固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)
The?Foundation of?Fixed Offshore WindTurbine

中國(guó)的海岸線長(zhǎng),海上風(fēng)能資源較為豐富。中國(guó)近海70m水深區(qū)域平均風(fēng)速可達(dá)8.1m/s,平均功率密度572.6W/m2,福建、浙江南部和廣東附近的近海地區(qū)是風(fēng)力資源利用的黃金地段。海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)輪、機(jī)艙、塔架結(jié)構(gòu)與陸地機(jī)組相同,在技術(shù)要求上主要是防鹽霧腐蝕抗臺(tái)風(fēng)能力,但海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的塔架基礎(chǔ)要復(fù)雜得多,要通過(guò)特制的支撐結(jié)構(gòu)將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組全部載荷傳遞至海床,本課件只介紹基礎(chǔ)

在水深不超過(guò)60m的海域,可將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)固定在海床。基礎(chǔ)除了機(jī)組的氣動(dòng)載荷還要承受水動(dòng)力載荷。海上風(fēng)電場(chǎng)選址主要是風(fēng)況,海洋條件與氣象條件,海床的穩(wěn)定性。對(duì)選定場(chǎng)址進(jìn)行地質(zhì)勘探,地質(zhì)鉆孔取得海床地質(zhì)資料。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的固定式基礎(chǔ)目前主要有以下幾種:單樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、多樁承臺(tái)基礎(chǔ)、導(dǎo)管架群樁基礎(chǔ)、吸力桶導(dǎo)管架基礎(chǔ)。見(jiàn)圖1。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的5種固定式基礎(chǔ)
圖1  海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的5種固定式基礎(chǔ)
 
1.1單樁基礎(chǔ)

將風(fēng)力機(jī)的塔架直接延伸到水里,插入海床是最簡(jiǎn)單的施工方式,在水深不超過(guò)30m的海域應(yīng)用較廣。用沉樁設(shè)備(海上打樁機(jī))把鋼樁打入海床。普通鋼樁直徑為6~7.5m,特大型鋼樁直徑達(dá)10m,貫入海床深度根據(jù)風(fēng)力機(jī)載荷與海床地質(zhì)情況,普通鋼樁長(zhǎng)度60~90m,重量600~1200t,大型鋼樁長(zhǎng)度超110m,重量超2000t。

鋼管樁打入海床,上端在海平面以下,需要使用一節(jié)連接筒伸出海面。連接筒直徑較鋼樁略小,下端插入鋼樁內(nèi),上端伸出水面,在二管縫隙間注入灌漿材料粘牢二管。連接筒上端有連接塔筒的法蘭基礎(chǔ)環(huán))與工作平臺(tái),風(fēng)力機(jī)塔筒法蘭與基礎(chǔ)環(huán)用螺栓聯(lián)結(jié)。

用大型海上鉆孔設(shè)備在海床鉆孔,再插入鋼樁也是一種施工方式。把1kt至2kt的鋼樁垂直插入海床并不簡(jiǎn)單,在海上風(fēng)電機(jī)組的施工課件有介紹。

單樁基礎(chǔ)適用于覆蓋層深厚的黏性土、粉土、砂土、碎石類土等地質(zhì)條件,水深宜在30m以內(nèi)的近海海域。

1.2 重力式基礎(chǔ)

先將海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)在陸地上用混凝土制成,然后運(yùn)到海里指定位置安放,用礫石和砂子堆在周圍,靠重力固定風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

目前運(yùn)用的新技術(shù)是用鋼板制成圓筒型,并在底上焊接平鋼板,見(jiàn)圖2(a)。其優(yōu)點(diǎn)是重量輕,便于普通船運(yùn)和與吊裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)相同的設(shè)備在海里安放,然后填充密度很大的石塊,例如橄欖石。圖2(b)是沉入海底的重力式基礎(chǔ)示意圖。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重力式基礎(chǔ)
圖2 ?海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組重力式基礎(chǔ)

重力式基礎(chǔ)適用于承載力滿足上部荷載要求的天然或人工處理地基,水深宜在20m以內(nèi)的近海海域,要先對(duì)海床進(jìn)行處理。重力基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)是安裝成本較低。

1.3 多樁承臺(tái)基礎(chǔ)

樁、承臺(tái)以及預(yù)埋于承臺(tái)內(nèi)的基礎(chǔ)環(huán)或錨桿組成,通過(guò)多根垂直或傾斜的樁固定在海床上,支撐風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)。主要有3樁、4樁、5樁等,從形式上主要有三角架式與門架式。圖3是3樁三角架式式基礎(chǔ)。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3樁三角架式基礎(chǔ)
圖3 ?海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3樁三角架式基礎(chǔ)

三角架式基礎(chǔ)中心立柱三角形鋼架聯(lián)結(jié)為一個(gè)整體,有非常好的剛度和強(qiáng)度。三角形鋼架下方每個(gè)腳是樁套管,將套在打入海床的鋼樁上。待三腳架找平后在套管與鋼樁間注入高強(qiáng)灌漿料,灌漿料干固后就可進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組安裝。圖3(a)為三角架式基礎(chǔ)外觀圖,圖3(b)為三角架式基礎(chǔ)安裝在海床示意圖。

某3.6MW海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用3樁基礎(chǔ),鋼樁直徑3m,長(zhǎng)80m,單根重150t,均勻布置在直徑28m的外接圓上。

門架式基礎(chǔ)采用高強(qiáng)度門架支撐,多為3樁或4樁,圖4是3樁門架式基礎(chǔ)。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3樁門架式基礎(chǔ)
圖4 ?海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組3樁門架式基礎(chǔ)

用鋼板焊接成的門架下方有3根鋼管立柱,立柱下面是插入段,將插入打入海床的鋼樁筒內(nèi)。待門架找平后在插入段與鋼管樁間注入高強(qiáng)灌漿料,灌漿料干固后就可進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組安裝。圖4(a)為門架式基礎(chǔ)外觀圖,圖4(b)為門架式基礎(chǔ)安裝在海床示意圖。

圖5為網(wǎng)上發(fā)布的三角架式基礎(chǔ)與門架式基礎(chǔ)照片。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組三角架式基礎(chǔ)與門架式基礎(chǔ)
圖5  海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組三角架式基礎(chǔ)與門架式基礎(chǔ)
(照片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))

打入海床的鋼樁位置不可能非常準(zhǔn)確,所以在每個(gè)基礎(chǔ)打完樁后,對(duì)樁的準(zhǔn)確位置和傾斜度進(jìn)行測(cè)量,根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)再制作三角鋼架,制好的鋼架腳管才能準(zhǔn)確插入鋼樁,三角鋼架腳管與鋼管樁之間采用高強(qiáng)灌漿料或焊接等措施進(jìn)行連接。但這種方法工期太長(zhǎng),批量安裝采用先樁法后樁法,在海上風(fēng)電機(jī)組的施工課件對(duì)二種方法有介紹。

多樁承臺(tái)基礎(chǔ)適用于黏性土、粉土、砂土、碎石類土、強(qiáng)風(fēng)化巖、軟巖等地質(zhì)條件,水深宜在30m以內(nèi)的近海海域。

1.4 高承臺(tái)群樁基礎(chǔ)

亞洲第一個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目上海東海大橋100 MW 海上風(fēng)電項(xiàng)目所在海域是深厚軟土淺覆蓋層巖石海床地基,當(dāng)時(shí)國(guó)外流行的單樁基礎(chǔ)不適用,好比筷子插在米飯里,不穩(wěn)定。中國(guó)工程技術(shù)人員研發(fā)了一種海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式,由樁、承臺(tái)以及預(yù)埋于承臺(tái)內(nèi)的基礎(chǔ)環(huán)組成,通過(guò)多根傾斜的鋼樁固定在海床上,該結(jié)構(gòu)體系稱為高承臺(tái)群樁基礎(chǔ),屬于多樁承臺(tái)基礎(chǔ)的一種。圖6是高承臺(tái)群樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)與安裝示意圖。

高承臺(tái)群樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)與安裝
圖6 ?高承臺(tái)群樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)與安裝

先把鋼樁(樁基)打入海海床,一般采用8至10根鋼樁,以傘形分布傾斜插入海床,鋼樁斜角度為9°至12°,圖6(a)圖下方就是斜插入海床的鋼樁基礎(chǔ)(樁基)。樁基上部將安裝承臺(tái),承臺(tái)是安裝風(fēng)力機(jī)塔架的地方。先制作一個(gè)承臺(tái)套箱,套箱內(nèi)有支持塔架基礎(chǔ)的基礎(chǔ)環(huán),基礎(chǔ)環(huán)周圍有用于支撐,與鋼樁固定的連接件,在承臺(tái)底板上有鋼樁插入孔。這些部件牢固的焊接在一起,并在承臺(tái)套箱內(nèi)扎好鋼筋網(wǎng),見(jiàn)圖6(a)圖上方。

吊起承臺(tái)套箱,將承臺(tái)套箱吊放在樁基上,鋼樁插入承臺(tái)套箱一定深度,保持塔筒基礎(chǔ)環(huán)的水平,用焊接或其他方式將承臺(tái)套箱固定在樁基上,見(jiàn)圖6(b)圖。向套箱內(nèi)澆注水泥,待水泥干固,進(jìn)行修整與輔件安裝就可以安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)了,圖6(c)圖是在海床安裝好的高承臺(tái)群樁基礎(chǔ)示意圖。

圖7是網(wǎng)上發(fā)布的高承臺(tái)群樁基礎(chǔ)的照片,圖(a)是正在吊裝的承臺(tái)套箱,圖(b)是已安裝在海里的高承臺(tái)群樁基礎(chǔ)。

高承臺(tái)群樁基礎(chǔ)照片
圖7  高承臺(tái)群樁基礎(chǔ)照片
(照片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))
 
1.5 導(dǎo)管架群樁基礎(chǔ)

導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)借鑒了海洋石油平臺(tái)的概念,采用桁架式結(jié)構(gòu)。導(dǎo)管架基礎(chǔ)多為4樁或3樁,海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)較多采用4樁導(dǎo)管架基礎(chǔ),圖8是導(dǎo)管架群樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)與安裝示意圖。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組導(dǎo)管架群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與安裝
圖8 ?海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組導(dǎo)管架群樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與安裝

用4根較粗的鋼管作為立柱(導(dǎo)管),中間用細(xì)些的鋼管斜向支撐(斜撐),這樣相互焊接形成空間四邊形棱柱結(jié)構(gòu),也有中間加有橫向鋼管(橫撐)的導(dǎo)管架,這種結(jié)構(gòu)剛度大,又不會(huì)笨重。四根導(dǎo)管下端部有垂直的導(dǎo)管腿插入段),導(dǎo)管腿將插入(或套入)海底的鋼樁,然后在兩管間灌漿粘牢。圖8(a)是導(dǎo)管架群樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)圖,圖8(b)是導(dǎo)管架群樁基礎(chǔ)安裝在海床的示意圖。

導(dǎo)管架式支撐結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高,穩(wěn)定性較好,適用較深的海域。圖9是網(wǎng)上發(fā)布的導(dǎo)管架基礎(chǔ)照片。 圖(a)是4樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)外觀,圖(b)是在海中安裝好的導(dǎo)管架基礎(chǔ)。

海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組導(dǎo)管架群樁基礎(chǔ)照片
圖9 ?海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組導(dǎo)管架群樁基礎(chǔ)照片
(照片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))

導(dǎo)管架群樁基礎(chǔ)的安裝也采用先樁法后樁法,在海上風(fēng)電機(jī)組的施工課件對(duì)二種方法有介紹。

導(dǎo)管架群樁基礎(chǔ)適用于黏性土、粉土、砂土、碎石類土、強(qiáng)風(fēng)化巖、軟巖等地質(zhì)條件,水深宜在50m以內(nèi)的海域。

1.6 吸力桶導(dǎo)管架

吸力桶導(dǎo)管架是較新的基礎(chǔ)形式,是一種通過(guò)負(fù)壓吸附實(shí)現(xiàn)海底穩(wěn)固安裝的基礎(chǔ)。圖10是吸力桶導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)與安裝示意圖。

吸力桶導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)與安裝
圖10  吸力桶導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)與安裝

吸力桶導(dǎo)管架的上層導(dǎo)管架與普通導(dǎo)管架相同,采用鋼管相互連接形成的桁架式結(jié)構(gòu)。不同的是在下面每一個(gè)腳連接一個(gè)圓桶,圓桶底向上,桶口向下,在桶底安裝可拆卸抽水泵(圖中未表示),圖10(a)圖是4吸力桶導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)圖,左下角的桶是剖開(kāi)的。

平整清理海底,起重船吊起導(dǎo)管架準(zhǔn)備下沉,入水前打開(kāi)桶底閥門,釋放吸力桶內(nèi)空氣,把吸力桶導(dǎo)管架下沉到海底,靠自重桶口入泥,形成桶口密封,見(jiàn)圖10(b)示意圖。關(guān)閉桶底閥門,開(kāi)啟抽水泵。抽出桶內(nèi)海水產(chǎn)生負(fù)壓,桶外海水的壓力把桶向下壓,通過(guò)調(diào)整4臺(tái)水泵的流量控制導(dǎo)管架下沉?xí)r的速度與水平度,開(kāi)始時(shí)桶內(nèi)外壓差不能太大,以防桶變形,到吸力桶沉至設(shè)計(jì)入泥深度時(shí)結(jié)束抽水,關(guān)閉抽水口,拆除抽水泵,導(dǎo)管架安裝結(jié)束,見(jiàn)圖10(c)示意圖。

某 5.0 MW 的機(jī)組,底部四個(gè)吸力桶心間距為20m×20m; 筒體部分高為9m,直徑9.5 m,整個(gè)基礎(chǔ)的總重量為1218.808t。

吸力桶導(dǎo)管架特別適宜海床為砂性土軟粘土淺覆蓋層風(fēng)化巖面的海域安裝。圖11是網(wǎng)上發(fā)布的吸力桶導(dǎo)管架照片,導(dǎo)管架裝在船上運(yùn)往安裝海域。

吸力桶導(dǎo)管架照片
圖11 吸力桶導(dǎo)管架照片
(照片來(lái)自網(wǎng)絡(luò))

2025年6月發(fā)布

 
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