2020海上风机机组基础设计技术

海上风电机组基础设计技术目录TOC\o"1-1"\h\u23164一、海上风电机组基础的设计 316387二、海上风电机组基础类型 49120三、基础载荷分析 923139四、海上风电机组基础的应用 11一、海上风电机组基础的设计１设计依据１）如图３⁃１所示，基础指建筑底部与地基接触的承重构件，其作用是把建筑上部的载荷传给地基。因此地基必须坚固、稳定且可靠。工程结构物地面以下的部分结构构件，用来将上部结构载荷传给地基，是房屋、桥梁、码头及其他构筑物的重要组成部分。图３⁃１基础的基本结构示意图２）承受水动力、空气动力双重载荷作用，需要综合考虑风及波浪载荷、支撑结构和风电机组机头的动力学特性以及风电机组控制系统的响应等因素，依据为ＩＥＣ６１４００⁃３（海上风电机组的设计要求）。３）海上风电机组基础载荷设计需要考虑风力机的推力和转矩，上风向风力机偏航稳定性，风电机组重力作用，波浪、海流的作用等。２基础的选择依据１）水深。水深增加后，倾覆的可能性增大，支撑同样的风电机组需要更大的结构，工作环境更加困难。２）土壤和海床条件。涉及地层学、土壤强度、岩表深度、海床迁移率（整体迁移、当地冲刷）。３）环境载荷。涉及风电机组载荷、波浪高度与周期、破碎波条件、海流速度、冰载荷、海洋生物附着生长。４）施工与安装。装配及海岸施工设施，可利用的安装设备，基础运输设备（涉及基础体积大小、重量），基础连接，包括安装速度要求、临时支撑、安装过程监控等。基础的安装涉及可利用的安装设备，如顶起、钻井浮船、打桩设备、放缆；当地后勤限制，如海港、海岸设备，水深、潮汐限制；法律允许条件和气候限制条件等。５）建设成本。制作成本，包括原材料成本、制作位置尽可能设在港口、运输方式（如整体）、制造形式；安装成本，包括监测、港口运输、现场作业时间与延误时间（时间偏差、气候影响）；拆除成本及风险等。３基础设计要点１）风和波浪的组合载荷；２）动态载荷；３）疲劳与有限元分析；４）与机组发生固有频率共振；５）基础连接方式；６）电缆连接（Ｊ型管）；７）防腐保护措施；８）冲刷保护措施９）建设可行性；１０）成本；１１）拆除。二、海上风电机组基础类型海上风电机组基础类型包括重力式（Ｇｒａｖｉｔｙｂａｓｅｄ）、单桩式（Ｍｏｎｏ⁃ｐｉｌｅ）、三脚架（Ｔｒｉｐｏｄ，多桩式）、导管架式（Ｊａｃｋｅｔ）、负压桶式（ＳｕｃｔｉｏｎＢｕｃｋｅｔ）、漂浮式（Ｆｌｏａｔｉｎｇｔｙｐｅ）等。１重力基础（１）原理如图３⁃２所示，主要材料为钢或者混凝土，类似于钢筋混凝土重力沉箱，用圆柱钢管取代钢筋混凝土，将其嵌入到海床的扁钢箱里建造，依靠基础的重力抵抗倾覆力矩，同时，抵抗上部结构传至基础的载荷。（２）特点

图３⁃２重力式基础示意图基础结构简单、造价低，抗风暴和风浪袭击性能好，稳定性和可靠性好，需要压舱物，安装技术成熟，属塔筒基础。依靠自身重量固定风电机组，重量减轻，范围为８０～１００ｔ。缺点是施工时需要整理海床，受海浪冲刷影响大，且仅适用于浅水海域；对于海浪冲刷比较敏感，体积和重量大，拆除困难。（３）适用范围适合于浅水场址，如０～１０ｍ水深，海床较坚硬。（４）施工首先对海底进行预平整处理，凿开海床表层换以一层沙砾层。基础就位之后，再用混凝土将其周边固定。最后在基础周边覆盖碎石垫层，以防止海浪冲刷。２单桩基础（１）原理如图３⁃３所示，钢桩直径为４～ｍ或５～ｍ、厚度为３０～ｍｍ，通过打图３⁃３单桩基础示意图入钻孔，需要一个过渡段固定在桩上部，并安装在海床下１０～２０ｍ的地方，其深度由海床地面的类型决定，塔架伸到水下及海床内。该基础通过侧面土压力来抵抗风电机组载荷，利用桩与土之间的摩擦力抵抗竖向载荷。（２）特点不需要整理海床，制造相对简单，适合０～３０ｍ中等水深，安装简便，结构简单，节省材料。缺点是受海底地质条件和水深约束较大，对冲刷、振动和垂直度较为敏感。需要专用安装（钻洞）设备，不适合海床内有很多大漂石的位置，移动困难。（３）施工用打桩、钻孔或喷孔的方法将单立柱基础安装在海底泥面以下特定的深度。采用不同的施工方式，桩径的选择也不同。如果在打桩过程中遇到一块大漂石，一般可能在石头上钻孔，然后用爆破物将其炸开，继而打成小石头。３三脚架基础（多桩式基础）（１）原理三脚架基础亦称多桩式基础，类似小型油气开采平台常用的三脚架基础。如图３⁃４所示，重量轻、经济的三脚钢套管，其塔架下面的钢桩分布着一些钢架，分别承受了塔架对于三个钢桩的压力，受土壤条件和冰冻负荷限制，采用小直径钢桩和管状钢结构，以及填塞或者成型连接方式。通过三脚架增强了结构的刚度和强度，三脚架的中心轴提供风电机组塔架的基本支撑。分为简单三桩／四桩支撑、复合三桩支撑两种形式。（２）特点

图３⁃４三脚架基础示意图克服了单桩基础需要冲刷防护的缺点，稳定性较好。三个钢桩被埋置于海床下１０～２０ｍ的地方，适合水深的地区，如３０ｍ以上水域，坚固、应用范围广。缺点是受海底地质条件约束较大，适用于海床较为坚硬的海域，不宜用于浅海域、软海床，同时，存在费用高、移动困难等不足。４导管架式基础图３⁃５所示为导管架式基础示意图，特点为能够有效提高支撑结构的刚度，适用于大容量风电机组；同时，对地质条件要求不高，受波浪和海流的作用甚小，技术成熟。但是，也存在基础的造价随着水深的增加呈指数增长，应用受到一定的限制等不足。５负压桶式基础（１）原理

图３⁃５导管架式基础示意图如图３⁃６所示，负压桶式基础为传统桩基和重力基础的结合，采用钢箱结构，主要依靠重力插入海床，抽出箱内海水以产生压力，可以用于海上平台安装的锚泊固定。（２）特点

图３⁃６负压桶式基础示意图加工制造相对简单、费用较低；安装速度快、费用少，即使在海上天气恶劣的情况下也可进行施工作业；拆除方便，且可以二次利用；只需对海床浅部地质条件进行勘察，无需或只需少量整理海床，适合大于２０ｍ水深场合，不适合浅海域，且因增加了冰载荷，船只难以靠近。分为单气压沉箱、三脚架气压沉箱两种类型。缺点是桶内外的水压差可能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。在下沉过程中容易产生倾斜，需频繁做矫正处理。（３）安装定位后抽出筒体中的气体，使筒体底部附着在泥面，然后通过筒顶的通孔抽出筒体中的气体和水，利用形成的真空压力和筒内外水压力差将筒体插入海床一定深度。６漂浮式基础（１）原理如图３⁃７所示，适合深海（～ｍ水深），用于构建未固定基础的浮动近海风电机组群。以３台或更多的风电机组为一个单元，每一台机组的塔架底部由一个圆弧状钢结构件刚性连接在一起，或利用基础以及系泊系统相互之间的耦合作用抵抗上部结构传至基础的载荷。漂浮式基础有三种类型，其中，３⁃８所示为水下抛锚式基础示意图，外，还包括三浮箱式、重力摆锤式基础。（２）特点

图３⁃７漂浮式基础示意图便于移动和拆卸，对水深不敏感，适用海域范围广，利于减少风电机组基础建设成本。缺点是该技术还有待开展深入研究和应用开发，不稳定，只适合风浪小的海域。表３⁃１列举了各种基础结构的适用水深。以单桩基础为例，其海上安装过程包括起吊、翻桩、撤吊、纠偏、打桩、置位等。图３⁃９所示为基础的起吊、运输及安装过程。图３⁃８水下抛锚式基础示意图表３⁃１各种类型基础适用的水深基础类型海水深度／ｍ备 注重力式０～１０常用的基础结构型式负压桶式＞１０常用的基础结构型式单桩式０～３０常用的基础结构型式三角架式＞２０正在设计和推广应用的基础结构型式导管架式＞２０正在设计和推广应用的基础结构型式漂浮式＞５０长远研究计划图３⁃９基础的起吊、运输及安装三、基础载荷分析１基础载荷的特点１）承受水动力、空气动力双重载荷作用，需要综合考虑风及波浪载荷、支撑结构和风电机组机头的动力学特性以及风电机组控制系统的响应等因素，依据为《海上风电机组的设计要求》（ＩＥＣ６１４００⁃３）；２）海上风电机组基础载荷设计需要考虑风力机的推力和转矩、上风向风力机偏航稳定性、风电机组重力作用，以及波浪和海流的综合作用；３）风电机组基础结构与海洋石油平台所受载荷不同，如图３⁃１０所示，海上风电机组基础结构的水平载荷和倾覆力矩远大于海洋石油平台，而竖向载荷小于海洋石油平台。２基础载荷的类型（１）环境载荷

图３⁃１０基础载荷风载荷、海流和波浪载荷，以及冰载荷等，有时还受地震、台风、海啸、船舶撞击等意外打击，结构本身还受环境腐蚀、海生物附着、海底冲刷、复杂海床变化等因素的影响。（２）风电机组载荷如图３⁃１１所示，风电机组载荷是基础的重要动力载荷源，且随着风电场环境条件的改变，对基础结构实时施加不同的动力载荷。图３⁃１１风电机组载荷３载荷的耦合作用风电机组载荷与环境载荷之间的相互作用。基础结构要承受环境载荷和风电机组载荷的双重作用，各种因素所造成的结构损伤并非彼此独立，而是相互耦合、影响和同时发生的。四、海上风电机组基础的应用表３⁃２所示为已建成的海上风电场采用的基础形式。下面分析介绍上海东海大桥海上风电场基础设计和应用的情况。表３⁃２已建成的海上风电场采用的基础形式地点建设时间／年机组台数／（容量／ＭＷ）水深／ｍ基础形式瑞士ｄ１９９０１／０２２０６重力丹麦ｄｙ１９９１１１／５２５～５重力（混凝土沉箱）荷兰ｙ１９９４４／２４～５单桩（打入式单桩）丹麦ＴｕｎｏＫｎｏｂ１９９５１０／５３～５重力（混凝土沉箱）丹麦ｎｒ１９９６２８／１６８５单桩（打入式单桩）瑞典Ｂｎ１９９７５／２７５６单桩（钻入式单桩）瑞典ｎｎ２０００７／１０５７２～１０单桩（打入式单桩）英国Ｂｈ２０００２／４７５单桩（钻入式单桩）瑞典ｄｕｄｎ２０００２０／４０２～５重力（混凝土沉箱）瑞典ｅｄ２００１５／１０９单桩（钻入式单桩）丹麦ＨｏｍｓＲｅｖ２００２８０／１６０６５～１３５单桩（打入式单桩）丹麦ｕｎｋ２００２１０／２３１１～１８单桩（打入式单桩）英国ｈｅ２００３３０／６０１０～１５单桩（打入式单桩）丹麦ｄｍｋ２００３７２／１６５６１０重力（混凝土沉箱）爱尔兰ｗＢｎｋｅＩ２００３７／２５２５～８５单桩（打入式单桩）英国ＳｃｒｏｂｙＳａｎｄｓ２００４３０／６０４～１２单桩（打入式单桩）日本ｋｏ２００４２／１３２／／英国ｈｓ２００５３０／９０５单桩英国Ｂａｒｒｏｗ２００６３０／９０２０单桩荷兰ＮＳＷ２００６３６／１０８／单桩ＯＷＥＺ２００６３６／７２２２单桩苏格兰Ｂｅ２００７２／１０４５四桩（４桩固定钢结构平台）英国ＢｕｒｂｏＢａｎｋ２００７２５／９０８单桩瑞典ｎｄ２００７４８／１１０４／重力（混凝土沉箱）中国渤海湾２００７１／１５／多桩（续）地点建设时间／年机组台数／（容量／ＭＷ）水深／ｍ基础形式ｎｒｗｇ（英国）２００８２７／９７２／单桩Ｌｙｎｎ（英国）２００８２７／９７２／单桩Ｑ７（荷兰）２００８６０／１２０／单桩ｈｎＢｋ（比利时）２００８６／３０／重力（混凝土沉箱）德国ＡＬＰＨＡＶＥＮＴＵＳ２０１０１２／６０３０～４０多桩中国上海东海大桥２０１０３４／１０２１０多桩固定平台（高桩承台，８根直径为１７ｍ、长为８０ｍ左右的钢管桩，顶部浇注成一个高为４５ｍ的混凝土承台）１上海东海大桥海上风电场场址特点东海大桥东侧海域平均水深比西侧低０５～１ｍ，总体水深在１０ｍ以上，施工条件恶劣。该海域原来属于可通航水域，来往船只较多。该场址区域使用权通常遵循“风电机组机位点征用原则”，因此，该风电场为非封闭管理区域，存在船舶进入该风电场的可能。例如，有９台风电机组位于东海大桥３＃１０００ｔ级船舶通航孔两侧，最靠近的一台风电机组距离通航孔仅３０ｍ。因此，基础受船舶撞击的风险很大，必须采取措施防止船舶的直接撞击。２基础设计（１）防撞击措施采用两个防撞方案，即针对１０００ｔ级船舶通航孔两侧的９台风电机组，采取的防撞措施为在每台机组周围设置５根直径为２５ｍ的防撞钢管桩，再在该防撞钢管桩周围设置橡胶护航，每根桩之间通过两道锚相连的防撞措施；针对通航孔以外的风电机组，防撞设计原则和方式与通航孔侧的防撞桩相同，不同的是按照２００ｔ级船舶通防撞设计，每台风电机组周围的５根防撞钢管的直径为１２ｍ。实际施工过程采用的方案为通过将钢筋混凝土承台降低到一个相对合适的位置，使得船舶撞击时不会撞到底下的桩基，也不会撞到上面的塔架。同时，还在风电机组外围设置了适当防护，确保即使船舶撞击到混凝土承台，其撞击力也能被大大减弱；同时，通过混凝土承台将撞击力传导至下部的多桩承台，减弱其对风电机组整机的影响。（２）基础选型海