海上風(fēng)電風(fēng)機基礎(chǔ)選型

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上海上風(fēng)電場風(fēng)機基礎(chǔ)選型1. 概述風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。海上有豐富的風(fēng)能資源和廣闊平坦的區(qū)域，離岸10 km的海上風(fēng)速通常比沿岸陸上25%；海上風(fēng)湍流強度小，具有穩(wěn)定的主向，機組承受的疲勞負荷較低，使得風(fēng)機壽命；風(fēng)切變小，因而塔架可以較低；在海上開發(fā)風(fēng)能，受噪聲、景觀、鳥類、電磁波干擾等問題較少；海上風(fēng)電場不涉及土地征用等問題，人口比較集中，陸地面積相對較小、瀕臨海洋家或地區(qū)，較適合發(fā)展海上風(fēng)電。海上風(fēng)能利用不會造成大氣污染和產(chǎn)生任何有害，可減少溫室效應(yīng)氣體的排放，環(huán)保價值可觀，海上風(fēng)電的這些優(yōu)點，使得近海風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成為近年來研究和應(yīng)

2、用的熱點。發(fā)電成本是海上風(fēng)電發(fā)展的瓶頸，影響海上風(fēng)電成本的主要因素是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)成本(包括制造、安裝和維護)。目前，海上風(fēng)電場的總投資中，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)占2030%，而陸上風(fēng)電場僅為510%。因此發(fā)展低成本的海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是降低海上風(fēng)電成本的一個主要途徑。2. 風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式海上風(fēng)電機組的基礎(chǔ)被認為是造成海上風(fēng)電成本較高的主要因素之一。目前國外研究和應(yīng)用的海上風(fēng)機基礎(chǔ)從結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)型式上主要分為重力式基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)及懸浮式基礎(chǔ)。前兩種形式已在歐洲海上風(fēng)電場建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，懸浮式基礎(chǔ)為正在研制階段的深水海上風(fēng)電技術(shù)。2.1. 重力式基礎(chǔ)重力固定式基礎(chǔ)體積較大，靠重力來固定位置，主要有鋼筋混凝土沉箱型或鋼

3、管柱加鋼制沉箱型等等，其基礎(chǔ)重量和造價隨著水深的增加而成倍增加，丹麥的Vindeby 、Tun Knob、Middelgrunden和比利時的Thornton Bank海上風(fēng)電場基礎(chǔ)采用了這種傳統(tǒng)技術(shù)。重力式基礎(chǔ)適合堅硬的黏土、砂土以及巖石地基，地基須有足夠的承載力支撐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)自重、上部風(fēng)機荷載以及波浪和水流荷載。重力式基礎(chǔ)一般采用預(yù)制圓形空腔結(jié)構(gòu)（圖2-1），空腔內(nèi)填充砂、碎石或其他密度較大的回填物，使基礎(chǔ)有足夠自重抵抗波浪、水流荷載以及上部風(fēng)機荷載對基礎(chǔ)產(chǎn)生的水平滑動、傾覆?；A(chǔ)尺寸根據(jù)地基承載力以及抵抗滑動、傾覆所需要的抗力決定。圓形結(jié)構(gòu)安放前須在地基上鋪設(shè)一定厚度的拋石基床，一方面起整

4、平作用，另一方面可以擴散結(jié)構(gòu)對地基的應(yīng)力，起減小地基應(yīng)力及減弱不均勻沉降作用?；A(chǔ)可在陸上預(yù)制場內(nèi)預(yù)制或駁船上預(yù)制，采用半潛駁運至風(fēng)機位置，起重船吊裝就位。重力式基礎(chǔ)對地基承載力要求較高，適用于30m水深以下的海域，優(yōu)點：基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，本體造價較鋼結(jié)構(gòu)低；缺點：基礎(chǔ)的體積較大，需在岸邊預(yù)制，運輸、就位較為不便，同時地基需一定的處理（平整基床）。重力式基礎(chǔ)不適合流沙形的海底情況。另外，由于重力式基礎(chǔ)一般重達3000t左右，其海上運輸和安裝等均不方便。圖2-1 重力式基礎(chǔ)2.2. 樁基礎(chǔ)樁基礎(chǔ)利用打樁、鉆孔或噴沖的方法將鋼管安裝在海底泥面以下一定的深度，將風(fēng)機塔架固定其上起支承作用。樁基

5、礎(chǔ)可分為單樁基礎(chǔ)、多樁承臺基礎(chǔ)及多腳架組合基礎(chǔ)。2.2.1. 單樁基礎(chǔ)（Monopile）支柱固定式基礎(chǔ)利用打樁、鉆孔或噴沖的方法將鋼質(zhì)支柱安裝在海底泥面以下一定的深度，將風(fēng)機塔架固定其上起支承作用（圖2-2）。其插入深度由水深和海床地質(zhì)條件決定，其水深一般小于30m（平均水位）。國外現(xiàn)有的大部分海上風(fēng)電場，如丹麥Horns Rev和Nysted、愛爾蘭Arklow bank、英國North Hoyle、Scroby Sands和Kentish Flats等大型海上風(fēng)電場均采用了這種基礎(chǔ)。圖2-2 單樁基礎(chǔ)單樁式基礎(chǔ)因其結(jié)構(gòu)簡單和安裝方便，為目前應(yīng)用最普遍的形式。它由鋼制圓管構(gòu)成，圓管壁厚在3

6、060mm，直徑在46m。由于單樁打入海底較深，該基礎(chǔ)形式有較大的優(yōu)勢，但對于海床有巖石的情況就不合適采用此類基礎(chǔ)。由于單樁式基礎(chǔ)在更深的水況下，只能通過加長鋼制圓管的長度來適應(yīng)水深，但會導(dǎo)致基礎(chǔ)鋼管的剛性及穩(wěn)性降低，所以單樁式基礎(chǔ)適應(yīng)的最大水深約25m。2.2.2. 多樁承臺基礎(chǔ)多樁式高樁承臺基礎(chǔ)，參考了國內(nèi)施工建設(shè)中已趨成熟的海上獨立式墩臺基礎(chǔ)和跨海大橋橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式；其結(jié)構(gòu)由基樁和承臺組成（圖2-3），其基樁可采用預(yù)制樁、灌注樁或鋼管樁。 圖2-3 多樁承臺基礎(chǔ)預(yù)制樁一般選用PHC管樁較為經(jīng)濟，但PHC管樁施打時對風(fēng)浪要求較高、遇深厚砂土層時沉樁較為困難以及施工期在波浪力的作用下易造成

7、樁身脆性破壞等問題。灌注樁只能做成直樁，抵抗大的水平推力時只能靠增加樁徑來解決，且灌注樁在海上施工時需搭設(shè)施工平臺，施工周期長，一般不采用。鋼管樁具有剛度大，重量較小，沉樁施工方便等優(yōu)點，被東海大橋風(fēng)電場采用。承臺采用圓形結(jié)構(gòu)，承臺的直徑根據(jù)樁的數(shù)量的間距來確定，承臺的高度根據(jù)樁進入承臺的深度及上部風(fēng)筒連接件的埋置深度確定。2.2.3. 多腳架組合基礎(chǔ)多腳架組合式基礎(chǔ)主要在海上石油平臺、海上燈塔建設(shè)中得到一定的運用,據(jù)了解，我國在渤海、東海水深1580m海域設(shè)立的海上石油導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，均采用此類基礎(chǔ)。三腳架組合式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式為：用多根中等直徑的鋼管樁定位于海底，樁頂通過鋼套管支撐上部三腳桁架結(jié)構(gòu)

8、，構(gòu)成組合式基礎(chǔ)（圖2-4）。多腳桁架承受上部塔架荷載，并將應(yīng)力與力矩傳遞于鋼樁。圖2-4 多腳架組合式基礎(chǔ)2.3. 懸浮式基礎(chǔ)懸浮式基礎(chǔ)按照基礎(chǔ)上安裝的風(fēng)機的數(shù)量分為多風(fēng)機式和單風(fēng)機式。多風(fēng)機式即指在一個浮式基礎(chǔ)上安裝有多個風(fēng)機（圖2-5），但因穩(wěn)性不容易滿足和所耗費的成本過高，一般不予考慮。另一種就是單風(fēng)機浮式基礎(chǔ)（圖2-6），這種基礎(chǔ)主要參考現(xiàn)有海洋石油開采平臺而提出，因其技術(shù)上有參考，且成本較低，是未來懸浮式基礎(chǔ)發(fā)展的主要考慮方向。3. 各種基礎(chǔ)型式的比較基礎(chǔ)型式的比較僅限于目前常用的基礎(chǔ)型式，比較見表3.1。表3-1 風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計方案特性比較表設(shè)計方案比較內(nèi)容重力式基礎(chǔ)大直徑單根鋼管

9、樁基礎(chǔ)群樁式高樁承臺基礎(chǔ)三腳架組合式基礎(chǔ)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點該結(jié)構(gòu)為國外海上風(fēng)電場風(fēng)機基礎(chǔ)常用型式?；A(chǔ)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，依靠自身的重量固定于海床上該結(jié)構(gòu)為國外海上風(fēng)電場風(fēng)機基礎(chǔ)常用型式。基礎(chǔ)自重輕，結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，受力明確。該結(jié)構(gòu)為高樁承臺基礎(chǔ)，總體結(jié)構(gòu)偏于厚重。因結(jié)構(gòu)承受較大的波浪上托力影響，故基樁長度較長。斜樁基樁呈圓周形布置，對結(jié)構(gòu)受力和抵抗水平位移較為有利。該結(jié)構(gòu)在海洋石油工業(yè)海上石油導(dǎo)管架基礎(chǔ)的建造中得到了應(yīng)用，基礎(chǔ)自重較輕?；鶚冻嗜菢段徊贾?，固定在海底，整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好。適用自然條件適用于水深小于30m，且地質(zhì)條件好的地區(qū)。 適用于水深小于25m，且地質(zhì)條件較好的地區(qū)，對于場地較差

10、，考慮采用大直徑單根鋼管樁基礎(chǔ)，可滿足結(jié)構(gòu)傾斜度和變位要求。適用于水深530m，對地質(zhì)條件要求不高的地區(qū)。但對于臺風(fēng)出現(xiàn)頻率較高的海域，因波浪將對承臺產(chǎn)生較大的頂推力作用，須對基樁與承臺的連接采取加固措施。適用于水深為1550m，對地質(zhì)條件要求不高的地區(qū)。但基礎(chǔ)的水平度控制需配有浮塢等海上固定平臺完成。建成后，由于水下桁架結(jié)構(gòu)處水深較淺，工作船的靠泊條件有所限制。海上施工技術(shù)和施工條件岸邊預(yù)制，半潛駁運輸，起重船吊裝就位。岸邊需較大的安裝場地，基礎(chǔ)體積、重量較大，運輸和吊裝較為不便，施工措施費用較高。施工周期較長。對于單樁獨柱的就位施打必須具備大型打樁錘，施工要求較高。據(jù)調(diào)查和交流，國外風(fēng)機基礎(chǔ)建造公司已積累了一整套成熟的施工技術(shù)，本工程施工時可租賃和引進相應(yīng)的施工機械和施工技術(shù)。鋼管樁陸上制作、堆放及吊運時，對場地、周轉(zhuǎn)碼頭的要求較高。施工周期短。此種基礎(chǔ)型式基樁直徑較小（不大于2.5m），國內(nèi)現(xiàn)有打樁船“天威號”及