海上風電基礎(chǔ)設(shè)計與施工

1海上風電基礎(chǔ)設(shè)計與施工目錄2

國內(nèi)外海上風電典型風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)3荷載分類及作用組合5

海上風機基礎(chǔ)型式選擇及計算6

海上風機基礎(chǔ)施工7海上風機安裝21

國內(nèi)外海上風電發(fā)展現(xiàn)狀4海上風電風機基礎(chǔ)設(shè)計流程1.1國內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(yīng)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(chǎn)局編制的《成本下降監(jiān)測框架》(CRMF）顯示，隨著技術(shù)的進步、規(guī)模效應(yīng)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(chǔ)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(nèi)外海上風電典型風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)2.1國外海上風電典型風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)62.2國內(nèi)海上風電典型風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)2.1國外海上風電典型風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)7重力式基礎(chǔ)單樁基礎(chǔ)水上三樁（Tripile）水下三樁（Tripod）導管架基礎(chǔ)吸力筒基礎(chǔ)漂浮式風機基礎(chǔ)8混凝土沉箱式9重力基座式10重力基座式11單樁基礎(chǔ)12水上三樁基礎(chǔ)13水下三樁基礎(chǔ)14水下三樁基礎(chǔ)15導管架基礎(chǔ)16吸力桶基礎(chǔ)17漂浮式基礎(chǔ)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(nèi)海上風電典型風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)18低樁高臺柱基礎(chǔ)高樁承臺基礎(chǔ)單樁基礎(chǔ)水下三角架基礎(chǔ)（Tripod）導管架基礎(chǔ)吸力筒基礎(chǔ)19低樁高臺柱基礎(chǔ)20高樁承臺基礎(chǔ)21單樁基礎(chǔ)22三角架基礎(chǔ)23導管架基礎(chǔ)24吸力桶基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)傳來的風電機組重力荷載Fzk

、基礎(chǔ)及附屬結(jié)構(gòu)自重G、預加應(yīng)力Np

等。2可變荷載，主要有上部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計風電機組基礎(chǔ)時，應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的基本組合；地震工況下應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的偶然組合；按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計風電機組基礎(chǔ)時，應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的標準組合；風電機組基礎(chǔ)疲勞工況設(shè)計時，應(yīng)考慮荷載效應(yīng)的標準組合。273荷載分類及作用組合海上風電機組基礎(chǔ)設(shè)計對海洋水文資料的需求1、潮位：基面關(guān)系、冬季平均海平面、設(shè)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(shè)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(shè)計冰厚、海冰的力學性質(zhì)，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(yīng)注意幾個方面：1、波浪理論的選擇2、大尺寸構(gòu)件不適合右圖所示理論，應(yīng)該進行數(shù)值計算或者試驗。3、高樁承臺位置較低時應(yīng)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(yīng)設(shè)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(shè)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(chǔ)載荷報告機組載荷計算廠家設(shè)計院接口塔架基礎(chǔ)定型是否通過是否機組基礎(chǔ)設(shè)計基礎(chǔ)定型控制基礎(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)計塔架控制Login載荷門戶4海上風電風機基礎(chǔ)設(shè)計流程海上風電風機基礎(chǔ)設(shè)計流程目前有兩種方式：分步迭代和一體化設(shè)計。一體化設(shè)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(chǔ)結(jié)構(gòu)每個截面的內(nèi)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(nèi)一體化設(shè)計法分步迭代法354海上風電風機基礎(chǔ)設(shè)計流程分步迭代法風機廠家載荷計算設(shè)計院基礎(chǔ)設(shè)計FxyMxymaxH1%Fi(i=1~3)Mi(i=1~3)(Hs，Tp)ULSFLS波浪疲勞設(shè)計波法364海上風電風機基礎(chǔ)設(shè)計流程一體化設(shè)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(chǔ)設(shè)計流程基礎(chǔ)設(shè)計總體流程一、輸入資料整理分析二、基礎(chǔ)選型三、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算四、防腐蝕設(shè)計五、附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計六、監(jiān)測設(shè)計384海上風電風機基礎(chǔ)設(shè)計流程輸入資料整理分析輸入資料工程地質(zhì)海洋水文風電機組參數(shù)地形地貌巖層結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)主機質(zhì)量屬性塔架附屬結(jié)構(gòu)布置其他395海上風機基礎(chǔ)型式選擇及計算基礎(chǔ)型式選擇1根據(jù)地質(zhì)條件初選可能的基礎(chǔ)型式2根據(jù)所選基礎(chǔ)型式的特點，進行適宜性分析，選擇3-4種基礎(chǔ)型式3采取相同的控制標準，計算初選的各基礎(chǔ)型式工程量4型式405海上風機基礎(chǔ)型式選擇及計算基礎(chǔ)型式選擇風機基礎(chǔ)型式調(diào)研結(jié)構(gòu)安全性分析施工可行性分析經(jīng)濟性分析確定基礎(chǔ)型式?jīng)_刷穩(wěn)定性實施設(shè)備、場內(nèi)運輸415海上風機基礎(chǔ)型式選擇及計算425海上風機基礎(chǔ)型式選擇及計算435海上風機基礎(chǔ)型式選擇及計算445江蘇某風電場基礎(chǔ)型式選擇比選過程對目前國內(nèi)外已經(jīng)應(yīng)用的基礎(chǔ)型式進行初步分析，選擇3-4款適合風風場地質(zhì)、水文條件的基礎(chǔ)型式。如高樁承臺基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、三樁導管架基礎(chǔ)和五樁導管架基礎(chǔ)確定設(shè)計輸入?yún)?shù)，基本按照相同控制標準對每一種基礎(chǔ)型式進行結(jié)構(gòu)靜力和模態(tài)計算，提出工程量，并計算建安投資。從結(jié)構(gòu)方案、施工設(shè)備、施工技術(shù)、施工周期、工程量以及經(jīng)濟性等方面對各種基礎(chǔ)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(shè)備和工期為輔參數(shù)。455江蘇某風電場基礎(chǔ)型式選擇比選過程對目前國內(nèi)外已經(jīng)應(yīng)用的基礎(chǔ)型式進行初步分析，選擇3-4款適合風風場地質(zhì)、水文條件的基礎(chǔ)型式。如高樁承臺基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、三樁導管架基礎(chǔ)和五樁導管架基礎(chǔ)確定設(shè)計輸入?yún)?shù)，基本按照相同控制標準對每一種基礎(chǔ)型式進行結(jié)構(gòu)靜力和模態(tài)計算，提出工程量，并計算建安投資。從結(jié)構(gòu)方案、施工設(shè)備、施工技術(shù)、施工周期、工程量以及經(jīng)濟性等方面對各種基礎(chǔ)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(shè)備和工期為輔參數(shù)。465海上風機基礎(chǔ)型式選擇及計算靜力計算基礎(chǔ)穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)強度、應(yīng)力位移、變形宜建立三維有限元模型，應(yīng)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(chǔ)模型應(yīng)該建立，風電機組簡化為有質(zhì)量屬性的質(zhì)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(chǔ)計算475海上風機基礎(chǔ)型式選擇及計算風機基礎(chǔ)計算流程確定基礎(chǔ)高程-總體建模樁基承載力計算（確定樁基布置方案）結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算（基本確定桿件、節(jié)點設(shè)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(shè)計防腐設(shè)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(yīng)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(chǔ)型式選擇及計算風機基礎(chǔ)平臺高程的確定5海上風機基礎(chǔ)型式選擇及計算樁基計算(P-Y曲線法)樁基礎(chǔ)軸向承載力計算應(yīng)符合下式要求：進行靜荷載試驗時，5海上風機基礎(chǔ)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(shè)計值應(yīng)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A(chǔ)nalyzebasedonthepilediameter,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(chǔ)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(shè)計值應(yīng)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(yīng)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(chǔ)不宜少于2根，其它型式基礎(chǔ)每臺不宜少于1根，單樁基礎(chǔ)抽檢比例不宜低于10%，且不少于2根。5海上風機基礎(chǔ)型式選擇及計算P-Y曲線-粘性土5海上風機基礎(chǔ)型式選擇及計算P-Y曲線-非粘性土5海上風機基礎(chǔ)型式選擇及計算軸向荷傳遞曲線5海上風機基礎(chǔ)型式選擇及計算樁端荷載位移曲線5海上風機基礎(chǔ)型式選擇及計算軟粘土的側(cè)向承載力5海上風機基礎(chǔ)型式選擇及計算軟粘土的側(cè)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(guān)系，但具有更大脆性。在進行這類型土設(shè)計時，需經(jīng)相關(guān)實驗確定。5海上風機基礎(chǔ)型式選擇及計算砂土的側(cè)向承載力6海上風機基礎(chǔ)施工6.1施工設(shè)備的現(xiàn)狀596.2單樁基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備6.3高樁承臺基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備6.4三角架基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備6.5導管架基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備6.6低樁高臺柱基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)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(shè)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(chǔ)應(yīng)用及大容量風電機組的投運，原有設(shè)備效率較低且適用性不夠，因此近10年來，生產(chǎn)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(shè)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(nèi)交付的起重量最大、功能最全面、技術(shù)最先進的海上風電施工平臺。6.1施工設(shè)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(nèi)的泥砂質(zhì)海域作業(yè)。配備1000噸及360噸繞樁式全回轉(zhuǎn)起重機各1臺。抬升機構(gòu)采用最先進的主輔油缸插銷式，為國內(nèi)首創(chuàng)。集大型設(shè)備吊裝、風電基礎(chǔ)打樁、設(shè)備安裝、運輸于一體，裝載和起重能力強勁。6.1施工設(shè)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(nèi)水深海域作業(yè)，雙鉤360°全回轉(zhuǎn)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(chǔ)施工及多管樁基礎(chǔ)施工也可進行海上大型風機吊裝施工。。6.1施工設(shè)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(zhuǎn)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。“托本號”(TORBEN)是國內(nèi)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計，是集風塔打樁、風電設(shè)備安裝于一體的海上風電設(shè)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(zhuǎn)的起重機，最大吊高為120多米，相當于40層樓高。6.1施工設(shè)備的現(xiàn)狀華爾辰號676.2單樁基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備gang鋼管樁制作686.2單樁基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備單樁施工695.2單樁基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備序號機械設(shè)備名稱型號規(guī)格單位數(shù)量備注1全回轉(zhuǎn)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(chǔ)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(shè)備配置表706.3高樁承臺基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備鋼管樁制作716.3高樁承臺基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備高樁承臺施工工藝726.3高樁承臺基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備高樁承臺基礎(chǔ)施工設(shè)備配置表736.4三腳架基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備三角架基礎(chǔ)施工工藝746.4三腳架基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備三角架基礎(chǔ)施工設(shè)備配置表756.5導管架基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備鋼管樁制作766.5導管架基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備導管架基礎(chǔ)施工工藝776.5導管架基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備導管架基礎(chǔ)施工工藝786.5導管架基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備導管架基礎(chǔ)施工工藝796.5導管架基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備導管架基礎(chǔ)施工工藝806.5導管架基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備導管架基礎(chǔ)施工設(shè)備配置表816.5低樁高臺柱基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備PHC施工工藝826.5低樁高臺柱基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備混凝土施工工藝836.5低樁高臺柱基礎(chǔ)的施工方案及設(shè)備配備基礎(chǔ)施工設(shè)備配置表序號設(shè)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(diào)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(chǔ)20箱式移動冷水機EPC50型臺4

7海上風機安裝7.1施工設(shè)備的現(xiàn)狀，同風機基礎(chǔ)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(shè)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