海上风电场风机基础介绍技术服务中心业务筹备部前言近年来，国家对清洁能源特别是风电的发展在政策上给予了很大支持，使得中国风电得到蓬勃发展。
风力发电作为新能源领域中技术最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式，获得了迅猛发展。
随着风电机组从陆地延伸到海上，海上风电正成为新能源领域发展的重点。
本文结合国内外海上风电场具体的风机基础，对现有的海上机组的基础类型逐一介绍，目的是对海上风机基础形成一个初步的了解，为公司日后的海上服务业务做铺垫。
为人类奉献白云蓝天，给未来留下更多资源。
2目录1 风机基础类型--------------------------------------- 4 1.1 重力式基础----------------------------------------- 4 1.2 单桩基础------------------------------------------- 6 1.3 三脚架式基础--------------------------------------- 8 1.4 导管架式基础-------------------------------------- 10 1.5 多桩式基础---------------------------------------- 111.6 其他概念型基础------------------------------------ 122 海上风力发电机组基础维护 -------------------------- 14为人类奉献白云蓝天，给未来留下更多资源。
3为人类奉献白云蓝天，给未来留下更多资源。
4 1 风机基础类型1.1 重力式基础重力式基础,顾名思义是是靠重力来追求风机平衡稳定的基础,重力式基础主要依靠自身质量使风机矗立在海面上,其结构简单，造价低且不受海床影响，稳定性好。
缺点是需要进行海底准备，受环境冲刷影响大，且仅适用于浅水区域。
优点是不需要打桩，直接减少了施工噪声。
如图1-1所示。
图1-1 重力式基础示意图世界上早期的海上风电场都是采用的重力式，钢筋混凝土结构，其结构原理较简单，适合水比较浅的区域，适用水域0-10m ，重力式基础造价成本相对比较低，其成本随着水深的增加而增加，不需要打桩作业。
重力式基础的制造过程是在陆地上，通过船舶运输到指定地点，基础放置之前要对放置水域地面进行平整处理，凿开海床表层。
基础放置完成之后用混凝土将其周边固定。
Thornton Bank 海上风电场是比利时第一个海上风电场，也是世界上第一个使用重力底座的商业海上风电场。
该风电场位于比利时海岸线以北27-30公里处，水深12-27.5米。
该风电场使用重力底座，钢筋水泥结构，中空，建造和运输重为人类奉献白云蓝天，给未来留下更多资源。
5 量在1200吨左右；安装后使用细沙或碎石填满，总重量超过6000吨。
为了安装这种风电机底座，施工单位动用了总数超过100次各种船只和海上平台，其中包括当时（2007年）世界上做大的起重船Rambiz(最大起重重量3300吨)。
图1-2就是在陆地上建设中的底座。
图1-2 Thornton Bank 海上风电场使用的底座Thornton Bank 海上风电场施工过程：1) 用挖掘船将安装风电机处的海底挖开大概4.5米深的坑，面积大约为50x70米；2) 使用碎石将挖出的坑找平，平面误差不能超过5厘米（目的是使坑底部平整度达成一致）；3) 用运输船将造好的底座运到安装点，并下沉；4) 使用吸泵往底座中抽海砂，待水沙分离后将水抽出；5) 使用细沙或者碎石将挖出的坑填满并夯实。
重力式基础缺点：水下工作量大，结构整体性和抗震性差，需要各种填料，且需求量很大；为人类奉献白云蓝天，给未来留下更多资源。
6 ● 重力性基础随着时间的长远，必然存在一个下沉的问题，这与其本身结构、风电场地质结构、施工方式有关；● 船舶运输、基础在海中施工成本大，费时费力，且需要运输基础底座沉箱的船舶要求很高；目前国内海上风电场没有使用重力式基础的案例，国外也基本不采用了此种基础建设方式。
1.2 单桩基础即“单根钢管桩基础(monopile )”，其结构特点是自重轻、构造简单、受力明确。
单桩基础由一个直径在3～4.5m 之间的钢桩构成。
钢桩安装在海床下18～25m 的地方，其深度由海床地面的类型决定。
单桩基础有力地将风塔伸到水下及海床内。
这种基础的一大优点是不需整理海床。
但是，它需要防止海流对海床的冲刷，而且不适用于海床内有巨石的位置。
该技术应用范围水深小于25m 。
大直径钢管桩方案结构受波浪影响相对较小。
目前此种基础结构在国内外风电场应用很广泛，金风科技2.5MW 机组潮间带响水项目风电场即使用此基础结构。
图1-3 单桩基础示意图单桩达指定地点后，将打桩锤安装在管状桩上打桩直到桩基进入要求的海床深度；另一种则是使用钻孔机在海床钻孔，装入桩后再用水泥浇注。
单基桩适用的海域通常比重力基础要深，可以达到20m以上。
由于桩和塔架都是管状的，因此在现场它们之间的连接相比于其它基础更为便捷。
在使用合适设备的情况下，单基桩的打桩过程比较简单。
对于水深较浅且基岩离海床表面很近的位置单基桩是最好的选择，因为相对较短的岩石槽就可以抵住整个结构的倾覆力。
而对于基岩层距离海床很远的情况，就需要将桩打得很深。
另外对于坚硬岩石尤其是花岗岩海床来说，打桩过程需要增加成本甚至难以成行。
图1-4为国内某海上风电场单桩基础示意图。
图1-4 单桩基础结构示意图金风科技首批批量化潮间带海上项目风机基础也是使用此类型的基础,单桩基础结构较简单,施工也简单。
目前地质单位已经完成地质勘探工作，打桩施工单位进入规划风电场后即可进行打桩工作。
后续，业务筹备部将进行跟踪了解工作。
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8 单桩基础结构适用范围广泛，现目前为市场主流基础结构。
基础生产工艺简单，施工成本低，施工过程简单易控制，施工单位经验丰富等优点，但是这不意味着单桩基础是海上风机基础的成熟产品，在国外海上风电场已经出现了单桩倾斜的案例。
倾斜角度的产生是受潮汐、浪涌冲击的必然结果。
如何解决此问题，是风电场后期维护、运营的难题之一。
1.3 三脚架式基础图1-5 三角架式基础示意图又称“三脚架式基础（Tripod ）”，还有称“三桩基础”。
基础自重较轻，整个结构稳定性较好。
在海上风机基础应用之前，海上石油行业大量采用石油导管架基础，有一定的使用经验。
适用水深15-30米，基础的水平度控制需配有浮坞等海上固定平台完成。
国内在海上石油导管架基础的施工中有一定的施工经验以及相应的施工设备。
三脚架式基础原理：用三根中等直径的钢管桩定位于海底，埋置于海床下10-20m 的地方,三根桩成等边三角形均匀布设，桩顶通过钢套管支撑上部三脚行架结构，构成组合式基础。
三脚行架为预制构件，承受上部塔架荷载，并将应力与力矩传递于三根钢桩。
三脚架式基础是由石油工业中轻型、经济的三支腿导管架发展而来的，由圆柱钢管构成。
三脚架的中心钢管提供风机塔架的基本支撑，类似单桩结构，三角为人类奉献白云蓝天，给未来留下更多资源。
9 架可采用垂直或倾斜套管，支撑在钢桩上。
这种基础设计由单塔架机构简化演变而来，同时增强了周围结构的刚度和强度。
钢桩嵌入深度与海床地质条件有关。
由于需要打桩的缘故，三脚架结构通常不适于在海床存在大面积岩石的情况。
在施工之前海床整理简单，同时这种结构基础的防腐也不是问题。
金风科技潮间带2.5MW 试验机组如东项目即采用的此种基础方式。
如图1-6所示。
图1-6 如东项目机组基础德国首个海上风能发电站阿尔法文图斯首批海上机组其中6台（Multibrid 公司）也是采用三脚架式基础。
如图1-7所示。
图1-7 阿尔法文图斯Multibrid 机组基础为人类奉献白云蓝天，给未来留下更多资源。
10 1.4 导管架式基础导管架式基础(Jacket )是深海海域的风电场未来发展的趋势之一。
德国的阿尔法文图斯海上风电场6台Repower 机组全部都是采用的是导管架式基础，具有示范效应。
导管架式基础也是三角架式基础，“网格的三角架式基础”。
导管架的负荷由打入地基的桩承担。
如图1-8所示,阿尔法文图斯Repower 机组基础。
图1-8 阿尔法文图斯风电场Repower 机组导管架式基础为人类奉献白云蓝天，给未来留下更多资源。
11 导管架式基础强度高，安装噪音较小，重量轻，适用于大型风机，深海领域，但是造价昂贵，需要大量的钢材，受海浪影响，容易失效，安装的时候受天气影响较严重。
该基础适用于5-50米范围内的水域,可避免海上浇筑混凝土,具有海上施工量小,安装速度快,造价低,质量易保证的特点。
1.5 多桩式基础又称“群桩式高桩承台基础”，应用于风电基础之前，是海岸码头和桥墩基础的常见结构，由基桩和上部承台组成。
斜桩基桩呈圆周形布置，对结构受力和抵抗水平位移较为有利，但桩基相对较长，总体结构偏于厚重。
适用水深5－20米。
因波浪对承台产生较大的顶推力作用，需对基桩与承台的连接采取加固措施。
桩基直径小，对钢管桩的制作、运输、吊运要求较低。
上海东大桥风电场项目使用的基础即为多桩式基础。
采用八根中等直径的钢管桩作为基桩，八根基桩在承台底面沿一定半径的圆周均匀布设。
如图1-9所示。
图1-9 上海东大桥风电场基础分解示意图东大桥风电场风机基础结构如上多桩式基础结构类型，由基桩（左上）和承台（右上）组成。
基桩采用钢管桩，即采用8根直径1.2米（壁厚2cm ）的钢管桩做基桩,桩长44米。
8根基桩在承台底面均匀布设，承台底面高程为0.5米，采用钢筋混凝土结构。
沉桩结束后，基础海底表面抛铺厚度2米左右的高强土工网装碎石，以防水流冲刷。
见图1-10所示。
图1-10 上海东大桥风电场多桩基础示意图1.6 其他概念型基础1)吸力式基础即“the suction foundation”,该基础分为单柱及多柱吸力式沉箱基础等。
吸力式基础通过施工手段将钢裙沉箱中的水抽出形成吸力。
相比前面介绍的单桩基础，该基础因利用负压方法进行，可大大节省钢材用量和海上施工时间，具有较良好的应用前景，但目前仅丹麦有成功的安装经验，其可行性尚处于研究阶段。
吸力式基础其优点是其安装尤其是拆卸具有明显的便利性，在拆卸时只需平衡沉箱内的外压力即可将沉箱轻松吊起。
对于吸力式基础来说，要达到“下得去、站得稳、起得来”，即能够平稳地、保持一定垂直度地沉下去；沉下去之后，能够在工作期间不失平稳而导致整个平台倾覆、滑移或拔除等破坏。
2)飘浮式基础漂浮式基础是未来深海海域风电场的趋势之一，目前在挪威西南部海岸10公里处有一台实验式机组（Hywind）飘浮基础投入运行。
