近年來(lái)，隨著全世界對(duì)能源需求量的不斷增大，以及海洋淺水區(qū)石油和天然氣儲(chǔ)量消耗殆盡，人們對(duì)海洋的開發(fā)利用已經(jīng)從近海大陸架發(fā)展到深海水域。風(fēng)能作為一種清潔、可再生能源，在廣闊的深海具有巨大開發(fā)潛能。深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電是海上風(fēng)電規(guī)模化發(fā)展的趨勢(shì)和方向，也是目前國(guó)際上海上風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)建設(shè)的熱點(diǎn)。

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)電項(xiàng)目的水深在0-30m屬于淺水、30-60m屬于過渡段（深淺水）、60m以上屬于深水，離岸50km屬于近岸，離岸50km以上屬于離岸。在深遠(yuǎn)海域建造風(fēng)電機(jī)組，既可以充分利用更為豐富的風(fēng)能資源，也可以不占據(jù)岸線和航道資源，減少或避免對(duì)沿海工業(yè)生產(chǎn)和居民生活帶來(lái)的不利影響，具有巨大的開發(fā)優(yōu)勢(shì)。

風(fēng)電項(xiàng)目的區(qū)域/水深劃分

根據(jù)不同的水深條件采用合適的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式，海上風(fēng)電按支撐基礎(chǔ)的類型可分為固定式和漂浮式，從左至右依次為單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、TLP基礎(chǔ)、半潛式基礎(chǔ)、立柱式基礎(chǔ)。海上風(fēng)機(jī)按支撐基礎(chǔ)的類型可分為固定式和漂浮式，目前國(guó)內(nèi)已建成的海上風(fēng)電場(chǎng)采用的都是固定式，在深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)電場(chǎng)中如果采用固定式海上風(fēng)力機(jī)，其自重和工程造價(jià)隨著水深而大幅度增加，因此固定式風(fēng)電基礎(chǔ)不適用于深遠(yuǎn)海環(huán)境。漂浮式結(jié)構(gòu)成為在深遠(yuǎn)海域海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式的首選，按照基礎(chǔ)的類型漂浮式風(fēng)電可分為半潛式（Semi-Sub）、立柱式（Spar）、張力腿式（TLP）三種類型，三種形式在國(guó)外均有示范項(xiàng)目建成或在建。

不同水深所適宜的基礎(chǔ)型式

從風(fēng)機(jī)的制造技術(shù)、示范項(xiàng)目水深等方面綜合考慮，張力腿式（TLP）是目前最適合我國(guó)漂浮式風(fēng)電發(fā)展的一種漂浮式風(fēng)電形式。TLP是一種垂直系泊的順應(yīng)式平臺(tái)，由若干條張力腿與海底錨固基礎(chǔ)相連接。它通過自身的結(jié)構(gòu)形式，產(chǎn)生遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)自重的浮力，浮力除了抵消自重之外，剩余部分與張力腿產(chǎn)生的預(yù)張力相平衡。當(dāng)它在環(huán)境載荷作用下偏離中心位置時(shí)，則依靠張力腿產(chǎn)生的側(cè)向力使其固定在原本位置上，而側(cè)向力取決于張力腿的拉力。TLP最重要的特點(diǎn)是平臺(tái)的豎向運(yùn)動(dòng)很小，水平方向的運(yùn)動(dòng)是順應(yīng)式的，結(jié)構(gòu)慣性力主要是水平方向的回彈力。TLP具有結(jié)構(gòu)剛度高、耐波性好，是理想的漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)。

上海港灣院于2015年開始深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電方面的研究，現(xiàn)已承擔(dān)了上海市科委、中交集團(tuán)、中交三航局等多個(gè)漂浮式風(fēng)電相關(guān)的科研項(xiàng)目，目前也在積極策劃爭(zhēng)取參與漂浮式風(fēng)電國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目。研究?jī)?nèi)容主要聚焦水下錨固基礎(chǔ)、系泊系統(tǒng)等方面，研究目標(biāo)是通過開展理論分析、試驗(yàn)研究、關(guān)鍵裝備開發(fā)、施工技術(shù)研究等，解決水下錨固基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)過程中關(guān)鍵技術(shù)難題，為深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。目前正在開展的研究及取得的成果主要包括：

一、水下基礎(chǔ)制作與施工技術(shù)

（1）樁基

樁基適應(yīng)多種條件地質(zhì)，深海平臺(tái)樁基設(shè)計(jì)方法與淺海相應(yīng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法基本相同。通常情況下，打入樁的造價(jià)會(huì)隨著水深的增加會(huì)大幅提高，這是樁基在在深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電應(yīng)用中所存在的主要問題之一。此外，不同于深海石油平臺(tái)，海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)柔度大，自振周期長(zhǎng)，樁基的剛度計(jì)算必須考慮循環(huán)荷載作用下剛度折減效應(yīng)。同時(shí)海上風(fēng)電機(jī)組常采用大直徑樁基，大尺寸樁基的側(cè)向剛度問題也必須考慮進(jìn)來(lái)。

技術(shù)成熟度來(lái)看，目前樁基設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，國(guó)內(nèi)外都有關(guān)于樁基設(shè)計(jì)的相應(yīng)規(guī)范，在深水油氣平臺(tái)中應(yīng)用也較廣泛。樁基作為最常見的水工基礎(chǔ)型式，在國(guó)內(nèi)擁有豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，一般以鋼管樁為主，鋼管樁的突出優(yōu)點(diǎn)是制作方便、重量輕、施工速度快、以及在循環(huán)荷載下具有較強(qiáng)的抗疲勞特性，并且對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的防腐蝕技術(shù)也已經(jīng)較為成熟。但是海上打樁施工通常需設(shè)置臨時(shí)施工平臺(tái)和打設(shè)鋼套筒，施工時(shí)間較長(zhǎng)，施工受限因素較多。

水下沉樁示意圖

（2）吸力錨

根據(jù)調(diào)研的國(guó)外TLP吸力錨基礎(chǔ)應(yīng)用情況，吸力錨基礎(chǔ)在淤泥質(zhì)軟黏土中具有良好的工作性能。目前，吸力錨已經(jīng)被成功地應(yīng)用于多種海工結(jié)構(gòu)，如海上石油平臺(tái)、海底保護(hù)結(jié)構(gòu)、軍艦海上系泊和補(bǔ)給等。吸力錨特別適合于軟黏土海底地基，在經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能上具有幾個(gè)顯著特點(diǎn)：材料和制造成本低、海上安裝工期短、不需要打樁設(shè)備、抗拔性能卓越、就位準(zhǔn)確等。國(guó)內(nèi)沒有吸力錨基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)的規(guī)范可以遵循，挪威船級(jí)社（DNV）規(guī)范的規(guī)定較為粗略，相當(dāng)一部分關(guān)鍵參數(shù)的選擇上缺乏參照，因此吸力錨基礎(chǔ)國(guó)內(nèi)的技術(shù)成熟度不足，還應(yīng)開展更加深入的研究。

吸力錨錨固基礎(chǔ)

在吸力錨應(yīng)用中，主要有兩個(gè)關(guān)鍵問題需要解決：一是吸力錨的可沉入性研究，主要解決基礎(chǔ)能否沉入預(yù)定的設(shè)計(jì)深度；二是吸力錨的承載性能，對(duì)于TLP錨泊系統(tǒng)，由于荷載角度與水平向夾角較大，吸力錨的承載力計(jì)算一般以豎向抗拔承載力作為控制標(biāo)準(zhǔn)。目前，上海港灣院正在開展吸力錨基礎(chǔ)的沉貫機(jī)理和承載特性研究，解決吸力錨在風(fēng)電荷載下的承載力以及沉錨過程中的阻力、錨內(nèi)土體穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)問題，提出抗拔承載力計(jì)算方法，為吸力錨基礎(chǔ)的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

（3）重力式基礎(chǔ)

重力式基礎(chǔ)通常為淺基礎(chǔ)，主要應(yīng)用于混凝土平臺(tái)。其最大特點(diǎn)是材料成本相對(duì)較低，尺寸和規(guī)模較大，能夠依靠自身重量抵抗工作期間所遇到的環(huán)境荷載，適用于較硬的粘土或較密實(shí)的砂土，并且一般常應(yīng)用于水深在100～200 m范圍內(nèi)的海域。在現(xiàn)階段的深海石油平臺(tái)中，重力式基礎(chǔ)在不設(shè)樁基的條件下，可依靠自身重量承擔(dān)上部平臺(tái)的抗拔力，并維持體系穩(wěn)定，體現(xiàn)了其較好的穩(wěn)定性和高效性。在深厚軟土層中，采用重力式基礎(chǔ)很難解決滑移和傾斜問題。但在相關(guān)前期調(diào)查中發(fā)現(xiàn)規(guī)劃中風(fēng)電場(chǎng)鄰近海域的某一地質(zhì)鉆孔表層土為粉細(xì)砂，在這種地質(zhì)條件下，重力式基礎(chǔ)具有較好的經(jīng)濟(jì)性和適用性。

重力式基礎(chǔ)示意圖

二、筋鍵專題研究

TLP漂浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)中筋腱就成了重中之重，難中之難。國(guó)內(nèi)目前沒有任何這方面的研究，關(guān)鍵技術(shù)全都掌握在國(guó)外少數(shù)幾家公司手里。若要使用，掌握其關(guān)鍵技術(shù)，并形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，擺脫國(guó)外的技術(shù)封鎖和專利壁壘，只有深入開展研究，尋求解決方案。基于筋腱的重點(diǎn)性，我院成立專題研究小組，針對(duì)筋腱和筋腱材料選型開展重點(diǎn)研究。

課題組深入研究了筋腱材料的選型原則，并根據(jù)我們海域工況、平臺(tái)形式及受載荷性情，綜合分析了復(fù)合纖維繩（包含超高分子量聚乙烯纖維和碳纖維）、錨鏈、鋼絲繩和鋼管作為TLP漂浮式風(fēng)電筋腱材料的適用性，確立了帶護(hù)套單股鋼絲繩和鋼管作為TLP漂浮式風(fēng)電筋腱材料作為后期重點(diǎn)研究方向。

筋腱連接器方案

同時(shí)上海港灣院還提出了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云平臺(tái)技術(shù)的漂浮式風(fēng)電筋腱應(yīng)力松弛遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)方案，可建立專用的信息管理平臺(tái)，對(duì)所有安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理、維護(hù)與分析，在無(wú)人值守的條件下全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，客觀地反映實(shí)際的漂浮式風(fēng)電筋腱應(yīng)力松弛的狀況，為設(shè)計(jì)人員和管理者的科學(xué)決策提供依據(jù)。

漂浮式風(fēng)電系統(tǒng)力筋應(yīng)力松弛監(jiān)測(cè)單元