1.2 海上风电机组基础结构的分类及组成

虽然海上风电发展潜力毋庸置疑，但是相对陆地风电场，海上风电场工程技术复杂，建设技术难度较大的特点也是显而易见的。海上风电机组通常由塔头（风轮与机舱）、塔架和基础三部分组成。其中，海上风电机组基础对整机安全至关重要，其结构具有重心高、承受的水平力和倾覆弯矩较大等特点，在设计过程中还需充分考虑离岸距离、海床地质条件、海上风浪以及海流、冰等外部环境的影响，从而导致海上风电机组基础的造价约占海上风电场工程总造价的20%～30%。在充分考虑海上风电场复杂环境条件的基础上，慎重选择海上风电机组基础结构型式，并进行合理设计是海上风电场建设的关键。

风电机组基础作为风电机组的支撑结构，对风电系统的安全运行起着至关重要的作用。风电机组基础型式需要根据风电场所处位置及技术、经济等综合因素决定。海上风电机组基础处于海洋环境中，不仅要承受结构自重、风荷载，还要承受波浪、水流力等；同时，风电机组本身对基础刚度、基础倾角和振动频率等均有非常严格的要求，因而海上风电机组基础结构设计复杂，结构型式也由于不同的海况而多样化。海上风电机组基础根据与海床固定的方式不同，可分为固定式和浮式两大类，类似于近海固定式平台和移动式平台。两类基础适应于不同的水深，固定式一般应用于浅海，适应的水深在0～50m，其结构型式主要分为桩承式基础和重力式基础。浮式基础主要用于50m以上水深海域，是海上风电机组基础的深水结构型式。

1.2.1 桩承式基础

桩承式基础结构受力模式和建筑工程中传统的桩基础类似，由桩侧与桩周土接触面产生的法向土压力承受结构的水平向荷载，由桩端与土体接触的法向力以及桩侧与桩周土接触产生的侧向力来承受结构的竖向荷载。桩承式基础按照桩身材料不同可分为钢管桩基础和钢筋混凝土管桩基础，按照结构型式不同可分为单桩基础、三角架基础、导管架基础和群桩承台基础等。

单桩基础是最简单的基础结构型式，其受力形式简单，一般在陆上预制而成，通过液压锤撞击贯入海床或者在海床上钻孔后沉入，如图1-1所示。其优点主要是结构简单、安装方便。其不足之处在于受海底地质条件和水深约束较大，水太深易出现弯曲现象，对冲刷敏感，在海床与基础相接处，需做好防冲刷措施，并且安装时需要专用的设备（如钻孔设备），施工安装费用较高。单桩基础也是目前使用最为广泛的一种基础型式，国外现有的大部分海上风电场，如丹麦的Horns Rev和Nysted、爱尔兰的Arklow Bank、英国的North Hoyle、Scroby Sands和Kentish Flats等大型海上风电场均采用了这种基础。

随着水深的增加，单桩基础便不再适合，因为采用单桩基础既不经济，而且技术上的难度加大，施工可行性减低。因此，三角架基础应运而生。三角架基础吸取了海上油气开采中的一些经验，采用标准的三腿支撑结构，由圆柱钢管构成，增强了周围结构的刚度和强度，如图1-2所示。三角架的中心轴提供风机塔架的基本支撑，类似单桩基础。三角架基础适用于比较坚硬的海床，具有防冲刷的优点。德国的Alpha Ventus海上风电场首批海上机组中的6台，以及我国江苏如东150MW海上（潮间带）示范风电场的金风科技2.5MW机组都采用了三角架基础。

导管架基础如图1-3所示，它是一个钢质锥台形空间框架，以钢管为骨棱，基础为三腿或四腿结构，由圆柱钢管构成。基础通过结构各个支腿处的桩打入海床。导管架基础的特点是基础的整体性好，承载能力较强，对打桩设备要求较低。导管架的建造和施工技术成熟，基础结构受到海洋环境载荷的影响较小，对风电场区域的地质条件要求也较低。2006年，英国在其北海海域开展的Beatrice试验性项目中采用了导管架基础，项目所在海域水深48m，导管架高62m，平面尺寸20m× 20m，桩长44m，桩径1.8m，桩的壁厚60mm。瑞典的Utgrunden Ⅱ海上风电场项目也采用了导管架基础。

群桩承台基础为码头和桥墩常用的结构型式，由桩和承台组成，如图1-4所示。根据实际的地质条件和施工难易程度，可以选择不同根数的桩，外围桩一般整体向内有一定角度的倾斜，用以抵抗波浪、水流荷载，中间以填塞或者成型方式连接。承台一般为钢筋混凝土结构，起承上传下的作用，把承台及其上部荷载均匀地传到桩上。群桩承台基础具有承载力高，抗水平荷载能力强，沉降量小且较均匀的特点，缺点是现场作业时间较长，工程量大。我国上海东海大桥海上风电场项目即采用了世界首创的风电机组群桩承台基础。基础由8根直径为1.7m的钢管桩与承台组成，钢管桩为5.5∶1的斜桩，管材为Q345C，上段管壁厚30mm，下段管壁厚25mm，桩长为81.7m。8根桩在承台底面沿以承台中心为圆心，半径为5m的圆周均匀布置。

1.2.2 重力式基础

重力式基础顾名思义就是利用自身的重力来抵抗整个系统的滑动和倾覆。重力式基础一般由胸墙、墙身和基床组成，如图1-5所示。胸墙的作用主要有：①将塔筒和墙身连成整体；②直接承受冰荷载、船舶撞击等荷载，并将这些荷载传给下部结构；③设置防冲设施、系船设施和安全设施等。胸墙一般位于水位变动区，又直接承受波浪、冰凌和船舶的撞击作用，受力情况复杂，需要有足够的整体性和耐久性。胸墙设计时要考虑结构整体性、强度、刚度以及上部设备和塔筒安装的需要。墙身的作用是支撑胸墙，并将作用在上部及自身的荷载传给地基。基床的作用是扩散、减小地基应力，降低沉降，保护地基不受冲刷，便于整平地基，安装墙身等。

重力式基础根据墙身结构不同可划分为沉箱基础、大直径圆筒基础和吸力式基础。其中沉箱基础和大直径圆筒基础是码头中常用的基础结构型式，一般为预制钢筋混凝土结构，依靠自身及其内部填料的重力来维持整个系统的稳定使风电机组保持竖直。重力式基础必须有足够的自重来克服浮力并保持稳定。因此，重力式基础是所有基础类型中体积和质量最大的。此外，还可以通过往基础内部填充铁矿、砂石、混凝土和岩石等来提高基础的重力。重力式基础的重量和造价随着水深的增加而成倍增加。为避免基础与海床间的浮力，需具有足够的压重。重力式基础具有结构简单、造价低、抗风暴和风浪袭击性能好等优点，其稳定性和可靠性是所有基础中最好的。其缺点在于，地质条件要求较高，并需要预先处理海床，由于其体积大、重量大（一般要达1000t以上），海上运输和安装均不方便，并且对海浪的冲刷较敏感。丹麦的Vindeby和Middelgrunden海上风电场采用了这种基础型式。

吸力式基础是一种特殊的重力式基础，也称负压桶式基础，分为单桶（即一个吸力桶）、三桶和四桶几种结构型式。这是一种新的基础结构概念，在浅海和深海区域中都可以使用。在浅海中的吸力桶实际上是传统桩基础和重力式基础的结合，在深海中作为浮式基础的锚固系统，更能体现出其经济优势。吸力式基础利用了负压沉贯原理，是一钢桶沉箱结构，钢桶在陆上制作好以后，将其移于水中，向倒扣放置的桶体充气，将其气浮漂运到就位地点，定位后抽出桶体中的气体，使桶体底部附着于泥面，然后通过桶顶通孔抽出桶体中的气体和水，形成真空压力和桶内外水压力差，利用这种压力差将桶体插入海床一定深度，省去了桩基础的打桩过程。桶式基础大大节省了钢材用量和海上施工时间，采用负压施工，施工速度快，便于在海上恶劣天气的间隙施工。由于吸力式基础插入深度浅，只需对海床浅部地质条件进行勘察，而且风电场寿命终止时，可以简单方便地拔出并可进行二次利用。但在负压作用下，桶内外将产生水压差，引起土体渗流，虽然渗流能大大降低下沉阻力，但是过大的渗流将导致桶内土体产生渗流大变形，形成土塞，甚至有可能使桶内土体液化而发生流动等，在下沉过程中容易产生倾斜，需频繁矫正。丹麦的Frederikshavn海上风电场的建设中首次使用了吸力式基础。

1.2.3 浮式基础

浮式基础由浮体结构和锚固系统组成，如图1-6所示。浮体结构是漂浮在海面上的合式箱体，塔架固定其上，根据锚固系统的不同而采用不同的形状，一般为矩形、三角形或圆形。锚固系统主要包括固定设备和连接设备，固定设备主要有桩和吸力桶两种，连接设备大体上可分为锚杆和锚链两种。锚固系统相应地分为固定式锚固系统和悬链线锚固系统。浮式基础是海上风电机组基础的深水结构型式，主要用于50m以上水深海域。

浮式基础按照基础上安装的风电机组的数量分为多风电机组式和单风电机组式。多风电机组式即指在一个浮式基础上安装有多个风电机组，但因稳定性不容易满足和所耗费的成本过高，一般不予考虑。单风电机组式主要参考现有海洋石油开采平台而提出，因其技术上有参考对象，且成本较低，是未来浮式基础发展的主要方向。

浮式基础按系泊系统不同主要可分为Spar式基础、张力腿式基础和半潜式基础三种结构型式。Spar式基础通过压载舱使得整个系统的重心压低至浮心之下来保证整个风电机组在水中的稳定，再通过悬链线来保持整个风电机组的位置。张力腿式基础通过操作张紧连接设备使得浮体处于半潜状态，成为一个不可移动或迁移的浮体结构支撑。张力腿通常由1～4根张力筋腱组成，上端固定在合式箱体上，下端与海底基座相连或直接连接在固定设备顶端，其稳定性较好。半潜式基础依靠自身重力和浮力的平衡，以及悬链线锚固系统来保证整个风电机组的稳定和位置，结构简单且生产工艺成熟，单位吃水成本最低，经济性较好。

浮式基础属于柔性支撑结构，能有效降低系统固有频率，增加系统阻尼。与固定式基础相比，其成本较低，容易运输，而且能够扩展现有海上风电场的范围。由于深海风电机组承受荷载的特殊性、工作状态的复杂性、投资回报效率等，浮式基础目前在风电行业仍处于研究阶段。