海上风电基础设计与施工

1海上风电基础设计与施工目录2

国内外海上风电典型风机基础结构3荷载分类及作用组合5

海上风机基础型式选择及计算6

海上风机基础施工7海上风机安装21

国内外海上风电发展现状4海上风电风机基础设计流程1.1国内外海上风电发展现状3截至2016年底，欧洲海上风电累计装机容量1260万千瓦，占全球海上风电总装机的88%。英国是世界上最大的海上风电市场，装机容量占全球的近36%；其次是德国占29%。2016年，中国海上风电装机量约148万千瓦，占全球装机量的11%，取代了丹麦，位居第三。1.1国内外海上风电发展现状4根据水规总院发布的《中国可再生能源发展报告2017年》，2017年，中国风电新增1503万千瓦，累计装机16367万千瓦；其中海上风电新增67万千瓦，累计装机215万千瓦。1.2国内外海上风电发展趋势5从欧洲海上风电场规模、单机容量、水深和离岸距离来看，都在呈现不断增加的趋势。而投资呈现下降趋势1、欧洲在运风电场的平均单机容量为4.8兆瓦，并准备大规模安装6兆瓦以上大容量机组，包括通用（阿尔斯通）6兆瓦、西门子7兆瓦、三菱重工-维斯塔斯8兆瓦风力机等，已有13家供应商发布了8MW级以上风电机组。2、并网海上风电场平均规模为38万千瓦，相比2015年增加了12.3%。3、并网风电机组的平均水深为29.2米，最深已突破60米。4、平均离岸距离为43.5千米，最远已突破100千米。5、据英国皇家财产局编制的《成本下降监测框架》(CRMF）显示，随着技术的进步、规模效应的显现，预计到2025年，欧洲海上风电投资成本将在2015年的基础上下降35%～40%。6、2015年和2016年并网的东海大桥二期海上风电场和响水近海风电场，与早期的东海大桥一期海上风电场相比，工程成本降低了约20%。2国内外海上风电典型风机基础结构2.1国外海上风电典型风机基础结构62.2国内海上风电典型风机基础结构2.1国外海上风电典型风机基础结构7重力式基础单桩基础水上三桩（Tripile）水下三桩（Tripod）导管架基础吸力筒基础漂浮式风机基础8混凝土沉箱式9重力基座式10重力基座式11单桩基础12水上三桩基础13水下三桩基础14水下三桩基础15导管架基础16吸力桶基础17漂浮式基础英国的张力腿式BlueH风电机组挪威的Spar式Hywind风电机组2.2国内海上风电典型风机基础结构18低桩高台柱基础高桩承台基础单桩基础水下三角架基础（Tripod）导管架基础吸力筒基础19低桩高台柱基础20高桩承台基础21单桩基础22三角架基础23导管架基础24吸力桶基础25263荷载分类及作用组合荷载分为以下三类：1永久荷载，主要有上部结构传来的风电机组重力荷载Fzk

、基础及附属结构自重G、预加应力Np

等。2可变荷载，主要有上部结构传来的风电机组荷载水平力Fxk和Fyk

、水平力矩Mxk

和

Myk

、扭矩Mzk

，风荷载W、波浪力P、水流力Fw

、冰荷载

Fi

、船舶荷载F1

、结构施工检修过程中出现的短期荷载Fs

等。3偶然荷载，如地震作用力Fe

、海上漂浮物非正常撞击荷载F2

等。按承载能力极限状态设计风电机组基础时，应考虑荷载效应的基本组合；地震工况下应考虑荷载效应的偶然组合；按正常使用极限状态设计风电机组基础时，应考虑荷载效应的标准组合；风电机组基础疲劳工况设计时，应考虑荷载效应的标准组合。273荷载分类及作用组合海上风电机组基础设计对海洋水文资料的需求1、潮位：基面关系、冬季平均海平面、设计高、低水位、50年一遇高低水位；2、波浪：波高和周期联合分布、设计波高、波长、波周期3、海流：分层流速、流向，分考虑疲劳和极端工况。4、海冰：流冰漂移方向和速度、沿岸固定冰宽度、计算设计冰厚、海冰的力学性质，包括压缩强度、弯曲强度、弹性模量和泊松比。5、泥沙：海床运移，桩基局部冲刷（泥沙底部中值粒径）283荷载分类及作用组合波浪理论选择波浪力计算应注意几个方面：1、波浪理论的选择2、大尺寸构件不适合右图所示理论，应该进行数值计算或者试验。3、高桩承台位置较低时应考虑浮托力。293荷载分类及作用组合海冰作用计算由于远大于，海冰较严重区域，应设置抗冰椎体，使海冰弯曲破坏。30正锥体倒椎体孤立桩313荷载分类及作用组合323荷载分类及作用组合333荷载分类及作用组合承载能力极限工况取风电机组极限荷载设计值，正常使用极限工况取风电机组极限荷载标准值34基础载荷报告机组载荷计算厂家设计院接口塔架基础定型是否通过是否机组基础设计基础定型控制基础基础设计塔架控制Login载荷门户4海上风电风机基础设计流程海上风电风机基础设计流程目前有两种方式：分步迭代和一体化设计。一体化设计为金风等少数厂家新提出来的一种新的计算模式，厂家直接给出基础结构每个截面的内力，据说可以节省工程量10%~15%。载荷或者刚度误差在5%内一体化设计法分步迭代法354海上风电风机基础设计流程分步迭代法风机厂家载荷计算设计院基础设计FxyMxymaxH1%Fi(i=1~3)Mi(i=1~3)(Hs，Tp)ULSFLS波浪疲劳设计波法364海上风电风机基础设计流程一体化设计法一体化建模（SACS）一体化载荷计算（Bladed）一体化校核（SACS）（ULS、FLS）无缝无缝一体化校核（FLS）一体化校核（ULS）各截面时程或马尔科夫矩阵各截面极限载荷374海上风电风机基础设计流程基础设计总体流程一、输入资料整理分析二、基础选型三、基础结构设计与计算四、防腐蚀设计五、附属结构设计六、监测设计384海上风电风机基础设计流程输入资料整理分析输入资料工程地质海洋水文风电机组参数地形地貌岩层结构其他水深潮位波浪海流其他岩土物理力学特性塔底荷载塔架结构主机质量属性塔架附属结构布置其他395海上风机基础型式选择及计算基础型式选择1根据地质条件初选可能的基础型式2根据所选基础型式的特点，进行适宜性分析，选择3-4种基础型式3采取相同的控制标准，计算初选的各基础型式工程量4型式405海上风机基础型式选择及计算基础型式选择风机基础型式调研结构安全性分析施工可行性分析经济性分析确定基础型式冲刷稳定性实施设备、场内运输415海上风机基础型式选择及计算425海上风机基础型式选择及计算435海上风机基础型式选择及计算445江苏某风电场基础型式选择比选过程对目前国内外已经应用的基础型式进行初步分析，选择3-4款适合风风场地质、水文条件的基础型式。如高桩承台基础、单桩基础、三桩导管架基础和五桩导管架基础确定设计输入参数，基本按照相同控制标准对每一种基础型式进行结构静力和模态计算，提出工程量，并计算建安投资。从结构方案、施工设备、施工技术、施工周期、工程量以及经济性等方面对各种基础型式进行比较，提出相对较优的推荐方案和次之的备选方案。经济性为主参数，施工设备和工期为辅参数。455江苏某风电场基础型式选择比选过程对目前国内外已经应用的基础型式进行初步分析，选择3-4款适合风风场地质、水文条件的基础型式。如高桩承台基础、单桩基础、三桩导管架基础和五桩导管架基础确定设计输入参数，基本按照相同控制标准对每一种基础型式进行结构静力和模态计算，提出工程量，并计算建安投资。从结构方案、施工设备、施工技术、施工周期、工程量以及经济性等方面对各种基础型式进行比较，提出相对较优的推荐方案和次之的备选方案。经济性为主参数，施工设备和工期为辅参数。465海上风机基础型式选择及计算静力计算基础稳定性、结构强度、应力位移、变形宜建立三维有限元模型，应考虑荷载来自各个方向最不利因素，土壤的非线性动力计算自振特性、地震分析、冰激振动塔筒和基础模型应该建立，风电机组简化为有质量属性的质点疲劳计算风机荷载疲劳、波流疲劳、冰荷载疲劳宜采用时程分析法进行整体耦合疲劳分析，无条件时可以采取疲劳损伤累加风机基础计算475海上风机基础型式选择及计算风机基础计算流程确定基础高程-总体建模桩基承载力计算（确定桩基布置方案）结构应力计算（基本确定杆件、节点设计方案）模态分析（满足整机频率要求）地震验算疲劳验算总体方案（腐蚀裕量+涂层+牺牲阳极）制定涂层体系（根据腐蚀分区分别制定）牺牲阳极设计防腐设施维护方案腐蚀裕量计算（根据腐蚀分区分别计算）主要通过sacs、ansys等软件，建立三维模型，进行相应计算。由于公式太多，下面仅对桩基承载力计算进行汇报。485海上风机基础型式选择及计算风机基础平台高程的确定5海上风机基础型式选择及计算桩基计算(P-Y曲线法)桩基础轴向承载力计算应符合下式要求：进行静荷载试验时，5海上风机基础型式选择及计算抗压计算按承载力经验参数法，轴向抗压承载力设计值应符合下式要求（分别为打入式、灌注桩、嵌岩桩）：桩型Piletype桩的外径(m)Pileexternaldiameter取值说明敞

口

钢

管

桩Opensteelpipepile0.80<1.20入土深度大于20m或20

时取0.50~0.30Whenthesoildepthismorethan20mor20d,thevalueis0.50~0.30根据桩径、入土深度和持力层特性综合分析；入土深度较大，进入持力层深度较大，桩径较小时取大值，反之取小值Analyzebasedonthepilediameter,embedmentdepthandbearinglayerproperties.Uselargevalueforlargeembedmentdepthandsmallpilediameter;otherwiseusesmallvalue.1.20<1.50入土深度大于25m时取0.35~0.20Whenthesoildepthismorethan25m,thevalueis0.35~0.20>1.50入土深度小于25m时取0；Whenthesoildepthislessthan25m,thevalueis0.入土深度大于或*等于25m时取0.25~0Whenthesoildepthisnolessthan25m,thevalueis0.25~0.半敞

口钢

管桩Half-opensteelpipepile—参照同条件的敞口钢管桩酌情增大Increaseappropriatelyreferringtotheopensteelpipepileatthesamecondition.持力层为黏性土时增大值不宜大于敞口时的20%；较密实砂性土增大值可适当增加Whenthebearinglayerissoftclay,theincreaseshouldbenolargerthan20%oftheopenendsteel;Ifitiscompactedsandsoil,theincreasecouldbeincreasedappropriateamount.

5海上风机基础型式选择及计算抗拔计算按承载力经验参数法，轴向抗拔承载力设计值应符合下式要求（分别为打入式和灌注桩、嵌岩桩）：试桩要求：静载试验：每个风场一般要求进行两个桩的抗压、抗拔、水平静载试验。高应变动力试验法：对单桩轴向承载力进行检测，每台高桩承台基础不宜少于2根，其它型式基础每台不宜少于1根，单桩基础抽检比例不宜低于10%，且不少于2根。5海上风机基础型式选择及计算P-Y曲线-粘性土5海上风机基础型式选择及计算P-Y曲线-非粘性土5海上风机基础型式选择及计算轴向荷传递曲线5海上风机基础型式选择及计算桩端荷载位移曲线5海上风机基础型式选择及计算软粘土的侧向承载力5海上风机基础型式选择及计算软粘土的侧向承载力硬粘土（C>96kPa）在周期荷载作用下迅速退化，需降低极限抗力。它同样具有非线性的p-y曲线关系，但具有更大脆性。在进行这类型土设计时，需经相关实验确定。5海上风机基础型式选择及计算砂土的侧向承载力6海上风机基础施工6.1施工设备的现状596.2单桩基础的施工方案及设备配备6.3高桩承台基础的施工方案及设备配备6.4三角架基础的施工方案及设备配备6.5导管架基础的施工方案及设备配备6.6低桩高台柱基础的施工方案及设备配备60国外海上风电发展较快，专业施工船舶已经比较成熟。我国海上风电场发展较慢，海上风电场沉桩、混凝土浇筑、灌浆、风机安装、运输、拖航等施工设备主要主要来自原港口、码头等施工单位，主要包括中交一、三、四航局、打捞局等单位。随着单桩基础应用及大容量风电机组的投运，原有设备效率较低且适用性不够，因此近10年来，生产了约9艘海上风电场专用施工及安装船。分别是中交三航局的“风范号”和“风华号”、龙源振华的壹号和贰号、振华普丰的普丰托本号、华电重工的华电1001号，华尔辰工程公司的华尔辰号、南通海洋水建的海洋风电38、天津港航的港航平9号（最先进）。6.1施工设备的现状61港航平9号是目前主流的风电安装平台，集风电安装、海上打桩、起重打捞等多功能于一体的海上施工自升平台，平台总长118.8m，型宽42米，型深6.8米，桩腿长度73米，最大作业水深40米，最大起重量为1200吨，最大起升高度可达110米，是目前国内交付的起重量最大、功能最全面、技术最先进的海上风电施工平台。6.1施工设备的现状港航平9号62船长81.6m、宽40.8m、型深7.2m、桩腿长67m。可在水深40米以内的泥砂质海域作业。配备1000吨及360吨绕桩式全回转起重机各1台。抬升机构采用最先进的主辅油缸插销式，为国内首创。集大型设备吊装、风电基础打桩、设备安装、运输于一体，装载和起重能力强劲。6.1施工设备的现状三航“风华号”63船长78m、宽42m、型深6m、桩腿长67m。可在35m内水深海域作业，双钩360°全回转最大吊重800T，最大起重高度108m，最大风暴自存能力12级。配置有双层单桩抱桩器、双层多桩抱桩器。既可进行海上单管桩基础施工及多管桩基础施工也可进行海上大型风机吊装施工。。6.1施工设备的现状龙源振华贰号64船长100m、宽40m、型深8m、桩腿长78m。本船可同时用于漂浮模式和举升模式下的起吊作业，工作水深可达45米，配备利勃海尔全回转起重机最大吊重1000T，最大起重高度115m，最大风暴自存能力14级。“托本号”(TORBEN)是国内引进的先进的自带动力定位系统DP3的自升式起重平台。由于平台具有良好的机动性，将大大缩短风电安装的施工周期，提高施工效率，德国制造。6.1施工设备的现状普丰托本号65船长140米，型长89.9米，型宽39米，型深6.6米，设计吃水3.3米、桩腿长60米，最大作业水深(加入泥深度)达35米、最大起重700T大型吊机及120T辅助吊机各一台。6.1施工设备的现状华电1001号66“华尔辰”号工程船是由靖江南洋船舶制造有限公司制造的，该船采用双体船设计，是集风塔打桩、风电设备安装于一体的海上风电设备工程安装施工船舶，总造价达人民币3亿元左右。该船船长90米，船宽50米，型深6.8米。船体上配置83米高的主吊钩平台，主吊钩平台安装一台400吨能360度回转的起重机，最大吊高为120多米，相当于40层楼高。6.1施工设备的现状华尔辰号676.2单桩基础的施工方案及设备配备gang钢管桩制作686.2单桩基础的施工方案及设备配备单桩施工695.2单桩基础的施工方案及设备配备序号机械设备名称型号规格单位数量备注1全回转起重船800t级（起重能力）艘1配置S-1200（或MHU1200S）型液压

打桩锤作为首选桩锤，

S-1800（或MHU1900S）型液压打桩锤

作为备选桩锤2平底驳船3000t级艘2钢管桩、连接段钢管运输3平底驳船2000t级艘1灌浆施工船4平底驳船2000t级艘2单桩基础软体排施工5拖轮2000HP及以上艘3拖运、移位船舶6交通艇

艘2接送人员7抛锚艇

艘2起重船抛锚8补给船

艘2淡水与生活物资补给单桩施工设备配置表706.3高桩承台基础的施工方案及设备配备钢管桩制作716.3高桩承台基础的施工方案及设备配备高桩承台施工工艺726.3高桩承台基础的施工方案及设备配备高桩承台基础施工设备配置表736.4三脚架基础的施工方案及设备配备三角架基础施工工艺746.4三脚架基础的施工方案及设备配备三角架基础施工设备配置表756.5导管架基础的施工方案及设备配备钢管桩制作766.5导管架基础的施工方案及设备配备导管架基础施工工艺776.5导管架基础的施工方案及设备配备导管架基础施工工艺786.5导管架基础的施工方案及设备配备导管架基础施工工艺796.5导管架基础的施工方案及设备配备导管架基础施工工艺806.5导管架基础的施工方案及设备配备导管架基础施工设备配置表816.5低桩高台柱基础的施工方案及设备配备PHC施工工艺826.5低桩高台柱基础的施工方案及设备配备混凝土施工工艺836.5低桩高台柱基础的施工方案及设备配备基础施工设备配置表序号设备名称型号及规格单位数量备注1布料机TB110G台1

2平板汽车10t辆2

3平板汽车40t辆2

4长臂反铲EX210LC台2

5混凝土搅拌运输车6m³辆6

6履带吊50t台2

7滚筒式打桩机

台2

8汽车吊30t辆2

9汽车吊20t辆1

10压路机15t台1

11推土机TY220台1

12蛙式打夯机

辆4

13钢筋调直机

台2

14钢筋切断机

台2

15钢筋弯曲机

台2

16各种电焊机

台6

17CO2自动保护焊机

台4

18柴油发电机75KW台1移动式19潜水泵7.5KW台164个风机基础20箱式移动冷水机EPC50型台4

7海上风机安装7.1施工设备的现状，同风机基础自升式安装船847.2主要风机安装方法及特点7.3整体式风电机组安装7.4分体式风电机组安装857.2主要风机安装方法及特点安装设备组成优缺点浮坞方案浮坞只能作为施工平台，需在平台上置750t履带吊和150t