一、概述：
中國已建和在建的海上風(fēng)電項(xiàng)目有上海東海大橋10 萬千瓦項(xiàng)目、江蘇如東潮間帶15萬千瓦示范項(xiàng)目以及2010 年國家發(fā)改委啟動的首輪100 萬千瓦海上風(fēng)電招標(biāo)項(xiàng)目。
二、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的分類
基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型可分為：樁式基礎(chǔ)，導(dǎo)管架式基礎(chǔ)， 重力式基礎(chǔ)，浮動式基礎(chǔ)等多種結(jié)構(gòu)形式。
單樁基礎(chǔ)由大直徑鋼管組成， 是目前應(yīng)用最多的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)， 該中形式基礎(chǔ)是用液壓撞錘將一根鋼管夯入海床或者鉆孔安裝在海床形成的基礎(chǔ)。其重量一般為150t-400t ，主要適用于淺水及 20 ～25 m 的中等水域、土質(zhì)條件較好的海上風(fēng)電場項(xiàng)目。這種基礎(chǔ)目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于歐洲海上風(fēng)電場，成為歐洲安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)的“半標(biāo)準(zhǔn)”方法。
優(yōu)點(diǎn)：是無需海床準(zhǔn)備、安裝簡便。
缺點(diǎn)：移動困難; 并且于直徑較大需要特殊的打樁船進(jìn)行海上作業(yè)， 如果安裝地點(diǎn)的海床是巖石，還要增加鉆洞的費(fèi)用。
1.多樁基礎(chǔ)
多樁基礎(chǔ)的概念源于海上油氣開發(fā)， 基礎(chǔ)由多個樁基打入地基土內(nèi)， 樁基可以打成傾斜或者豎直，用以抵抗波浪、水流力。中間以灌漿或成型方式(上部承臺/ 三腳架/ 四腳架/ 導(dǎo)管架)連接塔架適用于中等水深到深水區(qū)域風(fēng)場。
優(yōu)點(diǎn)：適用于各種地質(zhì)條件、水深，重量較輕， 建造和施工方便， 無需做任何海床準(zhǔn)備;
缺點(diǎn)：建造成本高， 安裝需要專用設(shè)備， 施工安裝費(fèi)用較高， 達(dá)到工作年限后很難移動。
應(yīng)用情況： 2007 年英國Beat rice 示范海上風(fēng)電場，兩臺5MW的風(fēng)機(jī)均采用的四樁靴式導(dǎo)管架作為基礎(chǔ)，作業(yè)水深達(dá)到了45m，是目前海上風(fēng)機(jī)固定式基礎(chǔ)中水深最大的;我國上海東大橋海上風(fēng)場采用的是多樁混凝土承臺型式。
2. 三腳樁基礎(chǔ)
三腳樁基礎(chǔ)采用標(biāo)準(zhǔn)的三腿支撐結(jié)構(gòu)， 由中心柱和3 根插入海床一定深度的圓柱鋼管和斜撐結(jié)構(gòu)組成。鋼管樁通過特殊灌漿或樁模與上部結(jié)構(gòu)相連， 可以采用垂直或傾斜管套， 中心柱提供風(fēng)機(jī)塔架的基本支撐，類似于單樁基礎(chǔ)。其重量一般在125~150t 左右，適用水深為20~40m。
這種基礎(chǔ)由單塔架結(jié)構(gòu)簡化演變而來， 同時又增強(qiáng)了周圍結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度， 在海洋油氣工業(yè)中較為常見。
3. 導(dǎo)管架基礎(chǔ)
典型的導(dǎo)管架式基礎(chǔ)為三腿或四腿結(jié)構(gòu)由圓柱鋼管構(gòu)成。導(dǎo)管架基礎(chǔ)形式在深海采油平臺的建設(shè)中已經(jīng)成熟應(yīng)用，可推廣應(yīng)用于海上風(fēng)電。
4. 重力式基礎(chǔ)
重力式基礎(chǔ)是最早應(yīng)用于海上風(fēng)電場建設(shè)的基礎(chǔ)型式。原理是依靠其自身巨大的重量以固定風(fēng)機(jī)，分為混凝土和鋼沉降兩種形式。適用于水深小于 10 m 的任何地質(zhì)條件海床。
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、造價低;受海床沙礫影響不大;抗風(fēng)暴和風(fēng)浪襲擊性能好，其穩(wěn)定性和可靠性是所有基礎(chǔ)中最好的。
缺點(diǎn)：需要預(yù)先海床準(zhǔn)備，海上施工周期較長;體積大、重量大，使得安裝起來不方便且運(yùn)輸費(fèi)用高;適用水深范圍過狹窄，隨著水深的增加，成本急劇升高。
5. 浮動式基礎(chǔ)(概念階段)
固定式基礎(chǔ)比如單樁式和重力式適應(yīng)的水深只限在30m左右，無法向著更深的水域發(fā)展。而浮動式基礎(chǔ)可適用于大于50m的水深。浮式基礎(chǔ)按系泊系統(tǒng)可分為：日本的SPAR式、美國的張力腿式和荷蘭的浮箱式。SPAR式基礎(chǔ)，通過壓載艙使得整個系統(tǒng)的重心壓， 低至浮心之下來保證整個風(fēng)機(jī)在水中的穩(wěn)定，再通過3 根懸鏈線來保持整個風(fēng)機(jī)的位置。張力腿基礎(chǔ)，通過系泊線的張力來固定和保持整個風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定。浮箱式基礎(chǔ)，依靠自身重力和浮力的平衡以及懸鏈線來保證整個風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定和位置。
6. 總結(jié)：
挪威船級社(DNV)標(biāo)準(zhǔn)中定義了不同風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)概念的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)海水深度和經(jīng)濟(jì)性考慮海上風(fēng)場基礎(chǔ)的選擇見下表。
目前已投人使用的基礎(chǔ)形式有重力式、吸力式和單樁式， 還有近年國外開始投人使用的三角架式和導(dǎo)管架式等。導(dǎo)管架平臺在海洋油氣工業(yè)中是各種水深(600 m以下) 的最佳選擇平臺之一，技術(shù)比較成熟，可以滿足未來大型風(fēng)電場建設(shè)的需要，因此有很好的應(yīng)用前景。
就中國市場來說，未來一段時期內(nèi)，將以近海50 m 以下水深海域開發(fā)為主要對象，所以單樁基礎(chǔ)是中國風(fēng)場未來建設(shè)的一個重點(diǎn)。
三、塔身結(jié)構(gòu)的分類
塔身結(jié)構(gòu)可分為：單柱式塔身和析架塔身。
四、海上風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)
海上風(fēng)場設(shè)計(jì)主要包括載荷分析、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、防腐蝕設(shè)計(jì)和防沖刷設(shè)計(jì)四個方面。
1. 載荷分析
風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在海洋中所受的載荷非常復(fù)雜。單從環(huán)境載荷上來看主要是作用在塔架、風(fēng)葉上的風(fēng)荷載和作用在基礎(chǔ)上的波浪和水流載荷。由于此類載荷與氣候息息相關(guān)， 所以風(fēng)場開發(fā)區(qū)域需要進(jìn)行長期的勘查工作， 一般需要經(jīng)歷2-3年，主要工作是建立監(jiān)測點(diǎn)， 記錄數(shù)據(jù)，總結(jié)氣象規(guī)律， 作為基礎(chǔ)選型和設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。另外， 風(fēng)機(jī)本身產(chǎn)生的載荷通過風(fēng)機(jī)支撐的傳遞也會影響到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，例如慣性和重力載荷、空氣動力載荷、運(yùn)行載荷、流體動力載荷等。除此以外，還有海冰載荷、船舶沖擊載荷、海泥載荷( 固定基礎(chǔ)) 、錨鏈載荷( 浮式基礎(chǔ)) 、地震載荷等。
目前，在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，對載荷的分析方法主要是利用設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行實(shí)景模擬分析，利用分析軟件建立風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)、海風(fēng)、波浪模型，進(jìn)行強(qiáng)度和疲勞分析。
2. 防腐設(shè)計(jì)
海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)中的鋼結(jié)構(gòu)長期暴露于海洋環(huán)境中， 根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中不同位置的腐蝕程度的不同， 可以分成5 個部分: 海洋大氣區(qū)、飛濺區(qū)、潮差區(qū)、全浸區(qū)和海泥區(qū)。各區(qū)具有不同的特點(diǎn)，應(yīng)采取相應(yīng)的防腐措施。具體措施如下
1) 海洋大氣區(qū)的防腐蝕一般采用涂層保護(hù)或噴涂金屬層加封閉涂層保護(hù)。
2) 飛濺區(qū)和潮差區(qū)的平均潮位以上部位的防腐蝕一般采用重防蝕涂層或噴涂金屬層加封閉涂層保護(hù)，亦可采用包覆玻璃鋼、樹脂砂漿以及包覆合金進(jìn)行保護(hù)。
3) 潮差區(qū)平均潮位以下部位，一般采用涂層與陰極保護(hù)聯(lián)合防腐蝕措施。
4) 全浸區(qū)的防腐蝕應(yīng)采用陰極保護(hù)與涂層聯(lián)合防腐蝕措施或單獨(dú)采用陰極保護(hù)， 當(dāng)單獨(dú)采用陰極保護(hù)時，應(yīng)考慮施工期的防腐蝕措施。
5) 海泥區(qū)的防腐蝕應(yīng)采用陰極保護(hù)。涂料保護(hù)、熱噴涂金屬保護(hù)和陰極保護(hù)都是海洋工程鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)常采用的防腐蝕措施。涂料涂層和金屬熱噴涂層涂層系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)構(gòu)件所處的環(huán)境條件，參照有關(guān)海上鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。陰極保護(hù)是防止金屬腐蝕的一種電化學(xué)防腐蝕保護(hù)技術(shù)， 發(fā)明至今已大于100 年的歷史。陰極保護(hù)在海洋工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。目前，國外有多個海上風(fēng)場已經(jīng)使用了陰極保護(hù)技術(shù)。
