1.1 海上风机基础型式

海上风电最早始于欧洲，1990年，在瑞典Nogersund安装了世界上第一台单机容量为220kW的海上风电机组；1991年，在丹麦Vindeby建设了世界上第一座商业海上风电场；2001年，世界第一座大型海上风电场Horns Rev也在丹麦建成并投入使用。自此，海上风电技术开始大力发展，单机装机容量不断提高，基础型式也不断改进，并涌现出一些新型基础型式与混合基础型式。

海上风机基础型式按结构型式及其安装方法分为桩式基础、重力式基础、吸力式筒形基础和浮式基础等，几种海上风机基础型式如图1-1所示。其中，桩式基础是最常用的基础型式，单桩基础、导管架基础、高桩承台基础等均属桩式基础。

1.1.1 桩式基础

1.1.1.1 单桩基础

单桩基础的概念最早于1994年由荷兰莱利公司提出，是海上风电场建设中应用最多的基础型式。单桩基础作为一种简单的桩基型式，具有制造快速、安装简单的优点，风机塔架由单个大直径桩基支承，既可直接用法兰连接，也可通过过渡段灌浆连接，单桩基础型式如图1-2所示。基础施工时，一般采用钻孔或打桩技术将钢管桩打入海床，上部结构再通过过渡段灌浆或直接采用法兰与钢管桩连接。单桩直径一般为4～7m，壁厚约为直径的1/100，插入海床的深度与土壤的强度有关。

单桩基础的优缺点见表1-1。

综上所述，单桩基础主要受限于整体刚度、振动及变形因素，适用于海床表层承载能力高，且平均水深在0～30m的场址。目前，欧洲正在研发10m桩径的超大直径单桩基础，使其应用到海域水深更深、机组容量更大的海上风电场建设中，如此，单桩基础型式在较深海域中也将成为一种合适的选择。

1.1.1.2 水下多桩基础

三桩基础在水下多桩基础中较为常见，其结构中心为连接塔筒的单立柱，单立柱通过三根斜撑连接桩套管，钢管桩通过三桩基础的三个桩套管固定于海床。桩套筒与桩通常采用灌浆进行连接，水下三桩基础型式如图1-3所示。底座宽度和打桩深度由工程海域的海洋水文和工程地质等条件决定。与单桩基础相比，水下多桩基础具有更高的稳定性和抗侧刚度，适合20～50m的水深场址条件。水下多桩基础由于桩套筒较长，在浅水海域影响船只的停靠。

水下多桩基础的优缺点见表1-2。

水下三桩基础在德国Alpha Ventus（Borkum West Ⅰ）风电场首次应用，并对该基础型式开展了大量的研究工作，该基础型式后续又推广到Borkum West Ⅱ与Baltic 2两个项目中，国内的潮间带海上风电场采用过水下六桩基础，如图1-4所示。

1.1.1.3 水上三桩基础

水上三桩基础可以看作是对水下三桩基础的演变，最早由德国BARD公司在近海风电场项目中应用，并在2013年建成了世界上首个以此基础型式为主的海上风电场；很多人将其与水下三桩基础划分为一类，这种结构安装时先将三根钢管桩精确打入海床，调平后，再安装上部结构，一般通过水上灌浆连接钢管桩与上部结构，使上部结构承担风电机组的荷载，如图1-5所示。依据Det Norske Veritas（DNV）的相关建议，此结构适用于25～40m水深的场址条件。虽然适宜较深的水深，但有人认为此种结构有三根独立桩悬挑于水面以上，重心高，抗侧刚度差，受到风、浪荷载作用反应更加明显，上部结构笨重不利于运输。

因此，水上三桩基础只在少数风电场得到应用，该基础型式造价相对较高，建造比较复杂，但水上三桩基础能有效解决目前海上安装作业时间短和受天气影响大的问题，通过水上灌浆进行快速连接，是一种很好的连接方式。

水上三桩基础的优缺点见表1-3。

1.1.1.4 导管架基础

导管架基础由桁架结构作为中间支撑，通过3～6根垂直或倾斜的钢管桩固定在海床上。导管架基础通过灌注高强灌浆材料或其他形式与钢管桩连接，导管架顶部通常通过内法兰与风机塔筒连接。这类基础适合水深10～50m的场址条件，而且已经在海洋石油和天然气平台中使用了40多年。随着水深的增加，这种基础型式的优势更加明显，但由于其节点多且复杂，建造工作量较大。导管架基础适合的场址条件很广，并且到目前为止没有主体结构发生破坏的报告。

导管架基础是目前欧洲海上风电场用得较多的一种基础型式，也是未来发展的趋势。根据打桩的先后顺序，导管架基础分先桩法导管架基础与后桩法导管架基础。后桩法导管架基础与海洋石油平台的导管架基础类似，导管架基础上设置有防沉板与桩靴（又称“桩套管”），先沉放导管架，再将钢管桩从桩靴穿入打入海床，后桩法导管架基础曾应用于英国的Beatrice海上风电示范项目中，如图1-6所示，以后绝大部分导管架基础均为先桩法，如图1-7所示。以四桩先桩法导管架基础为例，首先在海底打入4根呈正方形布置的钢管桩，然后进行导管架基础整体吊装。吊装过程通过导向板将基础腿部插入钢桩，再完成导管架基础的定位及调平工作，最后进行水下灌浆施工。

导管架基础的优缺点见表1-4。

1.1.1.5 高桩承台基础

高桩承台基础由桩和连接桩顶的桩承台（简称承台）组成。一般通过8根呈正八边形布置的内倾钢管桩定位于海底，桩顶通过钢箱梁和钢筋网连接支撑上部承台结构，如图1-8所示。高桩承台基础在国内具有较大优势，主要表现在对施工设备配置要求不高、国内能进行施工的船舶及施工装备资源较多、适合在离岸距离不远的海域施工。此外，高桩承台基础具有承载力高、沉降量小且较均匀的特点，可应用于各种工程地质条件。这类基础适合0～20m的水深场址条件，由于需要在海上现场浇筑大量混凝土，海上施工作业时间长，不宜用于离岸较远的海域。文献[12]中表明由于我国和欧洲国家不同的地质条件和打桩装备的差距，欧洲国家主要选择单桩基础作为近海风电场的基础型式，而我国东部海域则可使用高桩承台基础。我国第一个海上风电场——东海大桥海上风电场就是应用该基础型式。

高桩承台基础的优缺点见表1-5。

1.1.2 重力式基础

重力式基础由钢筋混凝土或钢质基础结构作为基座坐立于海床面上，通过过渡段或竖井顶法兰与塔筒连接，如图1-9所示。该基础型式属于一种混凝土基础结构，施工时可以带或不带小型钢质或混凝土基座，可选用砂石、铁矿石或岩石等来获得足够重力的压载物，将它们填入重力式基础中，可根据实际的地质条件调节底座宽度。重力式基础的底座一般是平板或环板，基础周边需有防冲刷保护。

重力式基础是最早应用于海上风电场建设的基础型式，主要依靠自重使塔筒保持垂直，有混凝土重力式基础和钢沉箱基础两种类型，适用于地质较好，水深从0～25m的场址条件。由于混凝土的价格远低于钢材，该基础在浅水海域经济性较好。水深大于20m时，为保证有足够重量抵抗环境荷载，其尺寸和造价随水深的增加而增大。

现在大多数重力式基础为钢筋混凝土沉箱结构，在风电场附近的码头用钢筋混凝土预制沉箱，然后用气囊助浮、拖轮牵引其漂浮到安装位置，并用砂砾填充基础内部以获得必要的压载，继而将其沉入海底，类似于重力式码头沉箱。

重力式基础的优缺点见表1-6。

1.1.3 吸力式筒形基础

吸力式筒形基础（或负压筒形基础，简称吸力筒基础）由倒扣式筒形结构作为基座吸附于海床面，基础下部通过负压贯入海床以下一定深度，上部通过过渡段或钢管顶内法兰与塔筒连接。

吸力式筒形基础是近年来国外逐渐发展起来的一种新型的风机基础。该基础形状为大型圆柱状钢制或混凝土薄壁结构，其顶端封闭，底部开口，并在顶部设有排水抽气口，与桩基础相比，其嵌入深度比较小，但是筒直径一般比桩直径大很多。丹麦在2002年和2009年分别成功地将吸力筒基础应用于位于滩涂的风电机组和海上测风塔。2005年，德国在海上尝试为一台6MW的Enercon风电机组安装一个直径16m的吸力式筒形基础，然而在负压沉贯过程中吸力筒筒壁受到船只的意外撞击而屈曲，最终导致整个沉贯施工失败。尽管目前吸力式筒形基础的技术难度较大并且有失败的教训，但是由于其本身在施工、承载和重复利用等方面有独特的优势，在英国、德国和丹麦受到关注。我国也有单位做了一些有效探索，并成功施工安装了有海上风电机组样机的混凝土吸力筒形基础。常见的两种吸力式筒形基础如图1-10所示。

吸力式筒形基础的优缺点见表1-7。

1.1.4 浮式基础

在水深超过50m的海上风电场，采用桩基础等海上固定式基础已经无法满足经济性的要求，需要一种新的结构型式，而浮式基础可能是这一区域最适合的选择。浮式风电机组使用浮式结构作为海上风机的基础平台，平台再用系泊系统锚定于海床，对地质条件没有较高要求，且容易运输，具有广阔的应用前景。

图1-11所示为比较有代表性的浮式基础。这种结构在深海优势明显，且具有便于运输、安装，便于拆除等优势。但这种结构不适用于浅海；其运动特性对机组运行影响较大，与近岸固定式基础型式相比，其技术尚不成熟，投资高。

2009年9月，世界上第一个海上漂浮式风电机组Hywind在挪威正式启用，单机容量为2.3MW, Hywind风电机组设置在一个柱形浮标上，浮标通过三根缆索与海底固定，里面放入水和岩石当作压舱物。当时挪威国家石油公司（Statoil）计划对其进行为期两年的试验测试后，寻求国际伙伴合作，建造更多的漂浮式风电机组。尽管浮式风电机组的商业化还需很长一段时间，但是目前国际上已经提出了各种不同的浮式平台概念形式，如Tri-floater、WindSea、Sway、Minifloat、Windfloat、mini TLP等，并对浮式风电机组进行了大量的模型试验和数值研究工作。

50m以上的深海风电场将是全球未来海上风电发展的重要领域，随着风电场向深海的发展，浮式基础必然有其广阔的应用前景。浮式基础的优点为：对水深不敏感，安装深度可达50m以上，对地质条件没有较高要求。缺点为：稳定性较差；浮式平台与锚泊定位系统的设计有一定难度。

针对实际工程，需根据工程地质特点、水深、风电机组容量、安装设备以及当地特定因素等，选择合适的风机基础型式。为了更好地对比各基础型式及相应的工程应用，表1-8给出了单桩基础、水下三桩基础、水上三桩基础、导管架基础、重力式基础以及高桩承台基础的对比表。