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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。
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