李大勇，刘小丽，孙宗军

(1.山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛266510；2.江苏省安捷岩土工程有限公司，江苏 徐州221104；3.山东科技大学 资源与环境学院，山东 青岛266510)

海上风电塔架基础的新型吸力锚研发

李大勇1，刘小丽2，孙宗军3

(1.山东科技大学 山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛266510；2.江苏省安捷岩土工程有限公司，江苏 徐州221104；3.山东科技大学 资源与环境学院，山东 青岛266510)

海上风电作为一种清洁能源，其开发利用越来越受到世界各沿海国家的重视。吸力锚基础是海洋工程中的一种新型基础型式，广泛应用于海洋平台、海洋浮动式结构等。近年来，也被作为海上风电工程塔架的基础，此海上风电塔架的基础部分是整个工程结构的重要组成部分，它涉及到整个风电结构的安全性，是工程可靠运行的前提。在深入研究已有塔架的基础上，提出了一种新型的塔架基础型式—裙式吸力锚基础，主要详细介绍了该基础形式的沉贯机理、承载机理，分析了其可行性，可供工程应用和推广。

海上风电;裙式吸力基础;沉贯;承载力

随着全球能源危机、环境污染和温室效应日益加重，越来越多的国家重视开发、利用可再生能源和清洁能源。因此，在当前形势下，风能作为最清洁能源的一个选择，受到世界普遍重视。我国是一个风能利用大国，2008年已位居世界第四位，但与其它电力来源相比，风能仍占较小比例。据有关资料显示，2008年中国电力总装机：火电占76.3%；水电占21.6%；核电占1.3%；风电及新能源占0.8%。由此看，我国的节能减排任重道远，大力发展风能的空间仍很大。我国计划2020年前，20%的能源来自可再生能源，其中风电将达到100 GW，中国将成为世界可再生能源利用的巨大市场。

海上风能开发和利用比陆地具有更多优势。海上风能资源比陆地丰富，其风速高，风力持久，且海上很少有静风期，因此能更有效地利用风电机组的发电容量；与陆地相比不需要很高的塔架，可降低风电机组的成本；再有，海上风能具有零排放、无视觉、噪音等污染以及不占用陆地等优点。自1991年世界第一个海上风力发电厂在丹麦建成，尤其1997年后，引起了荷兰、英国、德国等欧洲国家和美国大力发展海上风力发电场（图1）。而对海上风力资源、风场论证和设计研究早在1976-1983年在欧洲国家展开[1]，时至今日国内外仍有众多能源开发机构和研究人员对开发海上风能的必要性、经济性以及对海洋环境等方面的影响进行着研究[2-4]。2009年欧洲新建8个海上风场，安装了199个海上风电机组，发电量577 MW，比2008年增长55%。2010年欧洲风能协会预测，欧洲将新增10个风场，装机达1 000 MW，将比2009年增加73%。欧洲已成为全球海上风电的领导者，总风电量达2 056 MW，分布在欧洲9个国家38个风场，828个风电机组。其中英国和丹麦分别占44%和30%，英国已经取代丹麦成为世界最大海上风场基地。当前欧洲在建的海上风场有17个，总装机容量达3 500 MW，到2020年其海上风电装机能量将达到40 000 MW，导致CO2减排85 Mt，预测到2050年欧洲电能将有50%来自风能 （以上数据来源于欧洲风电网）。

目前，我国风能主要以陆地风能为主，全国各省都有风电场分布，主要的大风场集中在内蒙、辽宁、河北、吉林、黑龙江和江苏等省。而我国经济发达地区和电荒地区多集中在沿海省份，这便于我国重视并大力发展海上风电。我国是一个海上风力资源丰富的国家，尤其黄海和东海属于浅海风场资源，利于建设海上风场。据有关资料统计（中国风力发电网http://www.wffd.cn/），我国近海10 m水深的风能资源约1亿kW、近海20 m水深的风能资源约3亿kW以及近海30 m水深的风能资源约4.9亿kW，是陆地风能资源的2倍，具有巨大的风能开发潜力。我国海上风力发电与世界发达国家相比，虽然起步较晚，但发展较快，如：第一个海上1.5 MW试验风机由中海油公司2007年安装在渤海东北部的辽宁湾，当年11月投入使用；我国第一个海上风场—上海东海大桥风场2008年9月开始建设，由34台3 MW风电机组成，风场平均水深9.8～10.3 m，采用钢管桩基础，2009年3月20日第一台风电机组安装成功（图2），2009年9月4日首批3台机组并网发电，2010年向上海世博会供电（http://www.cpire.com.cn/）；世界单体最大的海上风电场将在江苏东台开建，拟选用3.6 MW的84台风机组成；山东威海也将建投资210亿元、年发电量25亿kWh的海上风电场；另外，我国在渤海、黄海、东海和海南省等海域也规划建立多处风力发电厂。这对解决我国能源危机问题和CO2减排将起到重大作用。

海上风电也存在着缺点，主要表现在：（1）作为风电工程的地基基础费用高，一般占到总造价的20%左右；（2）电网接入集成成本高；（3）安装成本高，安装过程受天气环境的制约；（4）运行、维护实施困难，直接导致机组可利用率下降，影响发电量。要弥补这些不足，海上风电一个重要的发展方向是开发利用超大功率的风电机组，目前国外应用的最大功率机组为5 MW，世界发达国家也正在研发10～20 MW的发电机组，叶轮直径将达到250 m左右，预计2020年实现。当前我国海上最大风电机组为3 MW，在工程实践和理论研究技术支持等方面都落后于世界发达国家，急需大规模投入研发超大功率风电机组及开展相关配套工程的科研工作。而作为海上风电塔架的基础部分是整个工程结构的重要组成部分，它涉及到整个风电结构的安全性，是工程可靠运行的前提。本文在深入研究已有塔架基础上，提出了一种新型、经济和可靠的塔架基础型式—裙式吸力锚基础，供工程现场应用和推广。

图1 海上风电场

图2 正在安装的东海大桥风电机组

1 海上风电工程的塔架基础型式

图3 海上风电基础型式 （引自文献[5]，略作修改）

吸力锚基础作为目前国际海洋工程中应用广泛的一种新型基础型式，它具有费用经济、方便施工、施工速度快和可重复利用等优点而被作为各种系泊在海上浮动式结构物、海洋平台的基础[7]，并且也在海上风力发电工程得到了成功应用[8]，引起了海上风力发电领域的广泛兴趣和重视。吸力基础国内外称之为吸力沉箱、吸力锚、吸力桩或桶形基础（suction caisson,suction anchor,suction pile,bucket foundation）， 它们通常是底部敞开，顶部封闭的钢制圆筒形结构，承受着巨大水平、竖向荷载和弯矩，其直径一般在3～12 m之间，高径比一般在1～10之间变化。但这些基础沉贯机理是相同的：首先所有排水孔开启，在自重作用下基础部分沉入海床，桶内水体与海床形成封闭水体，然后关闭排水孔，抽出基础内水体，从而在基础内产生负压，在负压和自重共同作用下，吸力基础继续沉入海床的预定位置。但它们是根据基础高径比不同而命名的，可以穿越砂土、粉土和粘性土[9]。

2 新型海上风电塔架基础——裙式吸力锚基础

2.1 海上风电塔架基础的受荷特点

作为海上风机的吸力锚基础和应用于离岸开采油、汽田的吸力锚基础不同点是：

（1）海上风机结构的竖向荷载相对于水平荷载和弯矩非常小，因此，吸力锚基础抵抗水平力和弯矩的承载能力是主要考虑因素。

（2）由于基础处在浅海中，海床的冲刷可以导致吸力基础附近局部海床冲蚀，从而导致其承载能力降低。

（3）作用到风叶片的风动荷载和支柱上的波浪荷载，对基础动力影响的独特性。

通过对水平荷载作用下吸力锚基础响应分析，吸力锚基础受到的最大弯矩和剪力发生在浅土层中，即浅层土和吸力锚基础的相互作用决定了吸力锚基础水平承载力和最大挠度变形[10]。要提高吸力锚基础的水平承载力，减少其幅值响应，就是想办法提高浅层土中吸力锚基础与土的相互作用，这个情况类似于横向受荷桩[11]。第一作者2007-2008年参加挪威科技大学土木工程系Geir Moe教授负责的大型海上风机设计过程中（叶片直径126 m，HUB直径3 m，HUB高于平均海平面90 m，单机发电量 5 MW），提出了一种新型吸力基础—裙式吸力锚基础（其模型如图4所示）。它包括一个底部敞开、顶端封闭的桶体，桶体顶面没有排水孔，桶体上端外侧带有一环形加强盘，环形加强盘与桶体共同构成一纵断面为T形的整体结构，在所述的环形加强盘周边加工连续有裙边，在环形加强盘顶面均匀布置有一圈透水圆孔，这通过对现有传统吸力锚基础进行改进，彻底解决其水平承载力小和桶体上部周围的海床土体冲蚀问题[12]。

2.2 裙式吸力锚基础

所提出的裙式吸力锚基础的研究意义是：

（1）根据水平荷载作用下吸力锚基础挠度变形机理，设置了“裙”结构，增加了吸力锚基础的抗弯刚度和剪切刚度，从而减少了较大水平循环荷载和弯矩作用下基础的水平位移和转角响应幅值，同时也提高了基础的水平承载能力。

SAI调查方法：所有患者由经过培训的同一个医师采用统一的指导语言进行指导，在患者充分理解条目意义后由测试者逐条提问，根据病人的回答，逐条评分。

（2）“裙”的设置扩大了吸力基础的侧面积和承台面积，提高了基础侧面与土体的摩擦力和竖向承载力，与传统吸力锚基础相比，降低了基础主桶长度。

（3）“裙”顶面部分预留了排水孔，降低了基础沉贯过程中的海水阻力，同时“裙”结构较大提高了抵抗海床冲刷的能力，避免了主桶周围土体液化，从而保证基础承载力不会降低，延长了基础寿命。

（4）由于造价和沉贯方面的考虑，实际工程采用的裙式吸力锚基础，其裙的高度（H1）要小于主桶高度（H2），结合承载力方面的考虑，因此存在合理设置裙式吸力锚基础几何尺寸的优化问题。这也是本课题重点解决的问题。

图4 裙式吸力锚基础模型照片及其剖面图[12]

2.3 裙式吸力锚基础的工作机理

2.3.1 裙式吸力锚基础的沉贯机理

要使所提出“裙”式吸力基础与传统吸力基础比较具有竞争优势，必须满足两方面的要求：一是较好的沉贯性能，二是提供较大的承载能力。其中，裙式吸力基础满足沉贯要求是承载能力分析的前提。

裙式吸力锚基础沉贯过程可分为两个阶段：

（1）自重作用下沉贯（h1）。裙式吸力基础在自重作用下在海水内下沉，此时，主桶顶部范围内排水阀门全打开，主桶底部与海床接触，由于底部呈尖形和基础侧壁由薄壁钢板组成，在自重作用下继续下沉；由于侧壁阻力随贯入深度逐渐增大，下沉速度逐渐减小，直至贯入停止（如图5（a）所示），即完成自重作用下的沉贯，主桶内部与海床形成一个密闭水体。

（2）吸力作用下沉贯。裙式吸力基础自重作用下沉贯结束后，关闭主桶顶部所有排水孔，开启与中间排水孔连接的潜水泵，排除主桶内水体，此时内部水压力减小，与裙式吸力基础顶部形成压力差即吸力，再由于主桶内部土体与其外部土体形成水头差，产生绕过主桶底部的渗流，由于渗流作用使得基础底部有效应力下降，抗力减小，使得基础在吸力作用下继续下沉，直到下沉到预定位置。此过程包括吸力作用下主桶范围内沉贯（h2）和“裙”范围内沉贯（h3）两种情况，分别如图5(b)、(c)所示。在这个过程中，要事先设计好l和h3的尺寸，同时设计好主桶高度（即至少与传统吸力基础相比：具有相同承载力和同样潜水泵功率条件），不增加基础造价和施工费用。

图5 裙式吸力锚基础沉贯过程示意图

另外，笔者已经证明，裙式吸力基础在砂土地基中有较好的沉贯性，并与同条件下（基础用料相同等）传统吸力基础进行了比较，证明了所提裙式吸力基础具有较好的经济性、可靠性和推广应用价值[13]。

2.3.2 裙式吸力锚基础的承载机理

与传统单筒吸力锚比较，本文提出设置的“裙”结构主要考虑提高基础水平抗力，同时也能提高竖向承载力。设置“裙”的作用主要是解决传统单筒吸力锚的存在的缺陷：传统基础周围存在砂土液化问题，从而降低基础承载力；基础周围发生波浪容易引起海床冲蚀问题；不能有效提高竖向和水平承载能力。

另外，考虑基础下沉过程中，主要受到端部阻力的作用和桶内土塞的作用。裙式吸力锚基础采用的底部“尖”状设置（如图5所示）且“尖”位于内侧，即可大大减少底部阻力和主桶内土塞产生，其“尖”端几何尺寸需计算确定。另外，裙式吸力锚基础取消了潜水泵而设置裙结构顶面圆形排水口，裙结构亦采用底部“尖”状设置，为了进一步减少端部阻力。

3 结语

海上风电开发利用必将成为我国沿海地区清洁能源利用的一个热点和方向，而作为风电塌架的裙式吸力基础，必将引起人们的重视。对我国广阔海域来讲，海床土体涉及砂土、粉土和粘性土，且成层分布现象突出[14-15]。因此，针对我国海洋地质土分层特点和正在大力开发离岸风能资源的有利时机，本文所提出的新型吸力基础—裙式吸力锚基础是对海上风电基础工程选型的一个有利补充，有着明显发展优势。因此，对进一步开展粉土+砂土层状地基中的裙式吸力锚基础沉贯和承载力研究不仅具有重要的学术和工程实践价值，还具有广阔的工程应用前景。

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[15]冯秀丽,沈渭铨，等.海洋工程地质专论[M].青岛:中国海洋大学出版社,2006.

A Novel Type Suction Anchors for Offshore Wind Turbines

LI Da-yong1,LIU Xiao-li2,SUN Zong-jun3
(1.Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation,Shandong University of Science and Technology,Qingdao Shandong 266510,China;2.Jiangsu Sheng Angeell Geotechnical Engineering Co.,Ltd.Xuzhou Jiangsu 221104,China;3.College of Natural Resources and Environment,Qingdao Shandong 266510,China)

Offshore wind as a clean energy attracts more and more attention.Suction foundations include suction anchors,suction piles and suction caissons,which are commonly used in offshore engineering to fix platform and moor floating structures.Currently they act extensively as foundations for the offshore wind turbines in shallow sea water.Such a foundation is an essential part of the whole engineering structures.It also involves the security of the whole engineering structures.Based on deep research on present tower,a new type of tower foundations named the skirted suction foundation is presented.The load-transfer mechanism and the two stages of the penetration of the skirted suction foundation consisting of self-weight induced and suction-induced are illustrated in detail.

offshore wind turbine;skirted suction foundation;installation;bearing capacity

P751

A

1003-2029（2011）03-0083-05

2011-01-20

国家自然科学基金资助项目（51078227）;山东省自然科学基金资助项目（ZR2009FM00）;山东省"泰山学者"建设工程专项基金；教育部留学回国人员科研启动基金资助；山东科技大学研究生创新基金（YCA100320）

李大勇(1971-)，男，汉族，教授，博士，主要从事海洋岩土工程研究，E-mail:ldy@sdust.edu.cn