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，也可以不占據岸線和航道資源，減少或避免對沿海工業(yè)生產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

根據不同的水深條件采用合適的基礎結構型式，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。漂浮式結構成為在深遠海域海上風電場基礎結構型式的首選，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、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。它通過自身的結構形式，產生遠大于結構自重的浮力，浮力除了抵消自重之外，剩余部分與張力腿產生的預張力相平衡。當它在環(huán)境載荷作用下偏離中心位置時，則依靠張力腿產生的側向力使其固定在原本位置上，而側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，結構慣性力主要是水平方向的回彈力。TLP具有結構剛度高、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。研究內容主要聚焦水下錨固基礎、系泊系統等方面，研究目標是通過開展理論分析、試驗研究、關鍵裝備開發(fā)、施工技術研究等，解決水下錨固基礎設計、施工、監(jiān)測過程中關鍵技術難題，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

（1）樁基

樁基適應多種條件地質，深海平臺樁基設計方法與淺海相應結構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，海上風電機組結構柔度大，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，大尺寸樁基的側向剛度問題也必須考慮進來。

技術成熟度來看，目前樁基設計技術已經比較成熟，國內外都有關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，在國內擁有豐富的施工經驗，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，并且對于鋼結構的防腐蝕技術也已經較為成熟。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

根據調研的國外TLP吸力錨基礎應用情況，吸力錨基礎在淤泥質軟黏土中具有良好的工作性能。目前，吸力錨已經被成功地應用于多種海工結構，如海上石油平臺、海底保護結構、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，在經濟技術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，相當一部分關鍵參數的選擇上缺乏參照，因此吸力錨基礎國內的技術成熟度不足，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，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、錨內土體穩(wěn)定性等關鍵技術問題，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范圍內的海域。在現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。但在相關前期調查中發(fā)現規(guī)劃中風電場鄰近海域的某一地質鉆孔表層土為粉細砂，在這種地質條件下，重力式基礎具有較好的經濟性和適用性。

重力式基礎示意圖

二、筋鍵專題研究

TLP漂浮式平臺結構中筋腱就成了重中之重，難中之難。國內目前沒有任何這方面的研究，關鍵技術全都掌握在國外少數幾家公司手里。若要使用，掌握其關鍵技術，并形成自主知識產權，擺脫國外的技術封鎖和專利壁壘，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網技術和云平臺技術的漂浮式風電筋腱應力松弛遠程自動監(jiān)控系統方案，可建立專用的信息管理平臺，對所有安全監(jiān)測數據進行統一存儲、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)測數據，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。

漂浮式風電系統力筋應力松弛監(jiān)測單元