海上风电场基础形式及配套施工技术
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［ 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@第 12 卷第 11 期
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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． 6 m， ， 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 30 m， 缺点是现场作业时间 较长， 工作量大。如图 3 所示。
针
。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 100 MW 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。
3
3． 1
基础施工
图9 沉井基础
潮间带水域( 高潮位水深不小于 2 m) 潮间带位于高低潮水位线之间， 海滩较平， 区域
Fig． 9
Open caisson foundation
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
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
1
前言
利用清洁的风能资源是全球能源开发的战略方
［1 ］
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 3 ～ 7 m 的 钢 管， 板厚 30 ～ 60 mm， 打入深度在 15 ～ 50 m， 单 桩 承 载 力 达 500 ～ 2 600 t， 适 应 于 覆盖层 地质 及 水 深 在 30 m 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 ～ 6 m， 壁 厚 50 ～ 100 cm， 钻孔深度 20 ～ 50 m， 单 桩 承 载 力 达 1 500 ～ 3 000 t， 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
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 70 m × 50 m × 3 m， 上 平 台 尺寸 为 70 m × 70 m， 全高 11 m， 空 载 吃 水 为 0． 8 m， 满载吃水为 1． 0 m， 载重能力 1 000 t。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4 Fig． 4
重力式基础
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 如图 5 所示， 其优点: 对打桩设备要求较低， 导管 高， 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 36 中国工程科学
2010 年第 12 卷第 11 期
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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 6 ～ 7 m 直 径， 桩 长 达 到 80 m 左右， 入土 深 度 超 过 40 m， 对于这种大桩径的单 桩 则 一 般 需 要 用 S750 ～ S1800 ( 锤击能量为 750 ～ 1 800 kN·m) 液 压 锤。 现 以 5 MW 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。
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。
图2 Fig． 2
钢筋混凝土管桩基础 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5 Fig． 5
导管架基础 Jacket base 图7 Fig． 7 吸力式基础原理图式
Schematic of suction base principle
图6 Fig． 6
吸力式桶形基础 Suction barrel base Fig． 8
图8
设置沉箱基础
Set of caisson foundation
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。
图3 Fig． 3
群桩基础
Group pile foundation
于硬质地层， 水深不大于 10 m， 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，
图1 Fig． 1 钢管桩基础 Steel tube pile foundation
适用于水深较 浅、 地质 条件 好 的 区 域， 运输安装 困 难。
Drawing of the single － ship operation
( 桩径 6 m) ( 桩径 2． 4 m) ( 桩径 2． 2 m) ( 桩径 2 m) 30 40 S750 108 67． 5 / － 35． 8 20 60 S400 118 190． 2 / － 49． 8 30 50 S400 74 201． 7 / － 63． 7 20 60 S400 103 201． 3 / － 53． 9
图 10 Fig． 10 单船体作业图 表1 Table 1 钢管桩打桩参数对比表 Parameters comparison table of the steel pipe pile
设计条件 水深 / m 入土深度 / m 桩锤类型 用 时 / min 钢管应力 / MPa 单桩基础 三桩基础 四桩导管架 高桩承台
图 11 Fig． 11
双船体作业图
Drawing of the double － ship operation
［ 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@第 12 卷第 11 期
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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． 6 m， ， 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 30 m， 缺点是现场作业时间 较长， 工作量大。如图 3 所示。
针
。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 100 MW 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。
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3． 1
基础施工
图9 沉井基础
潮间带水域( 高潮位水深不小于 2 m) 潮间带位于高低潮水位线之间， 海滩较平， 区域
Fig． 9
Open caisson foundation
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
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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前言
利用清洁的风能资源是全球能源开发的战略方
［1 ］
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 3 ～ 7 m 的 钢 管， 板厚 30 ～ 60 mm， 打入深度在 15 ～ 50 m， 单 桩 承 载 力 达 500 ～ 2 600 t， 适 应 于 覆盖层 地质 及 水 深 在 30 m 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 ～ 6 m， 壁 厚 50 ～ 100 cm， 钻孔深度 20 ～ 50 m， 单 桩 承 载 力 达 1 500 ～ 3 000 t， 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
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 70 m × 50 m × 3 m， 上 平 台 尺寸 为 70 m × 70 m， 全高 11 m， 空 载 吃 水 为 0． 8 m， 满载吃水为 1． 0 m， 载重能力 1 000 t。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4 Fig． 4
重力式基础
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 如图 5 所示， 其优点: 对打桩设备要求较低， 导管 高， 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 36 中国工程科学
2010 年第 12 卷第 11 期
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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 6 ～ 7 m 直 径， 桩 长 达 到 80 m 左右， 入土 深 度 超 过 40 m， 对于这种大桩径的单 桩 则 一 般 需 要 用 S750 ～ S1800 ( 锤击能量为 750 ～ 1 800 kN·m) 液 压 锤。 现 以 5 MW 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。
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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。
图2 Fig． 2
钢筋混凝土管桩基础 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5 Fig． 5
导管架基础 Jacket base 图7 Fig． 7 吸力式基础原理图式
Schematic of suction base principle
图6 Fig． 6
吸力式桶形基础 Suction barrel base Fig． 8
图8
设置沉箱基础
Set of caisson foundation
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。
图3 Fig． 3
群桩基础
Group pile foundation
于硬质地层， 水深不大于 10 m， 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，
图1 Fig． 1 钢管桩基础 Steel tube pile foundation
适用于水深较 浅、 地质 条件 好 的 区 域， 运输安装 困 难。
Drawing of the single － ship operation
( 桩径 6 m) ( 桩径 2． 4 m) ( 桩径 2． 2 m) ( 桩径 2 m) 30 40 S750 108 67． 5 / － 35． 8 20 60 S400 118 190． 2 / － 49． 8 30 50 S400 74 201． 7 / － 63． 7 20 60 S400 103 201． 3 / － 53． 9
图 10 Fig． 10 单船体作业图 表1 Table 1 钢管桩打桩参数对比表 Parameters comparison table of the steel pipe pile
设计条件 水深 / m 入土深度 / m 桩锤类型 用 时 / min 钢管应力 / MPa 单桩基础 三桩基础 四桩导管架 高桩承台
图 11 Fig． 11
双船体作业图
Drawing of the double － ship operation
