近年來，隨著全世界對能源需求量的不斷增大，以及海洋淺水區(qū)石油和天然氣儲量消耗殆盡，人們對海洋的開發(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。深遠海浮式風電是海上風電規(guī)?；l(fā)展的趨勢和方向，也是目前國際上海上風電場開發(fā)建設的熱點。

根據(jù)國際標準，風電項目的水深在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。在深遠海域建造風電機組，既可以充分利用更為豐富的風能資源，也可以不占據(jù)岸線和航道資源，減少或避免對沿海工業(yè)生產(chǎn)和居民生活帶來的不利影響，具有巨大的開發(fā)優(yōu)勢。

風電項目的區(qū)域/水深劃分

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

不同水深所適宜的基礎型式

從風機的制造技術(shù)、示范項目水深等方面綜合考慮，張力腿式（TLP）是目前最適合我國漂浮式風電發(fā)展的一種漂浮式風電形式。TLP是一種垂直系泊的順應式平臺，由若干條張力腿與海底錨固基礎相連接。它通過自身的結(jié)構(gòu)形式，產(chǎn)生遠大于結(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)生的預張力相平衡。當它在環(huán)境載荷作用下偏離中心位置時，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最重要的特點是平臺的豎向運動很小，水平方向的運動是順應式的，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，是理想的漂浮式風機基礎。

上海港灣院于2015年開始深遠海漂浮式風電方面的研究，現(xiàn)已承擔了上海市科委、中交集團、中交三航局等多個漂浮式風電相關(guān)的科研項目，目前也在積極策劃爭取參與漂浮式風電國家級科研項目。研究內(nèi)容主要聚焦水下錨固基礎、系泊系統(tǒng)等方面，研究目標是通過開展理論分析、試驗研究、關(guān)鍵裝備開發(fā)、施工技術(shù)研究等，解決水下錨固基礎設計、施工、監(jiān)測過程中關(guān)鍵技術(shù)難題，為深遠海漂浮式風電的應用奠定基礎。目前正在開展的研究及取得的成果主要包括：

一、水下基礎制作與施工技術(shù)

（1）樁基

樁基適應多種條件地質(zhì)，深海平臺樁基設計方法與淺海相應結(jié)構(gòu)的設計方法基本相同。通常情況下，打入樁的造價會隨著水深的增加會大幅提高，這是樁基在在深遠海漂浮式風電應用中所存在的主要問題之一。此外，不同于深海石油平臺，海上風電機組結(jié)構(gòu)柔度大，自振周期長，樁基的剛度計算必須考慮循環(huán)荷載作用下剛度折減效應。同時海上風電機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來。

技術(shù)成熟度來看，目前樁基設計技術(shù)已經(jīng)比較成熟，國內(nèi)外都有關(guān)于樁基設計的相應規(guī)范，在深水油氣平臺中應用也較廣泛。樁基作為最常見的水工基礎型式，在國內(nèi)擁有豐富的施工經(jīng)驗，一般以鋼管樁為主，鋼管樁的突出優(yōu)點是制作方便、重量輕、施工速度快、以及在循環(huán)荷載下具有較強的抗疲勞特性，并且對于鋼結(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置臨時施工平臺和打設鋼套筒，施工時間較長，施工受限因素較多。

水下沉樁示意圖

（2）吸力錨

根據(jù)調(diào)研的國外TLP吸力錨基礎應用情況，吸力錨基礎在淤泥質(zhì)軟黏土中具有良好的工作性能。目前，吸力錨已經(jīng)被成功地應用于多種海工結(jié)構(gòu)，如海上石油平臺、海底保護結(jié)構(gòu)、軍艦海上系泊和補給等。吸力錨特別適合于軟黏土海底地基，在經(jīng)濟技術(shù)性能上具有幾個顯著特點：材料和制造成本低、海上安裝工期短、不需要打樁設備、抗拔性能卓越、就位準確等。國內(nèi)沒有吸力錨基礎的設計的規(guī)范可以遵循，挪威船級社（DNV）規(guī)范的規(guī)定較為粗略，相當一部分關(guān)鍵參數(shù)的選擇上缺乏參照，因此吸力錨基礎國內(nèi)的技術(shù)成熟度不足，還應開展更加深入的研究。

吸力錨錨固基礎

在吸力錨應用中，主要有兩個關(guān)鍵問題需要解決：一是吸力錨的可沉入性研究，主要解決基礎能否沉入預定的設計深度；二是吸力錨的承載性能，對于TLP錨泊系統(tǒng)，由于荷載角度與水平向夾角較大，吸力錨的承載力計算一般以豎向抗拔承載力作為控制標準。目前，上海港灣院正在開展吸力錨基礎的沉貫機理和承載特性研究，解決吸力錨在風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，提出抗拔承載力計算方法，為吸力錨基礎的工程應用奠定基礎。

（3）重力式基礎

重力式基礎通常為淺基礎，主要應用于混凝土平臺。其最大特點是材料成本相對較低，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的砂土，并且一般常應用于水深在100～200 m范圍內(nèi)的海域。在現(xiàn)階段的深海石油平臺中，重力式基礎在不設樁基的條件下，可依靠自身重量承擔上部平臺的抗拔力，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)劃中風電場鄰近海域的某一地質(zhì)鉆孔表層土為粉細砂，在這種地質(zhì)條件下，重力式基礎具有較好的經(jīng)濟性和適用性。

重力式基礎示意圖

二、筋鍵專題研究

TLP漂浮式平臺結(jié)構(gòu)中筋腱就成了重中之重，難中之難。國內(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)，并形成自主知識產(chǎn)權(quán)，擺脫國外的技術(shù)封鎖和專利壁壘，只有深入開展研究，尋求解決方案?；诮铍斓闹攸c性，我院成立專題研究小組，針對筋腱和筋腱材料選型開展重點研究。

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、平臺形式及受載荷性情，綜合分析了復合纖維繩（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漂浮式風電筋腱材料的適用性，確立了帶護套單股鋼絲繩和鋼管作為TLP漂浮式風電筋腱材料作為后期重點研究方向。

筋腱連接器方案

同時上海港灣院還提出了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云平臺技術(shù)的漂浮式風電筋腱應力松弛遠程自動監(jiān)控系統(tǒng)方案，可建立專用的信息管理平臺，對所有安全監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲、管理、維護與分析，在無人值守的條件下全面、準確、實時地獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，客觀地反映實際的漂浮式風電筋腱應力松弛的狀況，為設計人員和管理者的科學決策提供依據(jù)。

漂浮式風電系統(tǒng)力筋應力松弛監(jiān)測單元