前言：本站為你精心整理了海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型和施工工藝范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

摘要：目前我國對于海上風電場的建設(shè)研究仍然處于起步階段，而面對電力資源日漸稀缺的與用電需求越加旺盛的矛盾，海上風電場的建設(shè)與發(fā)展趨勢已成必然，而海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型極其施工工藝則是海上風電場建設(shè)研究的重點所在。文章通過研究相關(guān)文獻以及結(jié)合筆者自己多年工作經(jīng)驗情況下，首先對國際上常見海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)極其施工工藝進行了深入分析，進而對比了其適用條件，希望能夠為我國海上風電場建設(shè)提供有效參考。

關(guān)鍵詞：海上風電；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；選型；施工工藝

1引言

當前，發(fā)展速度最快的清潔能源當屬風力發(fā)電，海上擁有豐富的風力能源，加上越來越先進的風力轉(zhuǎn)換技術(shù)，必將使海洋迅速成為高效的發(fā)電場。國外發(fā)達國家的海上風電場建設(shè)有的已經(jīng)進入可大規(guī)模開發(fā)階段，而我國在此方面仍然處于探索階段。就國外研究顯示，風機基礎(chǔ)成本大約是風電場建設(shè)成本的三分之一，且其選型與施工存在較大風險，這也是使得海上風電場建設(shè)成本較大的原因之一。可見對海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選與施工工藝進行合理探討對于海上風電發(fā)展極為關(guān)鍵。

2國內(nèi)外對于海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

DNV-OS-J101把海上風電場基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)劃分為重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、樁承基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、桶形基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以及浮式結(jié)構(gòu)。海上的地質(zhì)條件較為復雜且多變，導致海上風電場基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)并非是固定的某種單一形式，為降低成本，便于施工，基于一些特定情況也可選擇多種結(jié)構(gòu)混合的方式。上，然而目前應(yīng)用較為廣泛的當是樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。我國目前對于海上風電場的建設(shè)仍處于探索階段，東海大橋100MW海上風電示范項目(3MW/臺)和中海油渤海風電示范項目(1.5MW/臺)，只具備一定的現(xiàn)實意義，且針對性較強，不具備較好的普遍性與可推廣性。可見，基于我國現(xiàn)有的施工技術(shù)，船舶設(shè)備條件、海域作業(yè)條件等，探討出一兩種適用于我國海上風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)極具現(xiàn)實意義。

3海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型及施工工藝

3.1重力式基礎(chǔ)

這種結(jié)構(gòu)主要是利用其重量使風機保持垂直狀態(tài)，結(jié)構(gòu)較為簡單且采用的是鋼筋混凝土的沉箱結(jié)構(gòu)，因此成本不高，這使其目前在海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建設(shè)中已經(jīng)有了較為成熟的應(yīng)用，但具備體積大且笨重的缺點。重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在施工之前必須清除掉淤泥層，完成孤立墩挖槽后應(yīng)及時拋石，拋石石塊為10kg~100kg為宜，并且要分層夯實，避免發(fā)生沉降現(xiàn)象。重力式基礎(chǔ)的體積、重量都較大，3~5MW風機基礎(chǔ)的重量通常在1500t~2000t之間，高度超過15m；所以在選擇的預制廠應(yīng)離出運碼頭較近為宜，避免長距離的陸地運輸。重力式基礎(chǔ)預制完成后，在進行海上運輸時可選擇采用駁船、半潛駁和浮吊的形式運輸，也可利其自身浮游特性搭配氣囊使用拖輪牽引至安裝地點。基礎(chǔ)安置到位后應(yīng)立即進行碎石或拋砂壓載回填，回填過程的各個方面都要保持均勻，防止基礎(chǔ)傾斜和隔艙壁開裂。由此可見，重力式基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)及制造工藝都較為簡單，承載力小，且國外有成功應(yīng)用的經(jīng)驗，比較適用地基條件較好，水深在10m以內(nèi)的區(qū)域；沖刷海床及軟地基則不適宜采用這種結(jié)構(gòu)

3.2桶式基礎(chǔ)

從研究來看，桶式基礎(chǔ)在近些年海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建設(shè)中得到了較好地應(yīng)用，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同，又可分為單桶、三桶、四桶3種形式。桶式基礎(chǔ)屬于短粗的鋼性樁，主要利用了負壓沉貫的原理。呈現(xiàn)出開口形的圓桶形狀，每個桶是通過剪切板使中心立柱與鋼制圓桶連接，再通過剪切板使中心立柱產(chǎn)生的載荷分配到桶壁傳入基礎(chǔ)當中。桶式基礎(chǔ)設(shè)計需要考慮諸多因素，難度也較大，其設(shè)計結(jié)果往往是隨著設(shè)計條件變化而有所不同，導致如果海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用它的話會造成較大的投資波動。加上桶型基礎(chǔ)要保持負壓狀態(tài)，因此不適用于巖性海床、可壓縮的淤泥質(zhì)海床沖及刷海床。同時不能確?？偸悄苎蜎]基礎(chǔ)的灘涂地也不適用。適用水深為25m以下。桶式基礎(chǔ)起步較晚，發(fā)展應(yīng)用不還成熟，因此存在較多不確定風險。

3.3樁式基礎(chǔ)

樁基礎(chǔ)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，可以分類為單立柱單樁、單立柱三樁、導管架結(jié)構(gòu)、多樁承臺等形式。

3.3.1單立柱單樁

這是樁式結(jié)構(gòu)中最簡單的結(jié)構(gòu)形式，主要是由法蘭過渡連結(jié)段與一根直徑為3m~6m的鋼管樁組成。單樁結(jié)構(gòu)是國外近海風電場采用最多的基礎(chǔ)形式，如丹麥Samso近海風電場就采用了樁徑為4.5m的單立柱單樁結(jié)構(gòu)。對于單立柱單樁基的施工工藝，首先是對過渡段、鋼管樁的預制；接著是對鋼管樁的運輸與沉設(shè)；最后則是對過渡段安裝、灌漿。雖然施工工藝簡單，但是單立柱單樁樁徑一般都較大，必須使用超大型的打樁設(shè)備。這一條件在近期內(nèi)限制了單立柱單樁結(jié)構(gòu)在我國的應(yīng)用發(fā)展。近幾年，我國通過進口大型液壓打裝錘，大大提高了打樁能力，彌補了單立柱單樁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用缺陷，單立柱單樁在我國有著較好的發(fā)展前景。另外，為緩解單立柱單樁直徑較大帶來的施工難問題況，還可采取適當增加樁的長度來替代直徑大的樁。

3.3.2單立柱三樁

單立柱三樁的出現(xiàn)很好地解決了單立柱單樁直徑過大的不足，其結(jié)構(gòu)形式如下圖。水下連接是單立柱三樁基礎(chǔ)的主要施工特點。其應(yīng)用原理是，將三根直徑中等的鋼管樁以等邊三角形均勻地定位在海底，而在樁頂結(jié)構(gòu)上，通過利用鋼套管對上部三腳的桁架結(jié)構(gòu)，進行支撐進而形成較為穩(wěn)定組合式基礎(chǔ)。施工順序為：先是對三角架進行沉放，然后利用導管對三根樁進行施打。導管與基樁可通過水下焊接或灌注高強度化學漿進行水下連接。三腳桁架應(yīng)預先制作，其承擔著上部塔架的荷載。在水平和斜向方向設(shè)置數(shù)根三腳桁架預制鋼構(gòu)件，分別連接三根鋼套管的中心，對于在上部豎向鋼管的頂端應(yīng)設(shè)置法蘭與風機塔架進行相接。這種基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能夠很好地彌補單樁樁徑過大的缺陷，作業(yè)成本介于單樁與三腿導管架之間，適用的地質(zhì)條件比較廣泛，適用水深為30m以下。

3.3.3導管架基礎(chǔ)

導管架結(jié)構(gòu)可根據(jù)實際情況需要設(shè)計成三腿、四腿結(jié)構(gòu)，又可分為直式、單傾、雙傾等形式。該基礎(chǔ)施工時需要使用兩套樁錘，因此，導管架基礎(chǔ)不宜用于淺水區(qū)域。導管架結(jié)構(gòu)能夠較好地解決水下連接問題并且具備較好的承載能力，適用水深在30m以上。導管架基礎(chǔ)與單立柱三樁的施工工藝基本一致，然而其缺點在于該結(jié)構(gòu)地建設(shè)需要使用到大量的鋼材，因而在樁式基礎(chǔ)中往往較少采用到它。

3.3.4多樁承臺

多樁承臺基礎(chǔ)，又可劃分為高、低樁承臺，比如，我國的東海大橋海上風電場項目，由于正處于橋下航道區(qū)域，因此，為了有效地避免發(fā)生意外碰撞而選擇高樁承臺結(jié)構(gòu)。同時，在特定的海域內(nèi)，多樁承臺也具備一定的基礎(chǔ)優(yōu)勢：其要求的施工設(shè)備配置不高，國內(nèi)滿足要求的船舶資源較多，加上施工工藝較為成熟，適用與離岸15km以內(nèi)的海域施工。

3.4浮式基礎(chǔ)

水深在50m以上的近海區(qū)域的風力機安裝作業(yè)過程中，浮式基礎(chǔ)具備明顯的優(yōu)勢。相比于固定樁基礎(chǔ)、導管架式這兩種結(jié)構(gòu)選型的高建設(shè)成本，浮式基礎(chǔ)作為風力機的安裝平臺，利用錨泊系統(tǒng)進行海床的錨定作業(yè)。浮式風力機平臺具備施工成本較低以及海上運輸簡單的優(yōu)勢，因此在深水海域風電場施工中，浮式基礎(chǔ)有著較為廣泛的應(yīng)用前景。通過對相關(guān)文獻研究以及結(jié)合筆者多年工作實踐，浮式基礎(chǔ)主要有TLP、柱行浮筒以及三浮箱這三種類型。必須擁有足夠的浮力支撐風電機組的重量，這是浮式基礎(chǔ)的硬性要求，同時還要求能夠有效地防止和抑制傾斜、搖晃以及方向移動。對于風力發(fā)電機而言，避免強風引起翻轉(zhuǎn)，是風機設(shè)計過程中首先需要考慮的問題。比如英國BlueH公司在2008年建成首座海上浮式風力機樣機，其先是在陸地上把風力機與浮式基礎(chǔ)進行組合，然后利用船運輸?shù)骄唧w的安裝位置。從公開文獻資料來看，風力機位于平臺中央主立柱上，這座樣機浮式平臺基礎(chǔ)，跟半潛式平臺的結(jié)構(gòu)有所類似，同時為了保證風力機穩(wěn)定使用可以調(diào)長度的強力錨鏈線把它固定到海底重塊中，這樣一來讓該風力機能夠在水深50-300m的海域中建設(shè)應(yīng)用。

4結(jié)束語

綜上所述，從研究來看海上風電場建設(shè)中所能選擇到的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型眾多，并且它們各有優(yōu)點。在這種情況下我們需要充分結(jié)合具體海域情況、氣候環(huán)境以及建設(shè)成本等多方面因素綜合考量來做好海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型工作，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合具體選型采取適宜的施工技術(shù)與工藝，從而在有效地保證海上風電建設(shè)質(zhì)量情況下提升其社會和經(jīng)濟效益。

參考文獻：

[1]張美陽,朱榮華,徐清富,李鳳.導管架風機基礎(chǔ)的過度段分析及優(yōu)化[D].現(xiàn)代海洋平臺.2015(1).

[2]尚景宏,羅銳,張亮.海上風電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選型與施工工藝探討[J].應(yīng)用科技,2009(9).

[3]辛碩.海上風電基礎(chǔ)型式與設(shè)計選型[J].科學與財富,2016(5).

作者:王革棟 單位:中交三航(上海)新能源工程有限公司