1、天福科創TIANYUANCREATION海上風電場風機基礎介紹技術服務中心業務籌備部天幅利創T«ANYUANCReATION刖百近年來，國家對清潔能源特別是風電的發展在政策上給予了很大支持，使得中國風電得到蓬勃發展。風力發電作為新能源領域中技術最成熟、最具規模化開發條件和商業化發展前景的發電方式，獲得了迅猛發展。隨著風電機組從陸地延伸到海上，海上風電正成為新能源領域發展的重點。本文結合國內外海上風電場具體的風機基礎，對現有的海上機組的基礎類型逐一介紹，目的是對海上風機基礎形成一個初步的了解，為公司日后的海上服務業務做鋪墊。為人類奉獻白云藍天，給未來留下更多資源。目錄1風機基礎類型41

2、.1 重力式基礎41.2 單樁35礎61.3 三腳架式基礎81.4 導管架式基礎101.5 多樁式基礎111.6 其他概念型基礎122海上風力發電機組基礎維護14為人類奉獻白云藍天，給未來留下更多資源。1風機基礎類型重力式基礎重力式基礎，顧名思義是是靠重力來追求風機平衡穩定的基礎，重力式基礎主要依靠自身質量使風機矗立在海面上，其結構簡單，造價低且不受海床影響，穩定性好。缺點是需要進行海底準備，受環境沖刷影響大，且僅適用于淺水區域。優點是不需要打樁，直接減少了施工噪聲。如圖1-1所示。圖1-1重力式基礎示意圖世界上早期的海上風電場都是采用的重力式，鋼筋混凝土結構，具結構原理較簡單，適合水比較淺的

3、區域，適用水域0-10m,重力式基礎造價成本相對比較低，其成本隨著水深的增加而增加，不需要打樁作業。重力式基礎的制造過程是在陸地上，通過船舶運輸到指定地點，基礎放置之前要對放置水域地面進行平整處理，鑿開海床表層。基礎放置完成之后用混凝土將其周邊固定。ThorntonBank海上風電場是比利時第一個海上風電場，也是世界上第一個使用重力底座的商業海上風電場。該風電場位于比利時海岸線以北27-30公里處,水深12-27.5米。該風電場使用重力底座，鋼筋水泥結構，中空，建造和運輸重為人類奉獻白云藍天，給未來留下更多資源。Preservingwhitecloudsandblueskyforhumanbe

4、ingsandreservingmoreresourcesforfuture.量在1200噸左右；安裝后使用細沙或碎石填滿，總重量超過6000噸。為了安裝這種風電機底座，施工單位動用了總數超過100次各種船只和海上平臺，其中包括當時（2007年）世界上做大的起重船Rambiz（最大起重重量3300噸）。圖1-2就是在陸地上建設中的底座圖1-2ThorntonBank海上風電場使用的底座ThorntonBank海上風電場施工過程：1）用挖掘船將安裝風電機處的海底挖開大概4.5米深的坑，面積大約為50x70米；2）使用碎石將挖出的坑找平，平面誤差不能超過5厘米（目的是使坑底部平整度達成一致）；3）

5、用運輸船將造好的底座運到安裝點，并下沉；4）使用吸泵往底座中抽海砂，待水沙分離后將水抽出；5）使用細沙或者碎石將挖出的坑填滿并夯實。重力式基礎缺點：水下工作量大，結構整體性和抗震性差，需要各種填料，且需求量很大；為人類奉獻白云藍天，給未來留下更多資源。麗天幅利創海上風電場風機基礎介紹重力性基礎隨著時間的長遠，必然存在一個下沉的問題，這與其本身結構、風電場地質結構、施工方式有關；船舶運輸、基礎在海中施工成本大，費時費力，且需要運輸基礎底座沉箱的船舶要求很高；目前國內海上風電場沒有使用重力式基礎的案例，國外也基本不采用了此種基礎建設方式。單樁基礎即“單根鋼管樁基礎（monopile）”，其結構特點

6、是自重輕、構造簡單、受力明確。單樁基礎由一個直徑在34.5m之間的鋼樁構成。鋼樁安裝在海床下1825m的地方，其深度由海床地面的類型決定。單樁基礎有力地將風塔伸到水下及海床內。這種基礎的一大優點是不需整理海床。但是，它需要防止海流對海床的沖刷，而且不適用于海床內有巨石的位置。該技術應用范圍水深小于25m大直徑鋼管樁方案結構受波浪影響相對較小。目前此種基礎結構在國內外風電場應用很廣泛，金風科技2.5MW機組潮間帶響水項目風電場即使用此基礎結構。單樁達指定地點后，將打樁錘安裝在管狀樁上打樁直到樁基進入要求的海床深度；另一種則是使用鉆孔機在海床鉆孔，裝入樁后再用水泥澆注。單基樁適用為人類奉獻白云藍天

7、，給未來留下更多資源。Preservingwhitecloudsandblueskyforhumanbeingsandreservingmoreresourcesforfuture.的海域通常比重力基礎要深，可以達到20m以上。由于樁和塔架都是管狀的，因此在現場它們之間的連接相比于其它基礎更為便捷。在使用合適設備的情況下，單基樁的打樁過程比較簡單。對于水深較淺且基巖離海床表面很近的位置單基樁是最好的選擇，因為相對較短的巖石槽就可以抵住整個結構的傾覆力。而對于基巖層距離海床很遠的情況，就需要將樁打得很深。另外對于堅硬巖石尤其是花崗巖海床來說，打樁過程需要增加成本甚至難以成行。圖1-4為國內某海上

8、風電場單樁基礎示意圖。機塔籌操作T臺7)=9m電纜首a但相消：iI微泥質粘土粘土I/砂質粉上12粉砂U2粉細砂圖1-4單樁基礎結構示意圖金風科技首批批量化潮間帶海上項目風機基礎也是使用此類型的基礎，單樁基礎結構較簡單，施工也簡單。目前地質單位已經完成地質勘探工作，打樁施工單位進入規劃風電場后即可進行打樁工作。后續，業務籌備部將進行跟蹤了解工作。為人類奉獻白云藍天，給未來留下更多資源。Preservingwhitecloudsandblueskyforhumanbeingsandreservingmoreresourcesforfuture.單樁基礎結構適用范圍廣泛，現目前為市場主流基礎結構。基

9、礎生產工藝簡單，施工成本低，施工過程簡單易控制，施工單位經驗豐富等優點，但是這不意味著單樁基礎是海上風機基礎的成熟產品，在國外海上風電場已經出現了單樁傾斜的案例。傾斜角度的產生是受潮汐、浪涌沖擊的必然結果。如何解決此問題，是風電場后期維護、運營的難題之一。三腳架式基礎圖1-5三角架式基礎示意圖又稱“三腳架式基礎（Tripod）”，還有稱“三樁基礎”。基礎自重較輕，整個結構穩定性較好。在海上風機基礎應用之前，海上石油行業大量采用石油導管架基礎，有一定的使用經驗。適用水深15-30米，基礎的水平度控制需配有浮塢等海上固定平臺完成。國內在海上石油導管架基礎的施工中有一定的施工經驗以及相應的施工設備。

10、三腳架式基礎原理：用三根中等直徑的鋼管樁定位于海底，埋置于海床下10-20m的地方，三根樁成等邊三角形均勻布設，樁頂通過鋼套管支撐上部三腳行架結構，構成組合式基礎。三腳行架為預制構件，承受上部塔架荷載，并將應力與力矩傳遞于三根鋼樁。三腳架式基礎是由石油工業中輕型、經濟的三支腿導管架發展而來的，由圓柱鋼管構成。三腳架的中心鋼管提供風機塔架的基本支撐，類似單樁結構，三角為人類奉獻白云藍天，給未來留下更多資源。Preservingwhitecloudsandblueskyforhumanbeingsandreservingmoreresourcesforfuture.架可采用垂直或傾斜套管，支撐在鋼

11、樁上。這種基礎設計由單塔架機構簡化演變而來，同時增強了周圍結構的剛度和強度。鋼樁嵌入深度與海床地質條件有關。由于需要打樁的緣故，三腳架結構通常不適于在海床存在大面積巖石的情況。在施工之前海床整理簡單，同時這種結構基礎的防腐也不是問題。金風科技潮間帶2.5MW式驗機組如東項目即采用的此種基礎方式。如圖1-6所示。圖1-6如東項目機組基礎德國首個海上風能發電站阿爾法文圖斯首批海上機組其中6臺（Multibrid公司）也是采用三腳架式基礎。為人類奉獻白云藍天，給未來留下更多資源。I）天幅利創TiANYOANCRE4TIOIN海上風電場風機基礎介紹1.4導管架式基礎導管架式基礎（Jacket）是深海海

12、域的風電場未來發展的趨勢之一。德國的阿爾法文圖斯海上風電場6臺Repower機組全部都是采用的是導管架式基礎，具有示范效應。導管架式基礎也是三角架式基礎，”網格的三角架式基礎”。導管架的負荷由打入地基的樁承擔如圖1-8所示，阿爾法文圖斯Repower機組基礎圖1-8阿爾法文圖斯風電場Repower機組導管架式基礎為人類奉獻白云藍天，給未來留下更多資源一EFB最：tfMw畫中AflrC£iwrttnxil«ELowtkL*導管架式基礎強度高，安裝噪音較小，重量輕，適用于大型風機，深海領域,但是造價昂貴，需要大量的鋼材，受海浪影響，容易失效，安裝的時候受天氣影響較嚴重。該基礎適

13、用于5-50米范圍內的水域，可避免海上澆筑混凝土，具有海上施工量小，安裝速度快，造價低,質量易保證的特點多樁式基礎又稱“群樁式高樁承臺基礎”，應用于風電基礎之前，是海岸碼頭和橋墩基礎的常見結構，由基樁和上部承臺組成。斜樁基樁呈圓周形布置，對結構受力和抵抗水平位移較為有利，但樁基相對較長，總體結構偏于厚重。適用水深5-20米。因波浪對承臺產生較大的頂推力作用，需對基樁與承臺的連接采取加固措施。樁基直徑小，對鋼管樁的制作、運輸、吊運要求較低。上海東大橋風電場項目使用的基礎即為多樁式基礎。采用八根中等直徑的鋼管樁作為基樁，八根基樁在承臺底面沿一定半徑的圓周均勻布設。如圖1-9所示圖1-9上海東大橋風

14、電場基礎分解示意圖東大橋風電場風機基礎結構如上多樁式基礎結構類型，由基樁（左上）和承臺（右上）組成。基樁采用鋼管樁，即采用8根直徑1.2米（壁厚2cM的鋼管為人類奉獻白云藍天，給未來留下更多資源。Preservingwhitecloudsandblueskyforhumanbeingsandreservingmoreresourcesforfuture.曲天幅和創海上風電場風機基礎介紹樁做基樁，樁長44米。8根基樁在承臺底面均勻布設，承臺底面高程為0.5米,采用鋼筋混凝土結構。沉樁結束后，基礎海底表面拋鋪厚度2米左右的高強土工網裝碎石，以防水流沖刷。見圖1-10所示。圖1-10上海東大橋風電場

15、多樁基礎示意圖其他概念型基礎1）吸力式基礎即“thesuctionfoundation”，該基礎分為單柱及多柱吸力式沉箱基礎等。吸力式基礎通過施工手段將鋼裙沉箱中的水抽出形成吸力。相比前面介紹的單樁基礎，該基礎因利用負壓方法進行，可大大節省鋼材用量和海上施工時間，具有較良好的應用前景，但目前僅丹麥有成功的安裝經驗，其可行性尚處于研究階段。吸力式基礎其優點是其安裝尤其是拆卸具有明顯的便利性，在拆卸時只需平衡沉箱內的外壓力即可將沉箱輕松吊起。對于吸力式基礎來說，要達到“下得去、站得穩、起得來”，即能夠平穩地、保持一定垂直度地沉下去；沉下去之后，能夠在工作期間不失平穩而導致整個平臺傾覆、滑移或拔除等

16、破壞。2）飄浮式基礎漂浮式基礎是未來深海海域風電場的趨勢之一，目前在挪威西南部海岸10公里處有一臺實驗式機組（Hywind）飄浮基礎投入運行。據開發Hywind項目的為人類奉獻白云藍天，給未來留下更多資源。Preservingwhitecloudsandblueskyforhumanbeingsandreservingmoreresourcesforfuture.公司介紹，Hywind風力發電機組可適用于水深120米至700米的海域，而目前海上機組基本都是在水深60米以下圖1-11飄浮式基礎類型圖1-11展示了漂浮式海上風電機組平臺的一系列平臺建筑結構。圖中平臺類型用數字標識（從左到右）1）荷

17、蘭式半潛三角漂浮物式；2）駁船式；3）帶有兩排張索的柱形浮標式；4）三臂單體張力腿式；5）帶有重力錨的混凝土三臂單體張力腿式；6）深水圓柱式。漂浮式的基礎相比較其他基礎而言是不穩定的，必須有浮力支撐整個風力發電機組的重量，并在風機可接受的搖晃的角度進行控制，除了風力發電機有效載荷方面，設計漂浮式基礎還必須考慮當地海域波浪沖擊、洋流等海域變化情況。目前已形成的海上風力發電機機組漂浮式基礎只有挪威一個實驗項目，沒有足夠的數據和形成成熟的技術和經驗，而且先擁有此項技術的國家、公司對其技術嚴加保密，再加上不同海域地質情況和機組、環境載荷有不同特點，對于漂浮式基礎的開發和研究需要進行大量的人力和物力投資

18、。預計漂浮式基礎相關技術將在2020年左右時間趨向成熟。為人類奉獻白云藍天，給未來留下更多資源。天幅利創TI*NYUANCReATION2海上風力發電機組基礎維護目前，海上風力發電機基礎可能采用的結構型式有單樁鋼管樁結構、群樁蓋臺式結構、三角架式基礎結構以及導管架結構。無論采取哪種結構型式，結構材料都為鋼材或鋼筋混凝土，在自然環境下，特別是海水對基礎結構有腐蝕作用。海水環境同樣對海上其他類型工程結構存在腐蝕，因而可以參考海上其它工程結構防腐，特別是近年來港口工程對海港混凝土及鋼結構防腐已經形成技術規范或技術規定，適用于海上風機基礎防腐。基礎防腐蝕時根據設計水位、設計波高，可以分為大氣區、浪濺區

19、、水位變動區、水下區、泥下區，各區要區別對待。以阿爾法文圖斯Multibrid機組基礎為例，圖示風機基礎的各個區域。見圖2-1所示。浪濺區圖2-1Multibrid三角架式基礎防腐分區示意圖水下區泥下區實踐證明，海工結構鋼筋混凝土若不采取防腐措施，氯離子深入引起鋼筋腐為人類奉獻白云藍天，給未來留下更多資源。Preservingwhitecloudsandblueskyforhumanbeingsandreservingmoreresourcesforfuture.向天幅利創海上風電場風機基礎介紹蝕往往導致混凝土結構10-20年內就發生破壞，而鋼結構在海水環境中，碳素鋼的年單面平均腐蝕速度在浪濺

20、區可達0.2-0.5mm,不采取防腐措施，過不了幾年，結構強度就達不到使用要求。所以，風機基礎浪濺區的風機防腐工作的重中之重。對于基礎中的鋼結構，單樁、多樁的鋼管樁基礎、三腳架、導管架式基礎，大氣區的防腐蝕一般采用涂層保護或噴金屬層加封閉涂層保護；浪濺區和水位變動區的平均潮位以上的防腐措施一般采用重防腐蝕涂層或噴涂金屬層加密閉涂層保護，亦可采用包覆玻璃鋼、樹脂砂漿以及包覆合金進行保護；水位變動區平均潮位以下部位，一般采用陰極保護聯合防腐蝕措施；水下區的防腐措施應陰極保護與涂層聯合防腐蝕措施或單獨采取陰極保護，當單獨采用陰極保護時，應考慮施工期的防腐蝕措施；泥下區的防腐蝕應采用陰極保護。陰極保護

21、對于采用犧牲陽極陰極保護還是外加電流保護陰極保護，需要綜合比較后確定，對于海上風電場，外加電流陰極保護有一定的難度，需要有一個穩定的供電源，并且用海底電纜將所有的風機基礎連成一個網絡，同時需要采用遙控遙測技術和遠程監控系統。犧牲陽極保護系統投入正常運行后每隔半年或一年測量一次鋼管樁的保護電位，并記錄測量方法和測量數據。當陽極即將達到設計使用年限時，應適當增加電位測量次數，如發現保護電位值偏離設計保護電位要求時，應及時查明原因，必要時采取更換、增補犧牲陽極等措施。對于鋼結構防腐蝕，不僅需按鋼結構設計使用年限，預留單面腐蝕余量。涂層的作用主要是物理阻隔作用，將金屬基體與外界環境分離，從而避免金屬與周圍環境的作用。但是有兩種原因會導致金屬腐蝕。一是涂層本身存在缺陷，有針孔的存在；二是在施工和運行過程中不可避免涂層會破壞，使