海上风电开发基础选型深度研究

近几年，全球海上风电的规模化开发速度明显加快。欧洲风能协会（WindEurope）公布的数据显示，2019年，欧洲海上风电新增装机容量达到创纪录的362.3万千瓦，较2018年增长19.6%，累计装机容量为2207.2万千瓦。欧洲之外，中国迅速成为新的增长引擎。根据国家能源局统计，2019年，我国新增海上风电装机198万千瓦，累计装机容量达到593 万千瓦。

当下，我国海上风电依然处于规模化开发的初期，不仅面临着产业链尚未完全成熟导致的种种风险，也承受着补贴退坡带来的降本压力。在这种情况下，为了保障项目安全、高效地开发与运营，业界必须将各个环节的工作做得更加精细。这其中就包括风电机组基础结构的选型。

基础为风电机组提供至少25年的关键支撑，在遭受风载荷、风电机组运行载荷以及波浪、海流等载荷作用的同时，还经受着海上恶劣环境的严酷考验。同时，在海上风电场的总投资中，基础成本占20%-30%，远高于陆上风电场的同类比重。因此，在深入分析不同海上风电机组基础结构特点，风电场所处海域的地质、风能资源、海洋水文等环境条件的前提下，合理的基础选型，是推动海上风电成本下降、保障风电机组长期安全运行的主要途径之一。

本期“封面故事”聚焦于目前几类主流的海上风电机组基础型式，图文并茂地全面展示各类技术的发展历程、应用现状、技术特点、施工工艺要求、适用条件等，希望能够为业界在开展海上风电机组基础结构选型时提供参考。

目录

Part 1单桩基础

Part 2多桩承台基础

Part 3重力式基础

Part 4多脚架式基础

Part 5导管架基础

Part 6吸力筒基础

Part 7漂浮式基础

Part 8海上风电基础特点及中国海域的适用性分析

Part 9鉴衡认证以匠心精神打磨海上风电基础分析能力

单桩基础

单桩基础型式：由钢板卷制而成的焊接钢管组成，塔架直接由基础桩腿支撑或者通过过渡段将两者连接。桩腿插到海床以下，插入的深度取决于实际的环境载荷以及海底的地质条件。

发展历史：单桩基础在海上油气行业中有着数十年的应用历史，是最早被引入海上风电领域的基础型式之一，于1994年建成投产的荷兰Lely海上风电场即采用此类基础型式。

适用条件：水深0-30m的海域。

应用现状：单桩基础是目前海上风电工程中应用最广泛的一种基础型式。在欧洲海域，截至2019年共安装了4258个海上风电单桩基础，所占份额高达81%。

分类：有过渡段单桩、无过渡段单桩。

安装工艺：单桩基础安装的关键在于如何保证沉桩精度。目前典型的安装方式有两类：一类（图1）是，自航式自升安装船在GPS定位设备的指导下精确就位，调整抱桩器；启动自升船吊机吊起钢桩，经过翻桩、立桩、扶正调平后用液压桩锤打桩，沉桩，直至结束。另一类（图2）是，借助起重船和GPS定位安装临时定位平台，起重船吊机吊起钢桩，经过测量定位、插桩调直、沉桩，直至结束。

优势：技术成熟，结构简单，施工简便、快捷，适应性强，经济性好。

劣势：结构刚度小，固有频率低，在水平外力作用下易产生侧向变形；结构安全受海床冲刷影响较大；当沉桩深度范围内存在较为坚硬岩土时，通常需用钻孔工艺将桩基安装至设计标高，但成本较高。

难点：安装基础后，通常需要进行海床冲刷保护，传统的防冲刷方法有砂被、抛石、仿生草、固化土等，但是目前效果仍不太明显。

代表工程：英国的London Array海上风电场（63万千瓦），丹麦的Horns Rev海上风电场（16万千瓦），德国的EnBW Hohe See 海上风电场（49.7万千瓦），中国的三峡新能源江苏大丰海上风电项目（30万千瓦）、粤电湛江外罗海上风电项目（20万千瓦）等。

多桩承台基础

多桩承台基础型式：又称群桩式高桩承台基础，主要由钢筋混凝土承台和一组钢管桩构成。根据地质条件和风电机组荷载量级，可采用不同数量的钢管桩，钢管桩可设计为斜桩或直桩，混凝土承台内预埋与塔架的连接段上部，经法兰与风电机组塔架相连。

发展历史：该基础为中国首创，在应用于风电机组基础之前，是海岸码头和桥墩基础的常见结构，由港口工程基础结构发展而来。

适用条件：主要适用于水深为0-30m的近岸海域。多桩承台基础的桩基一般倾斜布置，一是提升了基础刚度，二是结合群桩可以降低桩身受力，所以，该基础在软土地基海域十分适用。

技术特点：设计中需分析多项复杂荷载作用下基础的受力、变形和承载能力。基础设计时应考虑钢管桩对称布置，桩身倾斜度取值应充分考虑船舶打桩可行性和桩身轴向受力，承台设置高程和厚度应充分考虑波浪力的作用大小和靠泊登台的便利性。用于该基础结构施工船机的设备较多，市场的选择性较大。施工及安装工艺：设计应充分考虑钢管桩沉桩精度，相邻钢管桩顶间距应充分考虑打桩锤的施工可行性。施工中尽量减少调船和变动打桩架斜度。同一基础的钢管桩，宜打至同一土层，且桩端标高不宜相差太大。当桩端进入不同土层时，各桩沉桩贯入度不宜相差过大。

优势：由于借鉴港口工程结构，施工技术较为成熟，基础防撞性能好，软土地基适应性好。

劣势：传统海上风电机组多桩承台基础普遍使用钢筋混凝土结构，海上施工时间长，程序复杂，对海上施工窗口期要求苛刻，限制了该类风电机组基础的进一步应用。对于深水场址，钢管桩耗钢量显著增加，建设成本明显提高，所以，水深超过30m的海域不建议采用该基础型式。

难点：桩基协同受力优化分析是多桩承台基础设计的关键。基础受到的荷载主要包括风电机组荷载和承台受到的波浪荷载，外部荷载传递到基础桩上主要表现为桩身轴向作用力，如何优化协同受力作用下的桩基工程量至关重要。

代表工程：上海东海大桥100MW海上风电示范项目是全国首个使用多桩高承台基础的海上风电场，基础设置8根直径1.70m的钢管桩。国电电力浙江舟山海上风电公司普陀6号海上风电场是国内首个使用多桩加高承台基础的近海风电场。

重力式基础

重力式基础型式：是海上风电机组基础结构的主要型式之一，和陆上风电机组常见的重力式扩展基础工作原理相似，主要依靠基础结构及内部压载重量抵抗上部机组和外部环境产生的倾覆力矩和滑动力，使基础和塔架结构保持稳定。

适用条件：适用于水深为0-30m的海域。适合海底地面平整，海床地质承载能力较高的地质，或是岩基海床，且嵌岩桩基工效低的地区，宜采用重力式基础结构，成本上具有明显优势。不适合软地基及冲刷海床。应用现状：截至2019年，欧洲海域共安装了301个重力式基础结构，所占份额约为5.7%（图1）。

分类：一般分为重力式扩展基础、重力式沉箱基础、重力式预应力壳体基础、钢管桩―混凝土沉箱组合基础等型式。

施工及安装工艺：混凝土结构的重力式基础体积庞大，混凝土用量多。处于海洋腐蚀环境中的重力式基础，为确保其力学性能指标和耐久性，对表面混凝土裂缝宽度有严格的要求，一般使用预应力混凝土后张法施工工艺。基建主要在干船坞内、平板驳船上或陆上码头进行。在场内运输阶段，可采用“蜈蚣车”移运、轨道台车或高压气囊滑移等方式。在下水阶段，对于重量和体积相对较小的基础，可以通过起重船直接吊装上驳船进行运输；对于体积较大的基础，可采用船舶运输及海上浮运的方式。运输时需综合考虑天气和海况，严格计算窗口期以及船舶横稳性（船舶绕纵向轴横倾时的稳定性）。由于重力式基础直接将其巨大的重量和所受载荷传给地表，所以，需对海床进行处理，包括对基床进行整平，满足重力式基础对基床平整度的要求；扩散基础对地基的应力，起到减小地基应力和不均匀沉降的作用。针对浅覆盖层大直径单桩嵌岩施工困难的问题，若对海床浅层土体进行地基加固处理，可大幅提高浅层土体的地基承载力。安装时，利用定位系统将基础精准定位在目标海床点上 ;运用大型浮吊和半潜驳船进行基础的吊升和安放；就位后进行压载物填充，将预先准备的碎石填入空腔。

优势：重力式基础通过自身的重量使得风电机组矗立于海面上。相比其他基础型式，重力式基础结构简单，具有良好的稳定性。此外，该基础型式采用陆上预制方式建造，不需要海上打桩作业，现场安装工作量小，节省施工时间和费用。

劣势：重力式基础的结构分析和建造工艺比较复杂，对海床地质条件要求较高，还需要有较深、隐蔽条件较好的预制码头和水域条件。采用大型起重船等安装设备，安装相对复杂。

代表工程：首个采用重力式基础的海上风电项目为1991年丹麦的第一个海上风电场——Vindeby风电场；2008年，比利时的Thronton Bank海上风电场一期工程应用该基础型式，项目海域水深20-28m；2017年，英国Blyth 海上风电场采用“钢管桩―混凝土沉箱”组合重力式基础方案。

多脚架式基础

多脚架式基础型式：根据桩数不同可分为三脚和多脚架式基础。以三脚架式为例，采用标准的三腿支撑结构，由主筒体、3根桩套管和斜杆结构组成，并将3根直径中等的钢管桩以等边三角形均匀地定位在海底，利用钢套管对上部三脚的桁架结构进行支撑，进而形成较为稳定的组合式基础。

适用条件：一般多脚架式基础适用于水深为0-30m的海域。安装时需要采用嵌岩平台。

应用现状：主要应用在欧洲海域。截至2019年，该地区共安装了126个海上风电机组三脚架式基础，所占份额约为2.4%。我国龙源电力集团在江苏如东潮间带试验风电场也使用类似的基础结构。

技术特点：主筒体即三脚架的中心钢管提供风电机组塔架的基本支撑，类似单柱结构，3根等直径的钢管桩一般呈等边三角形均匀布设，三脚架常采用垂直的桩套管与钢管桩连接。撑杆结构承受上部塔架荷载，并将荷载传递给3根钢管桩，预制的三角桁架设置数根水平和斜向撑杆，其分别连接3根桩套管以及主筒体。三角架支撑结构布置的宽度和桩腿插入海底的深度由实际的环境载荷以及海底地质条件来确定。

施工及安装工艺：多脚架在陆上车间预加工，通过船舶直接运到风电场指定位置进行下放安装，再将钢管桩依次插入桩套管内，并用打桩锤将钢管桩沉桩到指定标高。施工过程中可一次性将钢管桩全部插入各个桩套管内，目的是解决多脚架式基础的调平问题。由于海上建设环境条件较差，施工时尽量选择平潮或接近平潮时间段。多脚架式基础的桩套管与钢管桩之间可采用灌注高强化学浆液、充填环氧胶泥，或是焊接等措施进行连接。

优势：该基础结构对船机设备要求不高，成本介于单桩基础和导管架基础之间。结构刚度相对较大，整体稳定性好，不需要海床准备和冲刷防护。

劣势：该基础型式若用于浅水地区，容易与船只发生碰撞。另外，需要进行海上连接等操作，增加了施工难度。

代表工程：德国Alpha Ventus海上风电场中首批机组中的6台应用该基础型式。

导管架基础

导管架基础型式：基础通常有3或4个桩腿，桩腿之间用撑杆相互连接，形成一个有足够强度和稳定性的空间桁架结构。根据钢管桩和导管架结构施工的先后顺序，分为先桩导管架和后桩导管架两种。

发展历史：导管架基础最早出现于欧洲。

适用条件：适用于水深为20-50m的海域。

应用现状：根据欧洲风能协会的统计，截至2019年年底，欧洲安装了468 个导管架结构基础，占全部基础数量的8.9%。

技术特点：导管架结构基础是通过钢管桩将导管架结构固定于海底，导管架具有刚性高的特点，从而提高了平台抵抗自然荷载的能力，导管架与钢管桩的连接通过灌浆来实现。

施工及安装工艺：导管架结构基础是一个钢质锥台形空间框架，以钢管为骨棱，在陆上先焊接好，运输到安装点就位。若基础为先桩导管架，则需将钢管桩先沉桩到位，再利用导管架下部的插尖将结构安装到钢管桩上，最后通过灌浆连接。若基础为后桩导管架，则先将导管架安装到指定位置，并将钢管桩从导管架下部的套管打入，最后通过灌浆连接。

优势：导管架结构主要采用小杆件，可降低波浪和水流的荷载作用。由于基础的结构刚度较高，对地质的要求相对较低。另外，虽然船机配备要求较高，但是该基础施工工艺成熟，海上作业工序少，施工关键点不多，综合风险低。

劣势：结构受力相对复杂，导管架节点数量多，疲劳损伤较大，且都要求专门加工，建造及维护成本较高，在一定程度上增加了海上风电的投资成本。

难点：管节点是导管架的薄弱点之一，由于导管架大部分浸于海水中，受海洋环境载荷的作用，很容易产生腐蚀疲劳破坏，所以，节点焊接后需进行探伤检测，如发现夹渣或焊不透，必须刨掉重焊。此外，由于水下灌浆质量较难检测和监测，所以，导管架和钢管桩之间的灌浆连接也是结构的薄弱点之一。

代表工程：英国Beatrice海上风电场、德国Alpha Ventus海上风电场的部分海上风电机组；中国的三峡新能源阳西沙扒海上风电场、广东珠海桂山海上风电场也采用导管架基础。

未来预测：据美国能源调查公司RystadEnergy预测，2020-2025年，欧洲将安装479个导管架结构基础；在全球范围内，这个数字将是1083个。

吸力筒基础

吸力筒基础型式：也称负压筒基础，可为单筒和多筒结构型式。由筒体和外伸段两部分组成，筒体为底部开口、顶部密封的筒型，外伸段可采用钢筋混凝土预应力结构或钢结构。

发展历史：近海吸力锚的概念是20世纪60年代提出的，80年代初才开始在工程中实现，并得到迅速发展。由此自然引伸、提出了吸力式基础平台，即筒型基础平台，并于20世纪90年代在挪威海上油田得到首次工程应用。借鉴海洋工程经验，2014年，世界首个吸力筒结构基础样机应用于BKR01海上风电场，基础高57m，重约850吨，安装4MW风电机组。

适用条件：适用于水深30-60m的海域，软粘土和松散砂土地质。

应用现状：吸力筒基础在海洋工程领域已有近40年的使用历史。自20世纪90年代陆续在国内应用。2010年6月29日，国内道达海上风电研究院采用复合筒型基础作为海上测风塔的基础，成功进行了整体海上安装作业。

技术特点：筒型基础的基本特点之一是它既不像桩式基础需要深土的承载能力，也不像重力式基础那样对表层土的承载能力提出很高的要求。筒型基础的设计和安装是在常见的土质条件下主要依靠对土和筒型基础之间相互作用机理的掌握。

施工及安装工艺：陆地预制，抽气下沉，注水移除。可事先在陆上预制好基础，再拖到安装海域。由于吸力式基础负压下沉深度相对较浅，重点勘察海床浅部地质。当基础寿命超过设计使用寿命时，该基础方便拆除，若通过评估则可进行二次利用。

优势：该基础不需要进行打桩，施工速度快，可有效利用海上作业窗口期，尽可能安装更多的基础。针对深远海域的风电场开发，其在未来还有降低成本的潜力。该基础安装时噪音小，拆除简便。

劣势：对筒体下沉控制要求较高。在负压作用下，筒内外将产生水压差，引进土体渗流，虽然渗流能大大降低下阻力，但是过大的渗流将导致筒内土体产生大变形，形成土塞，甚至有可能使筒内土体液化而发生流动等，从而发生结构倾斜。

难点：综合来看，筒型基础作为海上风电机组基础应用前景很大，但是设计体系还需进一步完善，施工风险还需要进一步把控。

代表工程：丹麦的Frederikshavn海上风电场，中国三峡江苏响水海上风电场。

漂浮式基础

漂浮式基础型式：是漂浮在海面上的平台，利用系泊或锚针在海底进行位置的固定，通过三力的平衡来维持海上风电机组基础结构的稳定性。其中，三力是指自身重力、系缆回复力、结构浮力，并且还能够精准控制海流影响产生的摇晃角度。

发展历史：自20世纪70年代，美国马萨诸塞大学的Heronemus教授提出了世界上第一个漂浮式风电机组的概念以来，漂浮式风电机组经历40多年的发展，从概念研发到样机实验，现在已经走向了实际应用。荷兰的Blue H Technologies公司在2008年夏，用离岸油井的技术开发出世界第一台漂浮式风电机组，安装在意大利南部Puglia外海的风电场。世界上第二台单桩漂浮式基础海上风电机组在2009年挪威Karmoy海域安装完成，命名为Hywind。

应用现状：目前，全球已有9个漂浮式风电机组样机或商业化风电场运行。6个位于欧洲：挪威、葡萄牙、瑞典、英国、西班牙、法国各1个；3个位于日本。由PPI公司开发的Windfloat半潜式漂浮基础，由Ideol公司开发的阻尼池驳船式漂浮基础，也是即将应用于小规模商业化的项目。

适用条件：适用于水深大于50m的水域。漂浮式风电机组开发成本较固定式昂贵，但受海洋地形的限制，在欧洲、日本、韩国、中国台湾、美国夏威夷等处由于近岸无浅水区，海上风电不得不采用漂浮式风电机组，中国沿海某些海域由于地质不适宜打桩施工，亦不得不考虑使用漂浮式风电机组。因此，开发适用于更深海域的漂浮式海上风电技术是未来的必然趋势。

优势：漂浮式基础结构机动性好、易拆卸，服役期满可进行回收再利用。

难点：漂浮式基础的主要挑战在于如何维持基础稳定性、限制基础位移、高效的锚链系统，以及降低设计、安装、维护成本。此外，相较于固定式基础，漂浮式基础的设计难度甚大而尚未成熟，仍处在快速发展变化的阶段。分类:漂浮式海上风电基础主要有四类，张力腿式（TLP）、立柱式（Spar）、驳船式 (Barge)、半潜式（Semi）。其中，根据锚链的受力状态，又可将张力腿归为张紧式基础，后三种归为悬链式基础。其中立柱式、半潜式漂浮式基础技术最为成熟，应用最为广泛。

张力腿式(TLP)基础

张力腿式基础是一种垂直系泊的顺应式漂浮式基础结构。通常张力腿式基础由悬浮的矩形水平浮筒和圆柱体结构组成，通过刚度较大的张力腿直接连接至海底锚固结构。由于预张紧的锚泊系统作用，使得张力腿式基础的运动近乎刚性运动，保证了非常好的稳定性。

从理论上说，张力腿式基础所承受锚泊系统的预张紧力越大，越能够实现平台的平稳。但在设计基础时，要综合考虑各种规范和工程需求，来实现对预张紧力的确定。同时，由于高频振动对漂浮式风电机组的性能影响比较大，在基础设计时，要避开环境中与漂浮式基础重合的固有周期。

适用条件：张力腿式基础设计及施工工艺成熟，适用于对风电机组运动性能要求较低的工程。

优点：风电机组适应性好、结构自重轻。

缺点：筋腱承受载荷较大，张力系泊系统安装工艺复杂、费用高。

代表工程：PelaStar（由Glosten公司开发）、Blue H TLP（由Blue H Group 公司开发）、Eco TLP（由DBD Systems 公司开发）、GICON- SOF（由GICON 公司开发）等。

立柱式(Spar)基础

立柱式基础主体是一个大型的圆柱，其作用是支撑塔架和机舱以及系泊缆绳的重量，通过底部压载使得漂浮式基础的浮心高于重心，进而提高漂浮式平台的平稳性。漂浮式基础底部包括定压载舱和临时浮舱两部分。其中，定压载舱提供漂浮式基础较大一部分压载，产生较大的复原力臂以及惯性阻力，达到减小平台横摇和纵摇运动的目的，保证平台的稳定。临时浮舱的作用是在浮体结构运达至指定海域后，将压载水注入临时浮舱，从而使漂浮式基础自行扶正竖立。

通常情况下，立柱式基础的吃水深度要大于等于轮毂和海平面之间的平均距离，才能达到稳定性要求。立柱式基础的锚泊定位系统通常采用张紧式或悬链式的钢缆或合成纤维等。

适用条件：水深较深的海域。

优点：结构简单、垂向波浪激励力小、稳定性优异。

缺点：立柱长度过大导致制造、安装及运维难度大。

代表工程：Hywind（由Statoil 公司开发）、Sway（由Sway 公司开发）、Advanced Spar（由Japan Marine United 公司开发）等。

驳船式(Barge)基础

驳船式基础以较大水线面面积提供复原力矩，因而吃水较小，稳定性较好，是比较适合浅水的一种平台类型，且施工安装方便。但是这种设计导致平台所受波浪力大，在大风浪海域中的横摇和纵摇运动中响应剧烈，适合平静海域。虽然一些驳船平台使用阻尼池设计以期减少波浪载荷，但是实际工作中并没达到显著效果。

适用条件：适合平静或波浪较小的海域。

优点：吃水小，水深适应性好 ;在岸上装配 ; 施工安装方便，只需使用常规的拖船。

缺点：运动幅度小。

代表工程 :日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)与日立造船共同制造了新一代海上风力发电系统的驳船式基础，并选择距离福冈县北九州市白岛海域的北九州港响滩地区约15km 远处进行实证。

半潜式(Semi)基础

半潜式基础通常由有斜撑管连接的多个大型浮筒构件组成。风电机组可以安装在任意一个浮筒上，利用浮筒非常大的水线面面积来保证整机的稳定性。浮筒内部的压舱来调节风电机组整体的重心和稳定性。适用条件：适用水深范围广。

优点：安装方便，运维方便，稳定性较好，并且运行可靠。

缺点：结构庞大、复杂。

代表工程：WindFloat（由Principle Power公司开发）、Damping Pool（由Ideol 公司开发）、SeaReed（由DCNS公司开发）。

海上风电基础特点及中国海域的适用性分析

文：上海勘测设计研究院有限公司 黄俊

| 概况

海上风电作为可再生能源发展的关键方向，我国将其划入战略性新兴产业的重要组成部分。我国第一座海上风电场——上海东海大桥海上风电场从2010 年实现并网发电至今，已经安全运行10年。10年间，风电机组单机容量逐渐增加（从3MW到10MW），建设场址从滩涂到近海，已经开始走向深远海。中国海上风电的大规模开发建设带动了相关产业链发展，反之，产业链的发展又推动着风电技术的不断创新和升级。

| 中国海域特点

虽然我国拥有的海上风能资源丰富，但是台风、海冰、地震、软土地质、基岩等，也给设计和建设带来巨大难度。可以说，中国海上风电的建设条件最复杂，最具有挑战性。

一、风能资源

我国沿海地区大部分近海海域90m高度的年平均风速在7-8.5m/s之间，适合大规模开发建设海上风电场。特别是台湾海峡，年平均风速基本在7.5-10m/s之间，局部区域的年平均风速可达10m/s以上。然而，我国的福建、广东、台湾地区每年都要经历多场台风，阵风风速可超70m/s，高风速必然对风电机组、基础提出高要求。

二、海洋水文

我国北方海域冬天海面结冰，这除了对结构的材料性能提出更高要求外，海冰长期作用在结构上，还会引起冰激振动，从而降低结构的安全使用寿命。通常，安装于该海域的设施需要设置专用的抗冰措施（图1）。

我国南方海域受台风影响，常伴随着大风大浪，部分海域的最大波高超过20m，不仅极大影响海洋结构物的安全性，同时也影响海上运维工作。

三、工程地质

我国沿海地区地质主要以软土地基为主（以江苏和上海地区为代表）。虽然在该地质条件下建设海上风电项目时，海上施工难度低，但表层土承载能力较差，导致基础结构工程量增加。另外，随着近年福建和广东海上风电的大力开发，业界认识到，该区域除了风能资源好外，也存在台风和大区域的浅覆盖层地质（以福建兴化湾、福建莆田、广东南澳和阳江等海域为代表）。浅覆盖层地质意味着基础桩基需要嵌岩施工（图2），或是必须采用新型的浅基础型式。

综上所述，中国海域的海上风电建设条件远比欧洲复杂。针对中国海上风电场的建设特点，选择合理的基础型式十分重要。

| 基础特点与运用

基础是海上风电最关键结构之一，合理的基础型式不仅能提升项目收益率，促进施工高效性，同时也能保证项目的安全性和可靠性。当然，基础选型除与建设场址的海域特点密切相关，还应考虑船机设备、单位建造能力。

一、基础型式

基础型式按照受力特点主要分为桩基础、浅基础和柔性基础，主要类型见表1。

在明确风电场的水深和地质条件等基本情况后，便可对风电机组基础进行初步选型，见表2。

二、基础特点与运用

1. 高桩承台基础

该基础由基桩和混凝土承台组成，刚度较大，抗水平荷载性能较好，适用于中等水深且对海床地质条件要求不高的条件。其采用传统的港口工程施工设备和施工工艺、施工难度较小，大多数海上施工单位都有能力施工。

我国第一座海上风电场⸺上海东海大桥海上风电场（图3）位于东海大桥东侧的东海海域，工程海域水深9.9-11.9m，以软土地基为主，该项目总装机容量为20.4万千瓦，安装3.0MW和5.0MW风电机组。基于当时的施工设备能力，该场址采用斜高桩承台基础。

福建兴化湾样机试验风电场（图4）工程海域水深约5-16m，以浅覆盖层地质为主，基岩面埋深较浅。项目总装机容量7.74万千瓦，安装7种不同厂家的机型，单机容量在5.0-6.7MW。该场址采用大直径直高桩承台基础。

2. 单桩基础

它为我国海上风电采用的最主要基础型式之一。单桩基础结构相对简单，主要采用大型沉桩设备将一根钢管桩打入海床。在钢管桩上设置靠船设施、钢爬梯及平台等，钢管桩顶部通过灌浆或直接通过法兰连接顶部塔筒。单桩基础一般采用单根直径4.5-9.0m钢管桩定位于海底，承受波流荷载及风电机组荷载。为防止桩周冲刷，沿单桩一定范围内进行防冲刷处理。

三峡新能源大连市庄河III海上风电场（图5）是我国已建的最北海上风电场，平均水深约20m，以软土地基为主，局部机位有基岩和溶洞存在。该项目总装机容量为30万千瓦，安装3.3MW和6.45MW风电机组，该场址主要以单桩基础为主，由于受海冰影响，基础安装抗冰锥结构。

3. 多脚架式基础

多脚架结构根据桩数不同可设计成三脚（图6）、四脚等基础，多根桩通过刚架与中心立柱连接，风电机组塔架连接到立柱上形成一个结构整体，多脚架结构的刚度大于单桩结构，可以通过调整三脚架来保证中心立柱的垂直度。

龙源电力集团在如东潮间带建设的示范风电场，潮间带涨潮时平均水深只有1.5m，风电场共安装了9个国内风电机组生产厂家的16台海上试验机组，单机容量为1.5-3.0MW，总容量3.2万千瓦。该场址以软土地基为主。

4. 导管架基础

该基础借鉴了海洋石油平台的概念，其上部采用桁架式结构，当水深到一定深度后，其刚度较高的特点就能从经济性上反映出来。但导管架结构交叉节点较多，结构建造复杂，结构疲劳敏感性高。

三峡新能源阳西沙扒一期30万千瓦海上风电场（图7），场区水深在27-32m之间，共安装55台单机容量5.5MW的风电机组，该场址表层土为软土地基，埋深一定深度后存在基岩。该场址采用了部分导管架基础。

5. 负压（吸力）筒基础

该基础适用于海床为砂性土或软粘土的浅海域，靠负压进行安装，靠自重及筒侧阻力使基础稳定。基础底部为吸力筒结构，负压筒沉放于海床面后进行抽水和抽气，其对负压筒沉放就位、调平、密封、纠偏等技术要求较高。

三峡新能源响水20万千瓦海上风电项目（图8），场区水深8-12m。共安装37台单机容量为4MW风电机组和18台单机容量为3MW风电机组。该场址以软土地基为主，并在风电场内运用了两台吸力筒试验基础。

6. 重力式基础

重力式基础主要依靠自重来抵抗风荷载和波浪荷载产生的作用力，维持稳定，重力式基础对表层土地基承载力要求较高。该结构可靠，在合适水深条件下，经济性较好。重力式风电机组基础施工所需的设备类似于重力式码头中的沉箱码头，国内有许多企业有着丰富的沉箱式码头施工经验，不存在相关的技术障碍。目前国内海上风电场还没有建设完成的重力式基础，但是相关的研究和试验都在开展。

7. 漂浮式基础

漂浮式基础属于柔性支撑结构（图9），主要包括锚索、锚定地点、浮箱或压载箱。漂浮式基础和锚泊系统的设计在满足性能稳定的同时，必须兼顾整个系统的设计成本。就经济性而言，半潜式基础是利用载重水线面面积通过分布浮力来获得复原力矩，结构简单，而且生产工艺成熟，单位吃水成本较低，经济性较好；张力腿基础看似结构简单，成本较低，但是由于结构产生远大于结构自重的浮力，浮力抵消自重后的剩余浮力与预张力平衡，预张力作用在锚泊系统上，使锚索时刻处于张拉的绷紧状态，将会造成锚泊系统和锚固基础形式设计的复杂性。

国内漂浮式基础大都处于研发阶段，目前中国三峡上海勘测设计研究院有限公司正在开展漂浮式基础的施工图设计，有望2021年实现我国第一台漂浮式样机下海。

| 小结

海上风电平价时代的即将到来，必将对基础优化设计提出越来越高的要求。基础优化除了基于合理的基础选型外，设计的方法和规范支撑也是关键因素。相信，随着多年来我国在海上风电建设中积累的大量现场资料和经验，必能有效地支撑基础设计，将我国的海上风电建设得更好。

鉴衡认证以匠心精神 打磨海上风电基础分析能力

文：北京鉴衡认证中心有限公司张宇

自我国第一个大型海上风电场——上海东海大桥项目2010 年建成以来，海上风电在中国的发展已迈入第10 个年头。鉴衡认证作为国内最早开展风电认证检测的第三方机构，一直致力于引入国际经验与评价模式，为国内海上风电发展提供优质的支撑性服务。海上风电项目面临前所未有的挑战，尤其是当面临国内台风、海床地质等特殊环境条件时，很多风险在国内项目中还没有完全暴露，相关研究也十分有限。因此，即使在陆上风电领域开展了多年的第三方工作，鉴衡认证也一直对海上风电技术保持敬畏，尤其是在海上风电基础与风电机组本身属于不同专业领域，它与风电机组的一体化设计技术仍需要很多深入研究。在参与上海东海大桥项目的设计评估之后，鉴衡认证致力于提升自身能力，并广泛投身于国际合作，拓展视野，为未来提供更有价值的服务积蓄力量。下面，将总结近几年鉴衡认证在海上风电基础分析方面开展的部分工作。

| 上海东海大桥海上风电场设计评估 (2007-2010年)

上海东海大桥是我国第一个大型海上风电场，鉴衡认证作为基础设计评估方参与了该项目，这也是国内首次开展此类工作，涉及场址条件评价、一体化载荷计算评估和基础结构评估三个方面内容，最终为该项目颁发了国内首张海上风电场基础设计评估符合证明。

在该项目中，鉴衡认证不仅为海上风电机组和基础建模计算能力奠定了基础，也在一些具体问题上积累重要经验：包括研究了国外很少采用的高桩承台建模方法，创新完成了等刚度和等模态的建模计算；探讨了莫里森方程对于大直径高桩承台水动力计算的适用性分析，在评价中增加绕射效应的波浪力修正方式；完成了高桩承台、桩基与连接部分的全面独立第三方仿真。

对于鉴衡认证而言，上海东海大桥项目是具有里程碑意义的项目，既让我们切身体会到海上风电基础一体化建模仿真和风浪耦合的重要性，是一次难得的实践机会，也让我们深刻认识到海上风电技术的复杂程度，以及需要努力的方向，为之后下定决心，加大投入，参与到国际项目合作中提供了强大动力。

| 国际能源署OC4项目（2010-2014年）

在上海东海大桥项目中的尝试和探索，让我们深刻地认识到，风电机组和基础结构的动力学和水动力学仿真计算的可靠性，在海上风电基础设计中至关重要。国内要想在这一领域提供有价值的评价服务，拥有足够的自信，必须加强这方面的能力建设。

因此，自2010年起，鉴衡认证参与了国际能源署（IEA）的OC4项目（IEA Task30，Offshore Code Comparison Collaboration Continuation）。该项目是OC3（Offshore Code Comparison Collaboration) 的延续，致力于比较全球参与海上风电结构仿真计算的各个机构的建模仿真一致性，通过背靠背的计算，明确各方差异，并寻找原因，积累经验。

在OC4项目中，鉴衡认证主要完成以下任务：

1. 第一阶段（2010-2012年）

（1）背靠背完成风电机组和导管架型海上基础的系统耦合模拟，比对了所有参与者的计算结果，总结了差异产生的原因和经验。

（2）通过分析总结了局部结构动力学的重要性。

（3）明确了浮力计算和结构附加质量，尤其是水动力附加质量的计算方法。

此外，还对导管架型海上风电基础建模的关键技术点和建议进行了总结。

2. 第二阶段（2012-2014年）

（1）背靠背完成一套200m水深的漂浮式海上风电机组的建模仿真，建立了一套用于比对仿真计算结果的设计工况。

（2）在这些工况下，通过寻找计算差异原因，总结了漂浮式基础在建模仿真时的技术关键点和一些主要动力学变量的计算经验。

共有来自于13个国家的23个机构或大学参与该项目，鉴衡认证是唯一一家来自中国的第三方认证机构。在比对过程中，鉴衡认证在两个方面取得很大收获：一是从技术上强化了海上风电基础一体化建模仿真能力，获得国际最前沿的经验总结，并加深了对海上风电结构一体化设计和水动力仿真的理解；二是通过比对培养了队伍，建立对自身建模能力和计算结果的自信，这对于为国内项目提供建议或评价服务是非常重要的。

在该项目中，鉴衡认证与其他机构共同完成了两篇会议论文，并得到发表。

| IEA国际能源署OC5项目（2014-2019年）

OC5 作为OC4 项目的延续，不再采用仿真之间相互比较的方式，而是把仿真计算与实测结果的比对作为目标。这项工作对于掌握建模仿真与现实的相似关系，积累测试与建模经验至关重要。从2014 年开始，鉴衡认证与来自全球15 个国家的24 家机构一道开展了以下三方面工作 :

（1）模型与波浪力试验校准（2014-2015年）。

（2）水箱缩比试验（2015-2016年）。

（3）全尺寸海上风电场实测比对（2016-2019年）。该项目也同时吸引了如金风科技、远景能源、明阳智能多家国内企业参与。除获得难得的仿真与测试的比对经验外，鉴衡认证在全程参与该项目的过程中也总结了一些建模计算的关键点：

（1）波浪的高阶模型在精确预测结构的水动力载荷过程中必不可少。

（2）海上风电机组和基础在结构载荷分析中对叶片的气动模型和控制系统的差异依然非常敏感。

（3）系统的结构阻尼不通过测试难以得到准确估计，结构阻尼对仿真载荷计算的影响显著。

经过该项目的历练，鉴衡认证进一步增强了对海上风电基础建模仿真能力的信心，这不仅源自能与国际各方机构水平相当的信心，也基于仿真计算与实际结果接近的信心。同时，项目中总结的海上基础结构测试方案，也为指导今后国内测试工作积累了宝贵财富。

| 积极参与IEC61400-3与IECRE OD502工作组（2014-2019年），发布《海上风电项目认证实施规则》（2019年）

项目认证是IEC自2010年发布的IEC61400-22（现已被IECRE OD501、OD502 替代）标准中已经定制好的认证模式，主要是在机组型式认证基础上，针对具体海上项目所进行的包括勘查、设计和制造安装过程的评价，用于担保海上风电项目的合规投运和长期运营安全。海上风电项目认证最主要参考的是IEC61400-3“海上风力发电机组设计要求” 这个标准，尽管从标题上看，这个标准是面向海上风电机组的，但实际上也是进行基础设计时的重要参考。

为借鉴欧洲海上风电开发经验，鉴衡认证自2014年起，一直作为OD502和IEC61400-3的工作组成员，跟踪参与规则的制定工作。目前，项目认证作为海上风电项目重要的风控工具，已经得到国内外多家金融机构的重视，分别与鉴衡认证签订了战略合作协议，希望能为后续的海上风电项目提供支持。鉴衡认证基于多年参与国际合作和规则制定的工作经验，结合对项目认证的理解，于2019年发布了《海上风电项目认证实施规则》，希望借此让行业内更多参与者了解鉴衡认证开展这项工作的具体操作方式。

在过去十年国内海上风电迅猛发展的大潮中，鉴衡认证在海上风电基础建模仿真方面苦修内功，不断加深对海上风电基础一体化风浪耦合设计方法的理解，积累力学测试和建模经验。十年磨剑，鉴衡认证投入了大量精力与经费，以匠心精神打磨海上风电基础分析能力，希望随着行业对海上风电风险认识的提高，可以将这些经验回馈到国内的海上风电项目中。