海上風電基礎設計與施工

1海上風電基礎設計與施工目錄2

國內外海上風電典型風機基礎結構3荷載分類及作用組合5

海上風機基礎型式選擇及計算6

海上風機基礎施工7海上風機安裝21

國內外海上風電發(fā)展現(xiàn)狀4海上風電風機基礎設計流程1.1國內外海上風電發(fā)展現(xiàn)狀3截至2016年底，歐洲海上風電累計裝機容量1260萬千瓦，占全球海上風電總裝機的88%。英國是世界上最大的海上風電市場，裝機容量占全球的近36%；其次是德國占29%。2016年，中國海上風電裝機量約148萬千瓦，占全球裝機量的11%，取代了丹麥，位居第三。1.1國內外海上風電發(fā)展現(xiàn)狀4根據(jù)水規(guī)總院發(fā)布的《中國可再生能源發(fā)展報告2017年》，2017年，中國風電新增1503萬千瓦，累計裝機16367萬千瓦；其中海上風電新增67萬千瓦，累計裝機215萬千瓦。1.2國內外海上風電發(fā)展趨勢5從歐洲海上風電場規(guī)模、單機容量、水深和離岸距離來看，都在呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。而投資呈現(xiàn)下降趨勢1、歐洲在運風電場的平均單機容量為4.8兆瓦，并準備大規(guī)模安裝6兆瓦以上大容量機組，包括通用（阿爾斯通）6兆瓦、西門子7兆瓦、三菱重工-維斯塔斯8兆瓦風力機等，已有13家供應商發(fā)布了8MW級以上風電機組。2、并網(wǎng)海上風電場平均規(guī)模為38萬千瓦，相比2015年增加了12.3%。3、并網(wǎng)風電機組的平均水深為29.2米，最深已突破60米。4、平均離岸距離為43.5千米，最遠已突破100千米。5、據(jù)英國皇家財產局編制的《成本下降監(jiān)測框架》(CRMF）顯示，隨著技術的進步、規(guī)模效應的顯現(xiàn)，預計到2025年，歐洲海上風電投資成本將在2015年的基礎上下降35%～40%。6、2015年和2016年并網(wǎng)的東海大橋二期海上風電場和響水近海風電場，與早期的東海大橋一期海上風電場相比，工程成本降低了約20%。2國內外海上風電典型風機基礎結構2.1國外海上風電典型風機基礎結構62.2國內海上風電典型風機基礎結構2.1國外海上風電典型風機基礎結構7重力式基礎單樁基礎水上三樁（Tripile）水下三樁（Tripod）導管架基礎吸力筒基礎漂浮式風機基礎8混凝土沉箱式9重力基座式10重力基座式11單樁基礎12水上三樁基礎13水下三樁基礎14水下三樁基礎15導管架基礎16吸力桶基礎17漂浮式基礎英國的張力腿式BlueH風電機組挪威的Spar式Hywind風電機組2.2國內海上風電典型風機基礎結構18低樁高臺柱基礎高樁承臺基礎單樁基礎水下三角架基礎（Tripod）導管架基礎吸力筒基礎19低樁高臺柱基礎20高樁承臺基礎21單樁基礎22三角架基礎23導管架基礎24吸力桶基礎25263荷載分類及作用組合荷載分為以下三類：1永久荷載，主要有上部結構傳來的風電機組重力荷載Fzk

、基礎及附屬結構自重G、預加應力Np

等。2可變荷載，主要有上部結構傳來的風電機組荷載水平力Fxk和Fyk

、水平力矩Mxk

和

Myk

、扭矩Mzk

，風荷載W、波浪力P、水流力Fw

、冰荷載

Fi

、船舶荷載F1

、結構施工檢修過程中出現(xiàn)的短期荷載Fs

等。3偶然荷載，如地震作用力Fe

、海上漂浮物非正常撞擊荷載F2

等。按承載能力極限狀態(tài)設計風電機組基礎時，應考慮荷載效應的基本組合；地震工況下應考慮荷載效應的偶然組合；按正常使用極限狀態(tài)設計風電機組基礎時，應考慮荷載效應的標準組合；風電機組基礎疲勞工況設計時，應考慮荷載效應的標準組合。273荷載分類及作用組合海上風電機組基礎設計對海洋水文資料的需求1、潮位：基面關系、冬季平均海平面、設計高、低水位、50年一遇高低水位；2、波浪：波高和周期聯(lián)合分布、設計波高、波長、波周期3、海流：分層流速、流向，分考慮疲勞和極端工況。4、海冰：流冰漂移方向和速度、沿岸固定冰寬度、計算設計冰厚、海冰的力學性質，包括壓縮強度、彎曲強度、彈性模量和泊松比。5、泥沙：海床運移，樁基局部沖刷（泥沙底部中值粒徑）283荷載分類及作用組合波浪理論選擇波浪力計算應注意幾個方面：1、波浪理論的選擇2、大尺寸構件不適合右圖所示理論，應該進行數(shù)值計算或者試驗。3、高樁承臺位置較低時應考慮浮托力。293荷載分類及作用組合海冰作用計算由于遠大于，海冰較嚴重區(qū)域，應設置抗冰椎體，使海冰彎曲破壞。30正錐體倒椎體孤立樁313荷載分類及作用組合323荷載分類及作用組合333荷載分類及作用組合承載能力極限工況取風電機組極限荷載設計值，正常使用極限工況取風電機組極限荷載標準值34基礎載荷報告機組載荷計算廠家設計院接口塔架基礎定型是否通過是否機組基礎設計基礎定型控制基礎基礎設計塔架控制Login載荷門戶4海上風電風機基礎設計流程海上風電風機基礎設計流程目前有兩種方式：分步迭代和一體化設計。一體化設計為金風等少數(shù)廠家新提出來的一種新的計算模式，廠家直接給出基礎結構每個截面的內力，據(jù)說可以節(jié)省工程量10%~15%。載荷或者剛度誤差在5%內一體化設計法分步迭代法354海上風電風機基礎設計流程分步迭代法風機廠家載荷計算設計院基礎設計FxyMxymaxH1%Fi(i=1~3)Mi(i=1~3)(Hs，Tp)ULSFLS波浪疲勞設計波法364海上風電風機基礎設計流程一體化設計法一體化建模（SACS）一體化載荷計算（Bladed）一體化校核（SACS）（ULS、FLS）無縫無縫一體化校核（FLS）一體化校核（ULS）各截面時程或馬爾科夫矩陣各截面極限載荷374海上風電風機基礎設計流程基礎設計總體流程一、輸入資料整理分析二、基礎選型三、基礎結構設計與計算四、防腐蝕設計五、附屬結構設計六、監(jiān)測設計384海上風電風機基礎設計流程輸入資料整理分析輸入資料工程地質海洋水文風電機組參數(shù)地形地貌巖層結構其他水深潮位波浪海流其他巖土物理力學特性塔底荷載塔架結構主機質量屬性塔架附屬結構布置其他395海上風機基礎型式選擇及計算基礎型式選擇1根據(jù)地質條件初選可能的基礎型式2根據(jù)所選基礎型式的特點，進行適宜性分析，選擇3-4種基礎型式3采取相同的控制標準，計算初選的各基礎型式工程量4型式405海上風機基礎型式選擇及計算基礎型式選擇風機基礎型式調研結構安全性分析施工可行性分析經(jīng)濟性分析確定基礎型式?jīng)_刷穩(wěn)定性實施設備、場內運輸415海上風機基礎型式選擇及計算425海上風機基礎型式選擇及計算435海上風機基礎型式選擇及計算445江蘇某風電場基礎型式選擇比選過程對目前國內外已經(jīng)應用的基礎型式進行初步分析，選擇3-4款適合風風場地質、水文條件的基礎型式。如高樁承臺基礎、單樁基礎、三樁導管架基礎和五樁導管架基礎確定設計輸入?yún)?shù)，基本按照相同控制標準對每一種基礎型式進行結構靜力和模態(tài)計算，提出工程量，并計算建安投資。從結構方案、施工設備、施工技術、施工周期、工程量以及經(jīng)濟性等方面對各種基礎型式進行比較，提出相對較優(yōu)的推薦方案和次之的備選方案。經(jīng)濟性為主參數(shù)，施工設備和工期為輔參數(shù)。455江蘇某風電場基礎型式選擇比選過程對目前國內外已經(jīng)應用的基礎型式進行初步分析，選擇3-4款適合風風場地質、水文條件的基礎型式。如高樁承臺基礎、單樁基礎、三樁導管架基礎和五樁導管架基礎確定設計輸入?yún)?shù)，基本按照相同控制標準對每一種基礎型式進行結構靜力和模態(tài)計算，提出工程量，并計算建安投資。從結構方案、施工設備、施工技術、施工周期、工程量以及經(jīng)濟性等方面對各種基礎型式進行比較，提出相對較優(yōu)的推薦方案和次之的備選方案。經(jīng)濟性為主參數(shù)，施工設備和工期為輔參數(shù)。465海上風機基礎型式選擇及計算靜力計算基礎穩(wěn)定性、結構強度、應力位移、變形宜建立三維有限元模型，應考慮荷載來自各個方向最不利因素，土壤的非線性動力計算自振特性、地震分析、冰激振動塔筒和基礎模型應該建立，風電機組簡化為有質量屬性的質點疲勞計算風機荷載疲勞、波流疲勞、冰荷載疲勞宜采用時程分析法進行整體耦合疲勞分析，無條件時可以采取疲勞損傷累加風機基礎計算475海上風機基礎型式選擇及計算風機基礎計算流程確定基礎高程-總體建模樁基承載力計算（確定樁基布置方案）結構應力計算（基本確定桿件、節(jié)點設計方案）模態(tài)分析（滿足整機頻率要求）地震驗算疲勞驗算總體方案（腐蝕裕量+涂層+犧牲陽極）制定涂層體系（根據(jù)腐蝕分區(qū)分別制定）犧牲陽極設計防腐設施維護方案腐蝕裕量計算（根據(jù)腐蝕分區(qū)分別計算）主要通過sacs、ansys等軟件，建立三維模型，進行相應計算。由于公式太多，下面僅對樁基承載力計算進行匯報。485海上風機基礎型式選擇及計算風機基礎平臺高程的確定5海上風機基礎型式選擇及計算樁基計算(P-Y曲線法)樁基礎軸向承載力計算應符合下式要求：進行靜荷載試驗時，5海上風機基礎型式選擇及計算抗壓計算按承載力經(jīng)驗參數(shù)法，軸向抗壓承載力設計值應符合下式要求（分別為打入式、灌注樁、嵌巖樁）：樁型Piletype樁的外徑(m)Pileexternaldiameter取值說明敞

口

鋼

管

樁Opensteelpipepile0.80<1.20入土深度大于20m或20

時取0.50~0.30Whenthesoildepthismorethan20mor20d,thevalueis0.50~0.30根據(jù)樁徑、入土深度和持力層特性綜合分析；入土深度較大，進入持力層深度較大，樁徑較小時取大值，反之取小值Analyzebasedonthepilediameter,embedmentdepthandbearinglayerproperties.Uselargevalueforlargeembedmentdepthandsmallpilediameter;otherwiseusesmallvalue.1.20<1.50入土深度大于25m時取0.35~0.20Whenthesoildepthismorethan25m,thevalueis0.35~0.20>1.50入土深度小于25m時取0；Whenthesoildepthislessthan25m,thevalueis0.入土深度大于或*等于25m時取0.25~0Whenthesoildepthisnolessthan25m,thevalueis0.25~0.半敞

口鋼

管樁Half-opensteelpipepile—參照同條件的敞口鋼管樁酌情增大Increaseappropriatelyreferringtotheopensteelpipepileatthesamecondition.持力層為黏性土時增大值不宜大于敞口時的20%；較密實砂性土增大值可適當增加Whenthebearinglayerissoftclay,theincreaseshouldbenolargerthan20%oftheopenendsteel;Ifitiscompactedsandsoil,theincreasecouldbeincreasedappropriateamount.

5海上風機基礎型式選擇及計算抗拔計算按承載力經(jīng)驗參數(shù)法，軸向抗拔承載力設計值應符合下式要求（分別為打入式和灌注樁、嵌巖樁）：試樁要求：靜載試驗：每個風場一般要求進行兩個樁的抗壓、抗拔、水平靜載試驗。高應變動力試驗法：對單樁軸向承載力進行檢測，每臺高樁承臺基礎不宜少于2根，其它型式基礎每臺不宜少于1根，單樁基礎抽檢比例不宜低于10%，且不少于2根。5海上風機基礎型式選擇及計算P-Y曲線-粘性土5海上風機基礎型式選擇及計算P-Y曲線-非粘性土5海上風機基礎型式選擇及計算軸向荷傳遞曲線5海上風機基礎型式選擇及計算樁端荷載位移曲線5海上風機基礎型式選擇及計算軟粘土的側向承載力5海上風機基礎型式選擇及計算軟粘土的側向承載力硬粘土（C>96kPa）在周期荷載作用下迅速退化，需降低極限抗力。它同樣具有非線性的p-y曲線關系，但具有更大脆性。在進行這類型土設計時，需經(jīng)相關實驗確定。5海上風機基礎型式選擇及計算砂土的側向承載力6海上風機基礎施工6.1施工設備的現(xiàn)狀596.2單樁基礎的施工方案及設備配備6.3高樁承臺基礎的施工方案及設備配備6.4三角架基礎的施工方案及設備配備6.5導管架基礎的施工方案及設備配備6.6低樁高臺柱基礎的施工方案及設備配備60國外海上風電發(fā)展較快，專業(yè)施工船舶已經(jīng)比較成熟。我國海上風電場發(fā)展較慢，海上風電場沉樁、混凝土澆筑、灌漿、風機安裝、運輸、拖航等施工設備主要主要來自原港口、碼頭等施工單位，主要包括中交一、三、四航局、打撈局等單位。隨著單樁基礎應用及大容量風電機組的投運，原有設備效率較低且適用性不夠，因此近10年來，生產了約9艘海上風電場專用施工及安裝船。分別是中交三航局的“風范號”和“風華號”、龍源振華的壹號和貳號、振華普豐的普豐托本號、華電重工的華電1001號，華爾辰工程公司的華爾辰號、南通海洋水建的海洋風電38、天津港航的港航平9號（最先進）。6.1施工設備的現(xiàn)狀61港航平9號是目前主流的風電安裝平臺，集風電安裝、海上打樁、起重打撈等多功能于一體的海上施工自升平臺，平臺總長118.8m，型寬42米，型深6.8米，樁腿長度73米，最大作業(yè)水深40米，最大起重量為1200噸，最大起升高度可達110米，是目前國內交付的起重量最大、功能最全面、技術最先進的海上風電施工平臺。6.1施工設備的現(xiàn)狀港航平9號62船長81.6m、寬40.8m、型深7.2m、樁腿長67m?？稍谒?0米以內的泥砂質海域作業(yè)。配備1000噸及360噸繞樁式全回轉起重機各1臺。抬升機構采用最先進的主輔油缸插銷式，為國內首創(chuàng)。集大型設備吊裝、風電基礎打樁、設備安裝、運輸于一體，裝載和起重能力強勁。6.1施工設備的現(xiàn)狀三航“風華號”63船長78m、寬42m、型深6m、樁腿長67m?？稍?5m內水深海域作業(yè)，雙鉤360°全回轉最大吊重800T，最大起重高度108m，最大風暴自存能力12級。配置有雙層單樁抱樁器、雙層多樁抱樁器。既可進行海上單管樁基礎施工及多管樁基礎施工也可進行海上大型風機吊裝施工。。6.1施工設備的現(xiàn)狀龍源振華貳號64船長100m、寬40m、型深8m、樁腿長78m。本船可同時用于漂浮模式和舉升模式下的起吊作業(yè)，工作水深可達45米，配備利勃海爾全回轉起重機最大吊重1000T，最大起重高度115m，最大風暴自存能力14級?！巴斜咎枴?TORBEN)是國內引進的先進的自帶動力定位系統(tǒng)DP3的自升式起重平臺。由于平臺具有良好的機動性，將大大縮短風電安裝的施工周期，提高施工效率，德國制造。6.1施工設備的現(xiàn)狀普豐托本號65船長140米，型長89.9米，型寬39米，型深6.6米，設計吃水3.3米、樁腿長60米，最大作業(yè)水深(加入泥深度)達35米、最大起重700T大型吊機及120T輔助吊機各一臺。6.1施工設備的現(xiàn)狀華電1001號66“華爾辰”號工程船是由靖江南洋船舶制造有限公司制造的，該船采用雙體船設計，是集風塔打樁、風電設備安裝于一體的海上風電設備工程安裝施工船舶，總造價達人民幣3億元左右。該船船長90米，船寬50米，型深6.8米。船體上配置83米高的主吊鉤平臺，主吊鉤平臺安裝一臺400噸能360度回轉的起重機，最大吊高為120多米，相當于40層樓高。6.1施工設備的現(xiàn)狀華爾辰號676.2單樁基礎的施工方案及設備配備gang鋼管樁制作686.2單樁基礎的施工方案及設備配備單樁施工695.2單樁基礎的施工方案及設備配備序號機械設備名稱型號規(guī)格單位數(shù)量備注1全回轉起重船800t級（起重能力）艘1配置S-1200（或MHU1200S）型液壓

打樁錘作為首選樁錘，

S-1800（或MHU1900S）型液壓打樁錘

作為備選樁錘2平底駁船3000t級艘2鋼管樁、連接段鋼管運輸3平底駁船2000t級艘1灌漿施工船4平底駁船2000t級艘2單樁基礎軟體排施工5拖輪2000HP及以上艘3拖運、移位船舶6交通艇

艘2接送人員7拋錨艇

艘2起重船拋錨8補給船

艘2淡水與生活物資補給單樁施工設備配置表706.3高樁承臺基礎的施工方案及設備配備鋼管樁制作716.3高樁承臺基礎的施工方案及設備配備高樁承臺施工工藝726.3高樁承臺基礎的施工方案及設備配備高樁承臺基礎施工設備配置表736.4三腳架基礎的施工方案及設備配備三角架基礎施工工藝746.4三腳架基礎的施工方案及設備配備三角架基礎施工設備配置表756.5導管架基礎的施工方案及設備配備鋼管樁制作766.5導管架基礎的施工方案及設備配備導管架基礎施工工藝776.5導管架基礎的施工方案及設備配備導管架基礎施工工藝786.5導管架基礎的施工方案及設備配備導管架基礎施工工藝796.5導管架基礎的施工方案及設備配備導管架基礎施工工藝806.5導管架基礎的施工方案及設備配備導管架基礎施工設備配置表816.5低樁高臺柱基礎的施工方案及設備配備PHC施工工藝826.5低樁高臺柱基礎的施工方案及設備配備混凝土施工工藝836.5低樁高臺柱基礎的施工方案及設備配備基礎施工設備配置表序號設備名稱型號及規(guī)格單位數(shù)量備注1布料機TB110G臺1

2平板汽車10t輛2

3平板汽車40t輛2

4長臂反鏟EX210LC臺2

5混凝土攪拌運輸車6m3輛6

6履帶吊50t臺2

7滾筒式打樁機

臺2

8汽車吊30t輛2

9汽車吊20t輛1

10壓路機15t臺1

11推土機TY220臺1

12蛙式打夯機

輛4

13鋼筋調直機

臺2

14鋼筋切斷機

臺2

15鋼筋彎曲機

臺2

16各種電焊機

臺6

17CO2自動保護焊機

臺4

18柴油發(fā)電機75KW臺1移動式19潛水泵7.5KW臺164個風機基礎20箱式移動冷水機EPC50型臺4

7海上風機安裝7.1施工設備的現(xiàn)狀，同風機基礎自升式安裝船847.2主要風機安裝方法及特點7.3整體式風電機組安裝7.4分體式風電機組安裝857.2主要風機安裝方法及特點安裝設備組成優(yōu)缺點浮塢方案浮塢只能作為施工平臺，需在平臺上置750t履帶吊和150t