海上風機基礎結構的研究現狀與發展前景

張 濟，何海華，張兆德

（1.浙江揚帆通用機械制造有限公司，浙江舟山 316100；2.浙江海洋大學船舶與海運學院，浙江舟山 316022；3.浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江舟山 316022）

0 引 言

近年來，隨著化石燃料能源逐漸緊缺和雙碳目標的提出，全球海上風力發電產業得到了迅速發展。海上風電場有很多優點，例如海上的風力資源優于陸地、海上風電場不占用土地資源和噪聲影響較小等。但是，海上風電場也有明顯的缺點，例如：受風、浪、流和地基等不確定因素的影響，海上風機存在很大的安全風險；海上施工成本較高，海上腐蝕嚴重，維護不便等。［1-2］近年來，我國的海上風電場得到了快速發展，在世界范圍內具有很強的影響力，但在技術設計、施工設備和人員素質等方面相對滯后，導致海上風機存在很大的安全風險，有時甚至會發生事故，造成人員和財產損失［3］。

海上風機通常將風力機安裝在基礎結構上，基礎結構有多種形式，可初步分為固定式和漂浮式2 種［4-6］。2017 年蘇格蘭Hywind 建造的由5 臺Spar浮式風力渦輪機組成的風電場投入運行，展示了未來商用浮式風力發電場的可行性。我國沿岸的水深較淺，目前采用的海上風機絕大部分都采用固定式基礎結構，漂浮式基礎還處在試驗階段［7］。本文列舉并分析各種風電基礎的結構形式，展示其特征，分析其優缺點和應用特點等。在此基礎上，分析風機基礎的最新研究熱點和未來發展趨勢，為風機基礎設計提供參考。

1 風機基礎結構形式

基礎結構是海上風電工程的關鍵組成部分，對工程的安全性和建造成本有重要影響。因此，在建設海上風電場時，會優先選擇成本較低、施工方便且安全可靠的基礎結構。風電基礎結構主要有以下2 種：

1）固定式基礎，包括單樁式、多樁承臺式、導管架式、負壓桶式和混凝土重力式等類型，多應用于水深小于50 m的淺海區域；

2）漂浮式基礎，又分為半潛式、張力腿式和單柱式等類型。

隨著海上風機朝著更深水域和更大容量的方向發展，各種新型基礎結構的應用越來越廣泛［8］。

1.1 固定式基礎

1.1.1 單樁式基礎

單樁式基礎由直徑為3.5 ～6.0 m、長度為30 ～40 m的鋼管樁組成，是近海風電場中使用最廣泛的風機基礎類型，具有結構簡單和成本低的優點［9］。單樁式基礎結構是一種高聳結構，需要較強的抗傾覆能力。隨著水深和風力機容量的增加，以及單樁式基礎的直徑和入泥深度的增加，海上打樁的難度和施工風險會明顯增加。目前單樁式基礎已成功應用于國內外很多大型海上風電場中。圖1a為英國London Array海上風電場的單樁式基礎。單樁式基礎的施工過程主要分為陸上預制、碼頭裝載、海上運輸、海上組裝和安裝等4 個階段。單樁式基礎不僅要承受上部結構的重力，而且要抵抗來自風、浪和流的橫向動力載荷。單樁式基礎在使用期間面臨的風險主要有海流沖刷、結構腐蝕疲勞和船舶碰撞等。在各種載荷的疊加作用下，單樁式基礎較易發生故障，從而引發意外事故，產生嚴重的經濟損失。

圖1 各種海上風機基礎結構形式

1.1.2 樁基-承臺式基礎

樁基-承臺式基礎由3 個或更多錨定在海床上的鋼管樁和上部承臺組成。上部承臺分為鋼承臺和混凝土承臺2 種［10］。樁基-鋼承臺式基礎的下部為樁基礎，上部為鋼結構承臺，其優點是受波浪力的作用較小，缺點是對地質的承載力和打樁精度的要求很高。圖1b 為德國BARD Offshore 海上風電場的樁基-鋼承臺式基礎。樁基-混凝土承臺式基礎為我國自主研發的下部結構及基礎型式，適用于軟土地基，見圖1c。該基礎由多根樁柱和位于飛濺區以上的混凝土承臺組成，其中承臺分為常規樁基承臺和高樁承臺2 種。該基礎的優點是基礎結構剛度大，結構穩定，防撞性能好，施工工藝成熟；缺點是施工周期較長，不適用于水深較深的海域。與單樁式基礎相比，多樁承臺式基礎有更強的抗傾覆能力，更好的剛度和穩定性。但是，多樁承臺式基礎的成本較高，其安裝過程比單樁式基礎復雜，且海上運輸過程具有挑戰性。目前多樁承臺式基礎主要安裝在德國特里亞內爾風電場和阿爾法文圖斯風電場等［11］。

多樁承臺式基礎在使用過程中可能會發生累積變形、波浪爬升、沖刷和疲勞失效，并與船舶碰撞。在循環載荷的作用下，多樁承臺式基礎的土壤剛度可能會下降，引發累積變形，從而影響基礎結構的承載力和安全性。同時，復雜海洋環境下的波浪爬升可能會損壞多樁承臺式基礎［12］。

1.1.3 導管架式基礎

導管架式基礎是一種鋼制空間桁架結構，其載荷由安裝在海床上的樁承擔。導管架式基礎具有很好的強度、剛度和結構穩定性，能很好地提高承載力和抗傾覆性。然而，導管架式基礎的制作比較復雜，施工成本較高，適合在水深較深和海洋環境較惡劣的海域使用［13］。圖1d為德國Alpha Ventus海上風電場的導管架式基礎。導管架式基礎的施工過程主要分為陸上制造、碼頭裝載、海上運移、定位安裝和灌漿施工等5 個階段。導管架式基礎是在陸地上制造的，受海況的影響較小，風險較小。由于海況復雜，基礎的海上運輸和海上安裝存在很大風險。在使用導管架式基礎過程中，在動態循環載荷的長期作用下，導管架式基礎易發生疲勞失效，焊腳、接頭交叉等薄弱部位會出現裂縫并膨脹，接頭的承載力下降，甚至發生斷裂；同時，在使用導管架式基礎過程中，存在導管架式基礎與船舶碰撞的風險。［14］

1.1.4 重力式基礎

重力式基礎是海上風電場最早使用的基礎形式，一般采用鋼筋混凝土制成，適合在淺層覆蓋層和巖石地質條件下使用。重力式基礎靠自重抵抗風電機組載荷和各種環境載荷的作用，一般采用預制鋼筋混凝土沉箱結構，內部填充有砂、碎石、礦渣或混凝土等壓艙材料。重力式基礎通過自重保持穩定性，其優點是安裝方便。然而，重力式基礎的重量和體積較大，其尺寸和成本隨水深的增加呈指數級增長。重力式基礎主要應用于北歐國家的海上風電場中，如丹麥的溫德比風電場、德國的百年靈風電場和瑞典的利爾格倫風電場［15］，如圖1e所示。重力式基礎的施工過程主要分為海床準備、陸上制造、碼頭裝載、海上運移和海上組裝等5 個階段，在施工期間面臨的風險包括海底不均勻、漂浮穩定性差和在下沉過程中傾覆等［16］。

1.1.5 負壓桶式基礎

負壓桶式基礎是一種頂部閉合、底部開敞的倒置桶形結構，主要通過負壓滲透原理保證基礎的穩定性，如圖1f所示。負壓桶式基礎具有安裝方便、無噪聲污染、抗傾覆能力強、成本低和可回收性好等優點。2002年和2005 年分別在丹麥的弗雷德里克沙文風電場和德國的威廉姆沙文風電場安裝了由負壓桶式基礎支持的海上風機；2009 年在丹麥Horns Rev2 風電場安裝了負壓桶式基礎；2014 年在英國北海安裝了2 個負壓桶式基礎。［17］近年來，我國先后在江蘇響水、江蘇南通如東、福建莆田平海灣和珠海桂山等多個海上風電場應用了負壓桶式基礎。該基礎的施工過程主要分類陸上制造、海上運輸就位和整體安裝等3 個階段。負壓桶式基礎在使用期間會承受風、浪和流等循環載荷的作用，在幾何突變或焊接區會產生高循環應力，全鋼負壓桶式基礎還會存在較大的疲勞風險。另外，在波浪和海流的作用下，負壓桶式基礎周圍會發生沖刷［18］。

1.1.6 其他固定式基礎

除了上述基礎以外，固定式基礎還包括以下幾種形式。

1）多腳架樁式基礎可根據樁數的不同分為三腳基礎和四腳基礎等。以三腳基礎為例，3 根樁通過1 個三角形鋼架與中心立柱連接，風電塔架連接到立柱上方，從而形成一個結構整體。該基礎可在陸上預制，在水下灌漿，一般適用于水深在40 m以下的海域。該基礎的優點是結構剛度相對較大，整體穩定性較好；缺點是需進行水下焊接等操作。圖1g為德國Borkum West 2 海上風電場的多腳架樁式基礎。

2）導管架-重力式基礎分為2 種：一種是下部為重力式基礎，上部為導管架結構，導管架下部的樁腿與重力式基礎連接，一般通過灌漿連接，如圖1h所示；另一種是下部為導管架式基礎，上部為重力式結構［19］。

3）導管架-負壓桶式基礎的底部采用負壓桶形式承載，上部采用導管架結構作為風機基礎［20］，通常采用三樁式或四樁式。與導管架式基礎相比，該基礎用負壓桶代替鋼質摩擦樁，從而節省成本；與單純的負壓桶式基礎相比，該基礎具有更大的結構剛度和更好的抗疲勞性能。［21］目前該基礎已在廣東陽江和大連莊河海上風電場得到應用。

1.2 漂浮式基礎

漂浮式基礎由浮動平臺和系泊裝置組成，主要應用于水深較深的遠海域。其具有靈活性好、易于拆卸和回收利用等優點，主要有駁船式、半潛式、單柱式和張力腿式等4 種。根據錨鏈受力狀態的不同，可將前3 種歸類為懸鏈式基礎，將最后一種歸類為張緊式基礎（見圖1i）。漂浮式基礎的建造過程是：首先在陸地上制造和組裝；其次運輸到安裝現場；最后與系泊系統連接，在海上進行施工安裝。Hywind 蘇格蘭海上風電場是世界上第一個浮式海上風電場，于2017 年完工并投入運營。2021 年國內首座浮式海上風電半潛式基礎平臺由三峽集團牽頭研發成功，在廣東陽江完成了海上風電安裝測試。該平臺整體型寬為91.0 m，型深為32.0 m，設計吃水為13.5 m，可很好地應對南海復雜且惡劣的極端海況。漂浮式基礎可應用于深水區域，但其成本較高，且因風機結構的重心較高，各類漂浮式基礎都存在穩性問題；同時，相對于固定式基礎，漂浮式基礎的運動響應較大。［22］此外，漂浮式基礎在使用期間還會面臨疲勞失效、系泊系統腐蝕和與船舶碰撞等問題［23］。根據相關資料，海上風資源的80%分布于水深超過60 m 的海域［24］。在這樣的海域，固定式基礎幾乎無法應用。因此，開發適用于深水海域的漂浮式海上風電技術是未來海上風電發展的必然趨勢［25］。通過分析各類風機基礎結構，對不同形式風機基礎進行對比，結果見表1。

表1 不同形式海上風機基礎對比

2 風機基礎的研究熱點和未來發展方向

2.1 風機基礎結構的穩定性研究

海上風機基礎結構除了受自重和風載荷的影響之外，還受波浪、海流、腐蝕、沖刷和地基土變化等因素的影響。由于風機的重心較高，風機基礎的穩定性問題尤為突出，主要包括抗傾覆穩定性、抗滑移穩定性、地基沉降穩定性和抗沖刷能力等。

2.2 風機結構與海洋環境因素的相互影響分析

海洋環境因素與風機結構之間存在相互影響。對于固定式基礎，風機結構、風機基礎和海底土分別受不同形式海洋環境因素的影響，且不同海洋環境因素的影響還存在耦合作用；對于漂浮式基礎，考慮其在系泊狀態下，波流載荷與風載荷發生耦合作用時的動力響應。

2.3 極端海況下風機和基礎結構的極限承載能力分析

風、浪、流等多種載荷以不同方式，分別或共同作用在風機上部的葉片和塔筒結構上，或通過水面到泥面的基礎結構傳遞給海底地基，或部分通過系泊系統延伸到海底系泊點。在極端海況下進行極限承載力分析時，首先考慮結構的彈塑性強度，其次考慮結構的屈曲與疲勞問題和地基的承載力，最終確定風機和基礎結構的極限承載能力。

2.4 不同運行工況下的風機與基礎結構一體化優化設計技術

早期我國發展海上風機只是通過基礎結構將陸上的風機移到海上，近年來對基礎結構進行了優化，并在優化過程中將其與風機看作是1 個整體，考慮整體結構的動力特性。未來要綜合考慮在不同運行工況下對風機、基礎結構和海底地基或系泊系統進行一體化優化設計。

2.5 海上風電整體安裝技術

海上風電安裝通常采用分體安裝方式實現，采用自升式風電安裝平臺或坐底式平臺，分部件或組件進行安裝。分體式安裝方式對設備的要求相對較低，但海上施工工序較多，安裝作業時間較長，效率較低，主要過程是：在陸上制造基地預先將風機拼裝為整體；利用駁船將風機運輸至現場；采用大型浮吊安裝風機。采用整體安裝技術可更好地縮短安裝周期，尤其對于大規模遠海風電場而言，可有效降低施工成本。

2.6 風機狀態監測與風險評估

狀態監測是根據海上風機和基礎結構的實時數據判斷其工作狀態。通過安裝在風電設備和基礎結構上的應力、加速度、位置與轉角、溫度和土壓力等各類傳感器，采集相關信號并進入處理模塊進行分析，得到設備的運行信息和特征參數，根據閾值判斷風機的運行狀態，及早發現故障并排除，避免引發事故。風機和基礎的風險評估方法通常分為3 種：

1）定性方法。該方法原理簡單、對數據的要求低，但依靠專家經驗。

2）半定量方法。該方法能量化風險事件失效概率，但無法量化風險事件的后果，主要包括事件樹分析、事故樹分析、領結法和貝葉斯網絡等。

3）定量方法。該方法具有較高的計算精度，但需要大量數據，且計算過程比較復雜。

2.7 海上風機運維技術

近年來，海上風機運維基本上是照搬陸上運維經驗進行的，采取周期性檢修為主、故障檢修為輔的“被動式運維”模式。受海洋環境的影響，風機結構和設備的狀態存在不確定性，這種定期檢修模式尚不能滿足海上風機運維的要求。未來風機的運維需以智能化和信息化為基礎，在實時監測中實現數據采集、故障預警和施工維修方案分析。以裝備能力配置和維修方案優化為工作內容，以縮短維修周期和降低施工成本為目標，探索深遠海的智能化、信息化運維模式。

2.8 風機事故分析與全生命周期整體解決方案優化

近年來，我國海上風電產業發展迅猛，同時并存的是設計和施工經驗不足、運維有時不到位的問題，風機傾斜甚至倒塌事故時有發生。為此，亟需統計和分析以往發生的事故，總結現有風機和基礎設計與施工中的問題，并考慮風機和基礎的全生命周期，對整體解決方案進行分析與優化，盡可能避免事故發生。

3 結 語

1）海洋環境和海底地基復雜多變，風機基礎形式多樣，要根據不同海域的海況和海底地質情況，并考慮施工能力和建設成本，選擇不同形式的海上風機基礎結構。

2）隨著海上風電向深水、大容量的方向發展，漂浮式和新型負壓桶式基礎具有很大的應用潛力，有望成為未來的重點研發對象。浮式風機的高成本限制了其大規模應用，需在技術和成本方面有所突破。

3）對風機進行狀態監測和風險評估有助于保障風機的安全運行。采用智能化監測系統對監測數據進行處理分析，并及時做出預報警，甚至提出故障類型和維修策略，優化海上風機運維模式，可很好地保障海上風機的安全運行。

4）海上風機基礎在使用期間面臨的風險包括沖刷、疲勞損壞、與船舶碰撞和腐蝕損壞。需關注不同地基類型面臨的沖刷和疲勞風險。與其他類型基礎相比，重力式和負壓桶式基礎對沖刷更為敏感。