第８卷第１期 ２ ０ １ ０年２月 水利与建筑工程学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｔｔｍｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖ０１．８ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．，２０１０ 海上风电场风机基础的选型设计 段郧峰 ，冉红玉 ，李凤丽 （１．十堰市建设委员会，湖北十堰４４２０００；２．长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉４３００１０） 摘要：海上风能是一种清洁能源，有着广阔的应用前景，目前国内海上风电场的基础设计有待于进一 步研究。以东海大桥海上风电场的基础选型设计为例，介绍了单桩、群桩、三角桩三种基础型式的结构 计算，并结合施工条件和经济性进行综合比较。确定出东海大桥海上风电场的基础为大直径单根钢管 桩基础型式。单根钢管桩基础以其自重轻、构造简单、受力明确，可为类似自然条件的海上工程提供参 考。 关键词：海上风电场；风机基础；工程结构；基础型式；ｍ法 中图分类号：Ｕ６５５．５４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２一ｌ１４４（２０ｌ０）０ｌ—０１２９＿＿０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｗｉｎｄ Ｆｉｅｌｄ ＤＵＡＮ Ｙｕｎ ｆｅｎｇ ，ＲＡＮ Ｈｏｎｇ－ｙｕ２ＬＩ Ｆｅｎｇ－ｌｉ ，（１．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ ｏｆＳｈｉｙａｎ Ｃｉｔｙ，Ｓｈｉｙａｎ，Ｈｕｂｅｉ ４４２０００，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｙａｎｇｔｚｅ Ｒｉｖｅｒ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ 如 Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．， ．，Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ ４３００１０，Ｃｈｉａ）ｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｅｓｅｎｔｌｙ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ Ｃｈｉｎａ．Ｈｅｒｅ，ｔａｋｉｎｇ Ｄｏｎｇｈａｉ Ｂｒｉｄｇｅ ｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｆｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｔｙｐｅｓ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｍｏｎｏｐｉｌｅ，ｃｌｕｓｔｅｒ ｐｉｌｅ ａｎｄ ｔｒｉｐｏｄ ｐｉｌｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ ａｒｅ ｍａｄｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ．Ａｔ ｌａｓｔ，ａ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｓｔｙｌｅ ｉｓ ｃｈｏｓｅｎ，ｔｈａｔ ｉｓ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｐｉｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｗｉｎｄ ｆｉｅｌｄ；ｗｉｎｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｔｙｐｅ；‘‘ｍ”ｍｅｔｈｏｄ 近年来，国家对清洁能源特别是风电的发展给予了很大 的政策支持，海风是取之不竭用之不尽的绿色新能源，相比 陆上风力发电，海上风力发电有着占地少、风速大、风向稳等 黄色砂质粉土、⑦１—２黄色粉砂、⑦２灰黄 灰色粉细砂、⑧ 灰色粉砂、粉质粘土互层、⑨灰色含砾粉细砂等。风场场址 区覆盖层深厚，滩面以下２０ ｍ深度内地基土以软粘土为主， 优点。海上风电场的基础结构型式可分为：重力式基础、单 桩基础、多柱基础、吸力式基础等…１。基础的结构选型，需从 基础结构特点、适用自然条件、海上施工技术与经验以及经 济性方面进行比较。以下为东海大桥海上风电场的基础选 型设计实例。 表层土压缩性较高，承载力低，不能作为风机塔架的天然基 础，根据地质建议，采用⑦１—２和⑦２层土作为桩基持力层。 ２．２风机机型及荷载 采用单机容量为３ ＭＷ，轮毂高度为８０ ｍ的风机进行基 础设计，在极端风速工况和风机正常运行工况下，其作用于 塔筒底部的荷载标准值（由风机厂家提供）分别见表１。 表１风机荷载标准值 １工程简介 东海大桥海上风电场为上海市１０×ｉ０４ ｋＷ及以上风电 场选址报告推荐场址之一。风电场布置在东海大桥两侧的 上海海域，近海地域开阔、障碍物少，具有良好的风能资源开 发利用价值。本工程装机总容量为１００ ＭＷ，参照《水电枢纽 工程等级划分及设计安全标准》（ＤＬ５１０８—２００３），确定工程等 别为三等，主要建筑物级别为３级。 注：表中 、Ｆｒ为水平力， 为竖向力。 、 为弯矩， 为 ２主要设计参数 ２．１地质参数 场区距海岸线６ ｋｍ一１３ ｋｍ，在潮流作用下以淤积为主， 滩地表层主要为淤泥，地形起伏不大。工程区８０ ｍ深度以 扭矩。 ２．３设计荷载 风机基础设计考虑的荷载主要包括自重、风机荷载、波 浪力、水流力、风荷载、船舶（或漂浮物）撞击力、地震力等。 内均为第四系土层，主要土层结构如下：①灰色淤泥、④灰色 ２．４设计工况 设计工况主要考虑施工工况、正常运行工况、极端工况 淤泥质粘土、⑤灰色粘土、⑥暗绿～草黄色粉质粘土、⑦１—１ 收稿日期，＇２００９．０９．３０ 修回日期：２００９—１０—１４ 作者简介：段郧峰（１９８２一），男（汉族），湖北十堰人，本科，主要从事结构设计工作。 １３０ 水利与建筑工程学报 第８卷 （极端风速约７０ ｒｎ／ｓ时的停机状态）、靠泊或船撞工况、地震 工况等荷载组合工况。风、波浪力和水流力作为海洋工程中 的经常作用力，设计将之纳入基本可变荷载而非其他可变荷 ４５ ｍｍ，桩长５３ ｍ，桩基人土深度为４０．０ ｍ，桩尖进入⑦２粉 细砂层中。桩顶露出常水位水面约２ ｍ一３ ｍ，以方便上部结 构施工。 载参加荷载组合，荷载组合中考虑可能出现的不利水位和波 浪、水流的作用方向。 根据各种设计工况及荷载组合，结构分析采用极限状态 工况（即考虑自重、风、极端风况状态的风机荷载和波浪力、 ３基础方案设计 参考国外海上风机基础结构型式，提出三种基础型式进 行方案设计。 水流力的组合）作为设计控制工况。参照《港口工程桩基规 范》（Ｊ ｒＩ２５４—９８），采用ＮＬ法和ｍ法进行计算＿２Ｊ，并对主要控 制指标泥面位移和转角、塔筒底部位移和转角及桩身最大弯 曲应力进行了有限元分析，计算结果见表２。 由表２可知，３种方法得到的计算结果基本一致，各项位 移应力指标均能满足规范要求。本方案结构可行。 ３．１单根钢管桩基础方案 本方案采用大直径钢管单桩，桩径Ｄ：４．８ ｍ，壁厚 ＝ 表２单桩基础主要计算成果 ３．２群桩式高桩承台基础方案 群桩式高桩承台为海岸码头和桥墩基础的常见结构，由 基桩和上部承台组成。设计时需对桩径、壁厚、桩长、桩根 数、墩台尺寸和布置高程进行比选分析。桩径和壁厚的大小 决定桩截面的应力强度；桩身越长，桩的垂直承载力越高；为 节省材料、减小波浪水流对墩台的作用，墩台的尺寸按满足 计算得到桩身应力、内力、基桩在泥面处的水平位移均 满足要求，即拟定的基础结构型式基本合理。 ３．３三脚架组合式基础方案 三脚架组合式基础主要在海上石油平台、海上灯塔建设 中得到一定的运用，在海上风电场基础设计领域，国外目前 尚处于概念性研究和分析阶段。三脚架组合式基础结构型 式为：用３根中等直径的钢管桩定位于海底，桩顶通过钢套 管支撑上部三脚桁架结构，构成组合式基础。三脚桁架承受 上部塔架荷载，并将应力与力矩传递于３根钢桩。 施工时，先根据３根钢套管基座位置在基床抛高强土工 网装碎石，以加强基土对三脚桁架的承受力，然后沉放三脚 桩身净距和上部构造要求的最小尺寸决定；墩台的布置高程 兼顾施工方便和设计美观要求＿３ Ｊ。 通过对各种方案的比选，综合考虑各方面因素，最终选 定采用８根钢管桩，桩径Ｄ＝１．２ ｍ，壁厚 ＝培ｉｑ２ｎｌ的方案。 本方案钢管壁厚为桩径的１／６７，单根桩长８０ ｍ，桩基入土深 度为６７．５ ｍ，桩顶高程为２．５ ｍ，桩尖高程为一７７．５ ｍ，桩尖 进入⑦２粉细砂层中，粉细砂内摩擦角 ＝３５．５。。８根基桩 在承台底面沿半径Ｒ＝５．０ ｍ的圆周上均匀布设，斜度为８： １。承台厚３ ｍ，直径１２ ｍ，承台顶面高程３．５ ｍ，露出常水位 水面约２ ｍ～３ ｍ，以方便上部结构施工。 对于群桩式高桩承台基础结构，采用港口高桩承台计算 桁架的预制钢构件，预制钢构件连接位于中心的Ｄ＝４．０ ｍ、 壁厚 ＝４０ ｎ２ｍ的上部竖向钢管，竖向钢管顶端设法兰与风 机塔架相接。预制钢构件沉放定位后，再将３根钢管直桩穿 过钢套管打入基土，钢管桩呈等边三角形分布，间距为１６ ｍ， 直径为Ｄ＝２．５ ｍ、壁厚 ＝３０ １／１１／１，桩长４８．５ ｍ，桩尖进入⑦２ 层黄色粉砂层中。 程序进行设计。该程序的编制基于ｍ法，通过计算，得到结 构的变形位移、基桩的受力数据等，以确定桩基的结构截面 形式及桩长。群桩计算结果见表３。 本结构为超静定空间桁架结构，采用有限元法对桩基及 上部桁架进行结构计算。计算简图见图１。计算结果见表 ４ 表３群桩式高桩承台基础计算成果 表４三脚架组合式基础计算成果（有限元法） 第１期 段郧峰，等：海上风电场风机基础的选型设计 １３１ 水流力 雪 波浪力 Ｆ／ 。＼ ： ｖ一３ ５２ ５５设计高潮位 ：７ｌｏ０ ０ 海底 ｌｏ ＱＱ． ③层淤泥 里＝！ 鱼 ④层淤泥质粘土 泥面 ．２２ ５Ｏ ⑤层 ７ １０ ⑦１．１层砂质粘土 里： ！ ⑦１．２层粉砂 ＝曼 ．２ ｖ－—５—２ ⑦２层粉细砂 图１ 三角桩基础结构计算简图 由表４可见，桩身在泥面处的水平位移较小，其它计算 结果也满足要求，故拟定的基础结构型式基本合理。 ４基础型式选择 根据以上三种风机基础的设计方案，从基础结构特点、 适用自然条件、海上施工技术与经验以及经济性方面进行比 较（见表５）。 表５三种风机基础设计方案特性比较 经综合比较，选用大直径单根钢管桩基础作为本工程风 机基础的推荐方案。 桩基上部设钢管连接件，连接件外表面设靠船设施、钢 爬梯、电缆埋管等，顶面设平台及风机塔架的预埋法兰系统。 为防止水流力对桩基周边泥面的淘刷，在单桩周围１５ ｎｌ范 围内抛投块石。单桩结构示意见图２。 图２单桩基础结构示意图 ５结语 目前，国内海上风电场的基础设计仍处于研究之中，基础 材料的选择、结构型式的确定应综合各方面因素进行比选。 本文仅以一工程实例对海上风机基础的选型设计提出一点思 路，设计中的缺陷和不足请广大工程界同仁批评指正。 参考文献： ［１］吴志良，王凤武．海上风电场风机基础型式及计算方法［Ｊ］．水 运工程，２００８，（１０）：２４９—２５８． ［２］．１ＴＪ２５４—９８．港口工程桩基规范局部修订（桩的水平承载力设 计）［Ｓ］．北京：人民交通出版社，１９９８． ［３］桩基工程手册编写委员会．桩基工程手册［Ｍ］．北京：中国建筑 工业出版，１９９５． 希 乖出尔 乖 希 乖 乖出 乖 乖出尔 希 （上接第ｌ１７页） 参考文献： ［１］华南理工大学，东南大学，浙江大学等．地基与基础［Ｍ］．北京： 中国建筑工业出版社，１９９５． ［２］ＧＢ５０００７—２００２．建筑地基基础设计规范［ｓ］．北京：中国建筑工 业出版社，２００２． ［３］汤怡新，刘汉龙，朱伟．水泥固化土工程特性试验研究［Ｊ］．岩土 工程学报，２０００，２２（５）：５４９ ５５４． ［４］焦志斌，盛华兴，马建国，等．深层搅拌法加固应天河套闸软基 工程［Ｊ］．水运工程，２００４，（８）：７０－７２，７８．
