菠菜馒头的做法海上风电场基础形式及配套施⼯技术
［收稿⽇期］ ２０１０－０７－２８
［作者简介］ 秦顺全（１９６３—），男，四川绵⽵市⼈，中国⼯程院院⼠，长期从事⼤型桥梁的设计、施⼯⼯作；Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｓｑ＠ｚｔｍｂｅｃ．ｃｏｍ
海上风电场基础形式及配套施⼯技术
秦顺全，张瑞霞，李军堂
（中铁⼤桥局集团有限公司，武汉４３００５０）
［摘要］ 根据不同的⽔深及地质条件，结合已建成的海上风电场基础形式及施⼯⽅法，介绍和研究了重⼒
式、单桩、群桩、设置沉箱、沉井及吸⼒式筒形基础等⼏种形式。对不同的基础形式，分别提出了⾃升式平台、浅吃⽔半潜驳、打桩船及整体浮运吊装等相应的基础施⼯⽅法。根据风机机组类型，对塔筒和风机的安装也做了介绍。
［关键词］ 海上风电场；基础形式；桩基础；导管架基础；吸⼒式筒形基础；设置沉箱；风机安装
［中图分类号］ ＴＵ４７６；ＴＵ７４５．７ ［⽂献标识码］ Ａ ［⽂章编号］ １００９－１７４２（２０１０）１１－００３５－０５
1 前⾔
利⽤清洁的风能资源是全球能源开发的战略⽅针
［１］
。２０１０年，欧洲海上风电场的开发已步⼊快速
发展期，丹麦、英国、瑞典、德国等主要的海上风电场国家都制定了相应的海上风能发展战略规划，世界海上风电装机容量已经达到了１００万ｋＷ，其中⼤约４０％在丹麦。我国⾸个１００ＭＷ东海海上风电场也已在７⽉份建成并正式并⽹发电。由于海上风能具有风速⾼、风速稳定、不占⽤⼟地等优点，已成为⽬前风能发展的趋势和重点，⽽在海上建⽴风电场除了其明显的优势外也带来⼀些不可避免的问题，其中之⼀就是其基础⼯程的建设成本远远⾼于陆地风机。因此，寻找各个途径来降低海上风电场建设的成本是海上风机发展的关键所在。
2 海上风电场的特点及基础形式
海上风机基础与陆地风机基础相⽐有以下特点：
动摇
１）荷载：有强风、海浪、冰载和腐蚀的作⽤。
２）地质条件：覆盖层多为淤泥质⼟、沙⼟或⽆
覆盖层的裸岩，差异性⼤，施⼯条件差。无关大体
３）运输条件：只能⽔运，在滩涂或潮间带运输
必须采⽤特制设备。
４）安装⽅式：受海浪、强风影响，结构的运输与安装需投⼊⼤型⽔上设备，设备调遣使⽤费⾼。
就受⼒⽽⾔，海上风电场的基础与桥梁基础是
⼤同⼩异的，因⽽可以借鉴桥梁基础的形式，同时海上⽯油平台的设计施⼯理念也值得借鉴。
海上风电场基础除满⾜⾃⾝结构的强度、刚度及稳定性外，还要进⾏动⼒模态及疲劳分析，以满⾜基础结构在海洋环境中安全可靠的要求。根据海上风机的布局特点和海上施⼯的具体条件，设计出针对海上风电场的基础形式，主要有重⼒式基础、单桩基础、群桩基础、导管架基础、设置沉箱基础、沉井基础及吸⼒式筒形基础。
１）单桩基础：⼜分钢桩和钢筋混凝⼟管桩两种
基础形式。钢桩为矱３～矱７ｍ的钢管，板厚３０～
６０ｍｍ，打⼊深度在１５～５０ｍ，单桩承载⼒达５００～２６００ｔ，适应于覆盖层地质及⽔深在３０ｍ以下区域。其优点：不要求对海床做预先的准备，制造简单，施⼯快速，但相对海⽔较深时柔性⼤，如图１所
⽰。钢筋混凝⼟管桩直径５～６ｍ，壁厚５０～
１００ｃｍ，钻孔深度２０～５０ｍ，单桩承载⼒达１５００～
３０００ｔ，优点：不需要海床的预处理，⼯⼚预制，现场安装，缺点：需⼤直径钻孔设备，⼤吨位浮吊吊装，如
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图２所⽰。
２）群桩基础：采⽤⼩直径斜钢管，单钢管直径
１．５～１．６ｍ，承台为钢筋混凝⼟结构，具有承载⼒
⼤，抗⽔平载荷强的特点，适合有厚覆盖层、⽔域较
深的区域，⽔深不⼤于３０ｍ，缺点是现场作业时间较长，⼯作量⼤。如图３
所⽰。
图1 钢管桩基础
Fig ．1 Steel tube pile
面试时的自我介绍怎么说foundation
图2 钢筋混凝⼟管桩基础Fig ．2 RC tube pile foundation
３）重⼒式基础：可采⽤混凝⼟空⼼结构，依靠
基础的重⼒抵抗倾覆⼒矩，中间填充沙或碎⽯
，适⽤
图3 群桩基础
Fig ．3 Group pile foundation
于硬质地层，⽔深不⼤于１０ｍ，其优点是承载⼒⼤，稳定性好，如图４所⽰，缺点：对海浪的冲刷较敏感，
适⽤于⽔深较浅、地质条件好的区域，运输安装困
难。
图4 重⼒式基础Fig ．4 Gravity foundation
４）导管架基础：采⽤⼩直径钢管打⼊，端部填
塞或成型连接，适合较深的⽔域，且覆盖层承载⼒
⾼，如图５所⽰，其优点：对打桩设备要求较低，导管架采⽤⼯⼚加⼯，整体运输安装，缺点：现场作业时间相对较长。５）吸⼒式筒形基础：钢箱或钢筋混凝⼟结构，
基础浮式运输，注⽔下沉，筒内抽⽔，利⽤筒内外⽔头差产⽣压⼒将基础下压⼊⼟⾄设计位置，如图６
所⽰，适⽤于⽔深、砂质性⼟层，其原理图式见图７。
已成功应⽤于海上⽯油平台，尚未应⽤于海上风机基础。
６）设置沉箱基础：钢箱或混凝⼟结构，陆上预
63 中国⼯程科学
图5 导管架基础Fig ．5 Jacket
ba
图6 吸⼒式桶形基础Fig ．6 Suction barrel ba
制好后，浮式运输到位，定位后注⽔着床，底部填沙⽯压重，适⽤于深⽔基础，其优点是承载⼒⼤，抗⽔平荷载强，施⼯快速，缺点：需要地基处理（基底开挖或爆破整平），需⼤型浮吊吊装，配备⽔运和定位设施。如图８所⽰。
７）沉井基础：钢筋混凝⼟沉井结构，优点：承载
⼒⼤，刚度⼤，稳定性好，适⽤于深⽔，沙质性的覆盖层地质，缺点：需吸泥下沉设施，如图９所⽰。
3 基础施⼯
3．1 潮间带⽔域（⾼潮位⽔深不⼩于2m ）
潮间带位于⾼低潮⽔位线之间，海滩较平，区域⼴阔，在此建设风电场既不影响海滩，⼜不影响深⽔区域海上交通和养殖，但在潮间带建设风电场世界上尚⽆先例。此⽔域⽔流较⼩，⾼潮位有⽔，⽔较浅，在低潮位露滩，既不能按陆上法施⼯，⼜不能按常规的⽔上法施⼯，针对此⽔域的特殊情况，经多⽅案的⽐选研究，拟采⽤⽔上⾃升平台和浅吃⽔半潜驳两种专制设备的施⼯⽅案。
１）⾃升式平台施⼯法：⾃升式平台分单、双船
体两种形式，由标准的集装箱拼接⽽成
，能组成多种图7 吸⼒式基础原理图式
Fig ．7 Schematic of suction ba
principle
图8 设置沉箱基础Fig ．8 Set of caisson音乐手机哪款最好
软件界面设计工具foundation
图9 沉井基础
Fig ．9 Open caisson foundation
尺⼨的⼯作平台，适应不同的基础形式，平台上带有起重、发电及⽣产⽣活的必备设施，图１０为单船体作业图，图１１为双船体作业图。在⾼潮位平台进⼊墩位处，平台桩腿插⼊⼟中，平台升出海⾯，平台上的履带吊机配合移动导向架进⾏单桩基础、群桩基础施⼯以及风机的安装等。⾼潮位时升起平台桩腿，平台降⾄海⾯上，拖⾄下⼀风机处施⼯。
２）浅吃⽔半潜驳施⼯法：专制半潜⽔驳船，可
乘潮进去，然后在舱内注⽔，船体座滩施⼯，完⼯后
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图10 单船体作业图
Fig ．10 Drawing of the single －ship
operation
图11 双船体作业图
Fig ．11 Drawing of the double －ship operation
抽出舱内⽔，船体浮起拖⾄下⼀风机位置。船体长宽⾼尺⼨为７０ｍ×５０ｍ×３ｍ，上平台尺⼨为７０ｍ×７０ｍ，全⾼１１ｍ，空载吃⽔为０．８ｍ，满载吃⽔为
１．０ｍ，载重能⼒１０００ｔ。船在⾼潮位时备⾜１⾄２个桩位的结构材料携起重设备进⼊墩位处座底施⼯，适⽤于沙质的覆盖层，但需要解决在浅吃⽔时的船体动⼒问题，如图１２
所⽰。
图12 半潜驳作业图
Fig ．12 Drawing of the misubmersible tug boat
剑桥雅思6
3．2 深⽔区域（6～30m ）
６～３０ｍ深⽔⽔域的单桩、多桩及导管架基础
⼀般采⽤打桩船或浮吊配合液压锤施⼯。打桩船的选择由打桩能⼒和吊装能⼒来确定，⼀般多桩基础和导管架基础可采⽤打桩船直接插打，⽽对于⼤直径的单柱钢管桩基础，则需采⽤⼤浮吊配合液压锤进⾏施⼯作业。⽬前，国际上的单桩基础可做到矱６～矱７ｍ直径，桩长达到８０ｍ左右，⼊⼟深度超过
４０ｍ，对于这种⼤桩径的单桩则⼀般需要⽤Ｓ７５０～Ｓ１８００（锤击能量为７５０～１８００ｋＮ·ｍ）液压锤。现以５ＭＷ机组为例，针对不同的基础形式，选取了不
同的液压锤，计算的主要结果如表１所⽰。
表1 钢管桩打桩参数对⽐表Table 1 Parameters comparison table of
the steel pipe pile
设计条件单桩基础
（桩径６ｍ）三桩基础
（桩径２．４ｍ）四桩导管架
（桩径２．２ｍ）⾼桩承台
（桩径２ｍ）
⽔深／ｍ３０２０３０２０⼊⼟深度／ｍ４０６０５０６０桩锤类型Ｓ７５０Ｓ４００Ｓ４００Ｓ４００⽤时／ｍｉｎ１０８１１８７４１０３钢管应⼒／ＭＰａ
６７．５／－３５．８
１９０．２／－４９．８
２０１．７／－６３．７
２０１．３／－５３．
９对于重⼒式基础⼀般采⽤岸上预制，浮吊整体安装的⽅案。对于⽔较深、承载要求⾼的风机基础，可以采⽤沉井基础、吸⼒式筒形基础或设置沉箱基础，以设置沉箱基础为例，其施⼯流程为：⼲船坞基础预制→拖⾄注⽔坞浮运⾄墩位→海床开挖或爆破整平→沉箱注⽔下沉到位→基础外防护施⼯。其施⼯步骤如图１３所⽰。
吸⼒式筒形基础的施⼯流程为：⼲船坞基础预制→拖⾄注⽔坞，浮运⾄墩位→安装系泊装置注⽔下沉⾄稳定深度→基础壁舱内抽⽔，裙板靠负压⼊⼟下沉⾄设计位置，其施⼯步骤如图１４所⽰。
4 海上风机的安装技术
海上风机的安装根据风机类型、塔筒⾼度、重量等采⽤散装和整装两种⽅案。
对潮间带的海上风机采⽤散拼⽅案，利⽤⽔上
平台或浅吃⽔半潜驳安装风机组。
对于深⽔区域的风机采⽤散拼或整装⽅案，且以⼤型浮吊安装为主。机组整体吊装涉及机械设备较多，⾸先在岸边码头上将机组散件拼装成整体，然后由驳船将整体机组运送⾄待装位置，由⼤型浮吊将机组吊起安装在已成基础上。以３．６ＭＷ机组为例，其施⼯步骤如下：
83 中国⼯程科学
图13 设置基础施⼯步骤图
Fig ．13Drawing of the tting the foundation construction
step
图14 吸⼒式筒形基础施⼯步骤图
Fig ．14 Drawing of the suction barrel ba construction step
１）选择码头平台作为拼装场地，将临时吊装⽀
架与码头平台临时固定。
２）塔筒放⼊⽀架内并⽤螺栓临时连接，然后依
次吊装（吊具采⽤柔性吊带）上部机舱和叶⽚。
３）⼤型起重船机将风机整体吊到驳船上，风机与驳船设安全缆风，临时⽀架与船体连接固定。
４）驳船将风机运输⾄安装位置，⼤型起重船将风机吊起安装到基础顶⾯，精确定位后将塔筒底部与基础顶⾯固定。
５）拆除临时⽀架，进⾏下⼀个风机的安装。
对于５ＭＷ以上的⼤型风机组，由于整体机组
结构重、⾼度⼤，采⽤散拼或整体吊装等将会对浮吊的吊重、吊⾼提出更⾼的要求，相应也会加⼤施⼯成本的投⼊，因此，为减少海上⾼空作业风险、降低⼯程费⽤，风机组安装⽅法可采⽤转体法、爬升式或⾃升式的施⼯⽅案，这些⽅法⽬前还处于研究阶段。
5 结语
通过对海上风电场基础施⼯及风机安装技术的分析研究，需根据不同的⽔深、地质及环境情况设计不同的基础形式。基础尽可能采⽤⼯⼚化⽣产、⼤单元运输安装的⽅式以减少海上作业时间。针对不同的施⼯环境需采⽤专门研制的安装设备，如浅吃⽔半潜驳、⽔上⾃升式平台或⼤型浮吊等专业设备进⾏快速施⼯，同时还要结合风机的⾼度和重量，选择不同的吊装⽅式。海上风机基础的设计和施⼯是海上风电场建设⼯程的关键点，同时也涉及多个技术领域的技术发展及创新，其技术研究成果对推动
海上风电场的建设意义重⼤⽽深远。
参考⽂献
［１］ 秦海岩，庄岳兴，⾼ 辉，等．中国海上风电和⼤型风电基地发
安全出行标语展战略研究［Ｒ］．中国可再⽣能源规模化发展项⽬办公室，２００９．
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