研究工作。

50m以上的深海風電場將是全球未來海上風電發展的重要領域，隨著風電場向深海的發展，浮式基礎必然有其廣闊的應用前景。浮式基礎的優點為：對水深不敏感，安裝深度可達50m以上，對地質條件沒有較高要求。缺點為：穩定性較差；浮式平臺與錨泊定位系統的設計有一定難度。

針對實際工程，需根據工程地質特點、水深、風電機組容量、安裝設備以及當地特定因素等，選擇合適的風機基礎型式。為了更好地對比各基礎型式及相應的工程應用，表1-8給出了單樁基礎、水下三樁基礎、水上三樁基礎、導管架基礎、重力式基礎以及高樁承臺基礎的對比表。