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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。
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