上海勘测设计研究院王李吉：深远海复杂环境的基础设计与思考

2023-06-30 13:22:28　　来源：北极星风力发电网

6月8-9日，由北极星电力网、北极星风力发电网主办的“迎风向海，迈入深蓝——第三届海上风电创新发展大会”成功召开，上海勘测设计研究院有限公司新能源设计研究院项目经理王李吉做了《深远海复杂环境的基础设计与思考》演讲分享。

他表示，我国海上风电场环境条件具有鲜明的复杂性和多样性，随着单机容量&基础尺寸越来越大，海上风电的规模化发展，深远海更面临着很多新问题。固定式基础在平价条件下深远海风电设计思考主要有一体化设计、波浪力研究、高强材料应用、导管架优化、钢管桩优化、基础浮运研究等六个方面。

(资料图)

上海勘测设计研究院有限公司新能源设计研究院王李吉

发言整理如下：

我的分享主要分以下几个方面：

一、复杂环境及基础选型

二、海上风电发展趋势

三、深远海复杂环境设计研究

四、平价条件下深远海设计思考

五、展望

一、复杂环境及基础选型

中国沿1.8万公里大陆海岸线的各海域气象、海洋水文、工程地质等海上风电场环境条件差异很大，与欧洲海上风电场相比，我国海上风电场环境条件具有鲜明的复杂性和多样性。

首先是深厚软土，其次是浅覆盖层，第三是台风的影响，从基础设计走向中远海，台风的影响对整个机组设计是至关重要的。第四是冲刷的影响，这是以后要考虑的一个重要因素，特别是长江口或者珠江口等地整个流速的影响，导致冲刷影响还是比较严重的。第五部分是海冰的影响，根据国内风电场的规划，在辽宁、天津、山东等地，都面临着海上风电海冰的影响。

首先台风，在此不做展开说明。台风是极限载荷的影响，这种情况下要考虑风机上设置一个柴油发电机的备用电源作为一个前提条件。备用电源在深远海条件下能否及时启动，很大程度上影响了基础的安全，这在深远海基础设计中是一个重要的考虑因素。

第二是海冰的设计研究。我国中远海地区，海冰影响是非常严重的。

针对以上前提，上海院在北方部分海上风电场设计中，进行了一些针对性的理论研究，包括数字模拟以及试验。提出了一系列的解决方案，主要是抗冰的解决方案，在北方风电场风机基础上采取破冰结构，解决整个海冰区风机基础设计问题。

第三，在整个复杂环境下有冲刷的影响，尤其是单桩冲刷对于整机安全影响非常之大。

在江苏有些风场整个冲刷会达到10m左右，设计院在做防冲刷方案的时候，通常会预留冲刷深度，包括采用固化土技术，后续有一些压缩材料等新型材料技术。总的来说，比如说在30m左右的水深，有单桩应用场景的，还是会重点考虑一些防冲刷方案，这也是对整个风电开发成本造价影响非常大的因素之一。

第四，非常重要的，也是我国比较特有的浅覆盖层设计条件——岩基埋深非常浅。海上风电的固定式基础会采用打入桩基的技术，我们在福建兴化湾和广东阳江做了很多嵌岩工程，过程中可能会发生很多不可预见的问题。

勘测手段只是一个孔的覆盖，很难判断整个岩面的起伏，在施工过程中经常会碰到打到一定高度后发生卷边的问题。浅覆盖层的地质条件，这在固定式基础设计里面也是一个非常头疼的边际条件。

针对以上这些困难的地质条件，包括外部的台风、冲刷的不利，我们会针对这些边际条件进行初步选型，近海高桩承台用得比较多，单桩作为一个比较经济实惠、施工简单的基础形式在深远海用得较多。

另外用得比较多的是导管架吸力桶，从传输设备到施工成本以及适用条件，考虑的还是打入式导管架，这对于整体浅覆盖层条件有比较高的要求。在深远海环境下，尽量还是通过导管架吸力桶或者单筒复合筒，不需要打桩作业以及海上灌浆作业，通过抽负压的形式，把整个基础相当于座落在海床上面，再完成上面的风机吊装。

二、海上风电发展趋势

这对于风机基础设计提出比较大的挑战，从《“十四五”规划》我们国家对于海上风电规划可以看出，规划的水深是越来越深的，无论是从北方的辽宁到天津，再到广东、广西、福建和海南，规划的水深基本上很多都达到60~70m，这样的条件下，漂浮式基础已经有一定的经济性，包括应用的场景也越来越多了。但是我国目前的一些船机设备，包括制作厂、一些工艺，整体还是处于为固定式基础服务的状态。基于这样的条件下，固定式应用前景还是比较大的。

随着水深越来越深，会体现很多新问题，包括大容量风机的运用对于基础设计来说是一个非常大载荷的影响，包括疲劳载荷和极限载荷。同时，大容量风机，因为整体的重量非常重，导致风电机组+整体频率降低。此外逐渐走向深远海，面临波浪增大的问题也越来越多。

海上风电政策发展，离岸10公里、水深超过10公里，随着风电的发展，从趋势上来说可能越来越走向远海，后面也存在变成“双30”规定的趋势。这个政策还没有完全发布，但是从行业判断来说，肯定是往深远海方向走。

第三，风电行业开发从独立建设到集中连片建设，对于海缆的降本增效是非常有好处的，根据上海院测算，整体规模化出现以后，单位千瓦投资降幅8~11%。

海上风电发展趋势，装机容量越来越大，基础尺寸越来越大，导管架整个尺寸达到2000吨量级，水深越来越深。

三、深远海复杂环境设计研究

深远海施工成本比较高，在前期就会进行一些磁法、地形测量和地质剖面的测量。国外主要是把钻探作为主要的测量，主要是海床和井下两种，我们通常针对深远海主要还是采用井下式CPT。

首先，针对深远海，应用场景较多的是大直径单桩、导管架和导管架吸力筒，当大直径单桩走向深远海，主要难点就在于制造。

导管架结构难度较大的是对管桩连接，随着深远海的推进，导管架制作精度很难满足要求，包括现场打桩，所以我们进行试验研究，可以看出整体强度还是有一定折减的，这也是制约海上导管架的因素。

第二，随着水深越来越深，如果一旦发生结构和波浪共振，对于整个结构强度有非常大的影响。

第三，一体化设计方法，针对30m以下，可以降低工程量达到10%以上。但是针对30m以上大容量风机，测算发现，一体化设计手法，对于整体工程量下降并没有很大影响，主要体现在水面以上，包括上部导管架节点，可能有较大的优化。但是因为下部的节点受海浪的影响比较大，所以对于下部节点甚至于有反向工程量的增加。

导管架吸力筒，最重要的就是下沉的内容，我们结合在广东区域、北方区域下沉的经验，进行数值的模拟，结合国外的技术经验，修正以后发现整个公式对于评估黏土还是高估了下沉阻力，对于沙土还是低估了下沉阻力。

防腐手段变化，从外加电流的防护手段，随着距离越来越远，保证整个防腐结构安全。