郭政

（中闽能源股份有限公司 福建福州 350001）

1 概述

我国海岸线长，近海风能资源丰富，风电发展潜力巨大［1］。近几年我国海上风电发展迅速，福建作为风能资源最好的省份，具有风资源丰富、发电利用小时数相对较高的特点，是新能源发展的重要省份。受台湾海峡“峡管效应”的影响，台湾海峡风能资源呈现出自海峡中部向南北两侧递减的格局。海峡中部风能资源最为丰富，年平均风速在10 m/s 以上。海峡南侧和北侧风能资源较为丰富，年平均风速一般在8 m/s 以上。本文研究对象所在地宁德霞浦海域则位于台湾海峡北侧。

根据国外已经建成的海上风电场投资比例和国内的研究成果，风机基础投资约占风电场总成本的20%～30%。因此，探讨合理的基础结构类型是海上风电发展的重中之重。本风电场开发规模为200 MW。机型推荐采用DEW184—7000 kW 风力发电机组，按照7 MW×29 台方案进行布置。本文主要针对福建宁德霞浦某海上风电场进行风力发电机组基础选型。根据已有设计条件，综合考虑风能资源、海洋水文、工程地质等场址条件，针对初步选定的风机机组，对不同的风机基础型式进行方案设计，并通过综合技术经济比较，选出最佳的基础方案，保证基础的安全和经济。

2 输入条件分析

2.1 地质条件

宁德霞浦某海上风电场位于宁德市霞浦县长春镇霞浦东冲半岛以东海域。本海域理论水深7 m～11 m，地形总体呈西高东低态势，微向海倾斜，总体较平缓。本工程场地范围内，覆盖层揭露厚度大于90 m，场地覆盖层分布的主要地层为淤泥、淤泥质土、粉质粘土、粉砂、中砂等地层，表层分布较厚淤泥层。工程场地表层地基土为软弱土层，在台风暴浪等较强的海洋水动力作用下易发生迁移和变形，给基础设计和施工带来不利。工程所在区域地震基本烈度6 度，地震动峰值加速度0.05 g，地震分组为第一组。场地类别为Ⅲ类，设计特征周期Tg 为0.40 s。

2.2 风机荷载

作用在塔架底端的风机基础荷载见表1 与表2。

表1 风机荷载标准值

表2 风机基础疲劳荷载表

综上所述，结合工程选用的风力发电机组，其基础荷载较大、对基础的水平刚度和抗疲劳性能要求较高的特点及本工程区海洋水文气象特点，优先考虑采用桩基础结构，可选择端承摩擦桩，以中砂层及以下土层作为桩端持力层，且桩长应满足结构稳定性要求。海上风机基础承受上部塔架传来的较大水平力和倾覆弯矩，并直接承受波浪力和海流力。这些荷载都具有明显的动力和循环特性，导致基础结构的荷载相应表现出明显的动力和疲劳特性。由于基础水平变形较大，地基土容易产生塑性变形，软土地基在循环荷载作用下表现出强度衰减。因此，海上风机基础设计所采用的结构模型、地基模型和分析方法应能反映上述受力特性。桩基水平受力和变形计算常采用m 法、P-Y 曲线法或嵌固点法。

3 基础型式比选

3.1 基础结构类型选择

风机基础结构具有承受倾覆力矩大和动荷载等受力特点，海上风机基础需充分考虑离岸距离、海床地质条件、海上风、浪、流以及冰等外部环境的影响，同时海上施工条件复杂，受安装、施工设备能力的影响很大。合理选择基础结构型式对结构安全、施工难易程度及工程造价具有重要影响［2］。

常见的风机基础结构型式有桩式结构、重力式结构、吸力桩（桶）式结构和浮式结构4 类，其中重力式结构适合水深0～25 m，大直径单桩适合水深0～40 m，导管架适合水深20 m～50 m，桶式三柱适合水深20 m～50 m，吸力筒式适合水深0～25 m。支柱固定式风机基础常用型式有单桩基础、导管架基础、高桩承台基础等，见图1。

图1 风机基础结构型式示意图

（1）根据现有水文地质资料，工程场址区域地基土表层有厚度比较大的淤泥及淤泥质土，可选持力层埋深大，采用重力式基础的经济性极差，因此本项目不考虑重力式基础。

何克抗[1-2]提出，混合式教学是混合多种教学模式把传统学习与数字化学习优势相结合，在教学过程中教师的引导、启发、监督与学生主动、积极的自主学习相互作用的教学模式。这种教学方式将线上与线下教学形式相结合，同时根据教学内容以及学生情况采用多种教学方法相结合，把学生的学习由浅入深的引向深度学习；它强调在恰当的时间应用恰当的教学方式达到最佳的教学效果[3]。

（2）单桩基础结构形式简单、受力明确、制作方便、适应性强，在已建成的国内外海上风电场中应用最广泛。单桩基础桩长长、直径大、结构刚度小、固有频率低、受海床冲刷影响较大，且单桩基础的施工精度要求高，需采用大型沉桩机械（如IHC 或MENCK 液压锤）沉入海中。单桩基础施工时间短、效率高且无水上混凝土，基础造价相对较小。本工程场址区域水深较小，综合考虑结构、施工等因素，因此考虑单桩基础作为本工程比选方案。

（3）导管架基础结构刚度大、稳定性好，自重较轻，适用于水深较深的区域。导管架基础结构受力相对复杂，基础结构易疲劳，建造及维护成本较高，水深较小。导管架基础由于结构复杂的特点，在制造和施工上经济竞争力较差，造价相对较高，因此本项目不考虑导管架基础方案。

（4）高桩承台基础结构稳定性好，适用于浅水及中等水深水域，采用现浇混凝土墩台施工工序，施工工艺成熟，大多数海上施工单位都有能力施工。且由于本项目表层软土较厚、水深较浅的特点，从施工及结构型式上考虑，高桩承台基础能发挥出其优势，因此考虑高桩承台基础作为比选方案。

（5）浮式基础主要应用于水深50 m～500 m 的海域。浮式基础目前在国际上尚处于研究开发阶段，国内尚无相关经验，因此不考虑采用浮式基础。

综上，本工程区域水深较浅，结合国内成熟经验，风机基础方案考虑用单桩基础方案、高桩承台方案进行比选。

3.2 高桩承台基础方案计算分析

高桩承台基础结构型式，承台与上部风机塔筒采用基础环连接方式。上部承台为现浇C45 高性能海工混凝土结构，承台直径为16.0 m，高度为5.0 m，承台底标高为+3.10 m，顶标高为+8.10 m。塔筒底部法兰盘通过高强预应力螺栓与基础环相连，基础环固接于承台内部。高桩承台基础采用8 根钢管桩，钢管桩直径2.0 m，壁厚28 mm～30 mm，桩长95 m～105 m。桩斜率为5∶1，桩端以粉质黏土层作为持力层，8 根钢管桩在承台底部沿12.0 m 直径的圆周均匀分布。结构模型见图2 所示。

图2 高桩承台结构模型

有限元模型中桩土相互作用采用水平及竖向弹簧来模拟。水平弹簧刚度采用动态折减后的m 法确定。从计算结果分析，桩基及承台各项指标均满足规范［3-4］要求。计算结果汇总见表3。

表3 高桩承台方案计算结果汇总表

3.3 单桩基础方案计算分析

单桩基础主体结构为大直径钢管桩，桩顶法兰在工厂预先焊接，在沉桩后与上部风机塔筒连接。外部平台、爬梯、靠泊、电缆管等附属构件连成整体套笼结构，通过预焊的牛腿安装在钢管桩外部。通过计算分析，单桩基础结构型式为：与风机塔筒连接段钢管直径为7.0 m，通过锥形段钢管直径过渡到10.0 m，根据本阶段计算结果，钢管桩桩长100 m～116 m，桩径为10.0 m，壁厚80 mm～100 mm，桩入土深度75 m～88 m。结构模型见图3 所示。

图3 单桩结构模型

有限元模型中桩土相互作用采用水平及竖向弹簧来模拟。水平弹簧刚度采用动态折减后的m 法确定；桩侧竖向弹簧采用t-z 曲线法，桩端竖向弹簧采用Q-z 曲线法确定；桩基竖向沉降另采用分层总和法复核［5-7］。如表4 计算结果所示，桩基各项指标均满足规范要求。

表4 单桩方案计算结果汇总表

3.4 基础设计方案比较

3.4.1 基础结构特性比较

单桩基础、高桩承台基础方案的承载力、强度和稳定性均能满足要求，基础的变形和倾斜均在允许的范围内，表明两种方案均能满足极端工况和正常运行工况下风机对基础的有关要求。从基础结构特性方面对两种基础类型的比较如下：

（1）结构特点与荷载传递。单桩基础结构传力形式最为简单明确，风机荷载、波浪荷载和水流荷载直接通过桩身传递到深层土中，桩身承受较大的弯矩作用。高桩承台基础受力较为明确，通过刚性承台传递风机荷载，承台下桩基以拉力、压力和水平力的形式承担承台传递的荷载，桩基呈轴对称分布，当水平荷载较大时采用斜桩，可有效增加基础的抗水平力荷载的能力。

（2）基础刚度。单桩基础结构形式简单，传力明确，结构刚度较低，承受水平荷载的能力较差，但是可以通过桩入土深度来调整其整体刚度，以保证桩基泥面处位移满足设计要求。高桩承台基础由多桩和大体积混凝土承台组成，结构的整体性好，群桩基础的整体刚度较大。但由于混凝土承台下桩基悬臂较长，基础刚度取决于桩基的斜度和桩身刚度，同时由于大体积混凝土承台所受的波浪力较大，尽管整体刚度较大，但塔筒底部水平位移和倾斜率较大。

（3）基础所受环境荷载。单桩基础所受的波浪荷载与水流荷载很明确，受力大小与桩径密切相关，总体波流荷载比较小。高桩承台基础中桩基所受的波浪力和水流力较为简单，但由于大体积混凝土承台的设置，承台所受的波浪浮托力和波浪力较大，对桩基础的抗水平力和抗拔能力提出了较高要求。

（4）抗疲劳特性。在疲劳荷载一定的前提下，疲劳寿命与结构构件的名义应力和应力集中系数有关。单桩基础与高桩承台基础方案中桩身的连接形式简单，热点应力较小。

3.4.2 施工比较

海上风机施工受到的制约因素较多，包括气象、水文、船舶运输和打桩设备等。海上风机所处的环境决定了其对施工方便性提出了较高要求。单桩基础的大直径桩可在工厂内预制加工，运输到风机所在位置进行沉桩。大直径单桩的沉桩比较困难，对设备要求较高。安装时，将桩基运至现场后，采用液压振动锤将桩基沉入设计深度。高桩承台的桩径较小，对施工机具的要求较低。混凝土承台的钢筋笼可采用预先绑扎，然后运输到现场起吊安装，以节省施工时间。混凝土承台的浇筑和养护需要较长时间，需要混凝土搅拌、运输和淡水储备等配合措施。由于承台底面位于水面以上，承台施工前应结合工程桩采用型钢搭设临时施工平台。高桩承台基础与风机塔筒的连接通过基础环来实现，与陆上风机连接类似，国内相关施工经验较为丰富。

3.4.3 防撞方面

单桩基础、高桩承台基础在布置橡胶护舷及船只停靠方面都较为方便，系船设施布设灵活性也大。高桩承台基础的整体性较强，可以抵抗较大的撞击力。

3.4.4 防腐蚀方面

单桩基础及高桩承台基础的桩基部分均采用了钢结构基础型式，处于海洋条件下的钢结构在我国已形成较为成熟的防腐蚀处理措施和方法，一般施工单位均具有相当的施工经验。高桩承台基础的承台部分主要涉及混凝土和钢筋的防腐蚀，当前海工工程中对于混凝土结构的防腐蚀技术较为成熟，可满足防腐蚀设计使用年限的相关要求。

3.4.5 经济性比较

各基础方案工程量及造价估算见表5。造价估算参数参考现有国内船机供应情况及施工设备市场行情价格。从经济上考虑，现阶段高桩承台更具经济性。

表5 各基础方案工程量及造价比较表（单台）

3.4.6 比选结论

对于本工程，单桩基础、高桩承台基础方案均是较为合适、可行的技术方案。经过以上技术、经济、施工等比较，单桩基础方案受力方式明确，连接形式简单。在施工设备符合要求的情况下，单桩基础的施工时间较短，可大幅度提高施工效率。高桩承台基础方案的投资费用较低，综合考虑选择高桩承台基础方案基础的推荐方案。

4 结论与建议

本文分析项目工程场址海域理论水深7 m～11 m，场区范围内海底表层土层力学性能较差，浅层的土层承载力和变形难以满足结构要求，且风电场位于近海海域，浅部土层易受潮流冲刷。根据工程地质条件和水文条件，本工程风电机组基础不适合采用重力式基础和浮式基础，建议采用桩基础。通过各种基础型式适用性分析，因导管架基础整体重量较大、工期较长，造价相对较高，不建议采用。现阶段选择单桩基础和高桩承台基础进行方案设计和比较。通过承载力、结构强度、变形等计算分析，综合对比分析单桩基础和高桩承台基础的结构特性、施工的可行性、施工周期与成本、基础的防撞保护、防腐蚀保护等等各个方面的因素，高桩承台基础方案投资费用较低，因此推荐高桩承台基础方案作为本工程海上风电机组基础的推荐方案。