63米高的鋼鐵巨人穩(wěn)坐海底，中國海上風(fēng)電基礎(chǔ)技術(shù)迎來革命性突破

摘要：本文系統(tǒng)介紹了海上風(fēng)電吸力式筒型基礎(chǔ)的技術(shù)原理、主要結(jié)構(gòu)類型（單筒型、多筒導(dǎo)管架型、單筒多艙復(fù)合型）、設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)（下沉阻力計(jì)算、臨界吸力控制、復(fù)雜土層響應(yīng)）、施工工藝與挑戰(zhàn)（協(xié)調(diào)貫入、灌漿連接、水平度控制、土塞隆起防治、結(jié)構(gòu)變形控制）、創(chuàng)新解決方案（分艙調(diào)平、高壓水射流、組合結(jié)構(gòu)）以及國內(nèi)外典型工程應(yīng)用案例（三峽陽江沙扒、江蘇大豐、英國Hywind Scotland）。重點(diǎn)分析了該技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高效、環(huán)保、低成本海上風(fēng)電建設(shè)方面的優(yōu)勢（節(jié)約鋼材、施工便捷、無噪音、可重復(fù)利用），并探討了在復(fù)雜地質(zhì)條件下面臨的關(guān)鍵問題（下沉阻力預(yù)測、臨界吸力控制、土塞響應(yīng)模式、結(jié)構(gòu)屈曲風(fēng)險(xiǎn)）及其應(yīng)對策略與發(fā)展趨勢（超大型化、深水應(yīng)用、智能化施工）。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；吸力式筒型基礎(chǔ)；負(fù)壓下沉；筒型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)；下沉阻力；臨界吸力；土塞響應(yīng)；調(diào)平技術(shù)；結(jié)構(gòu)屈曲；灌漿連接；三峽陽江沙扒項(xiàng)目；單筒多艙復(fù)合型基礎(chǔ)；多筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)；一步式安裝

2020年8月，廣東陽江海域，一個(gè)相當(dāng)于20層樓高、重達(dá)1560噸的鋼鐵巨人在4000噸起重船“華天龍”的精準(zhǔn)操控下緩緩沉入海底——這是三峽陽江沙扒海上風(fēng)電項(xiàng)目成功安裝的國內(nèi)首臺吸力筒導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)。

它的成功標(biāo)志著中國一舉突破了海上風(fēng)電基礎(chǔ)技術(shù)的國際壁壘，開創(chuàng)了國內(nèi)吸力筒基礎(chǔ)應(yīng)用的先河。

吸力筒基礎(chǔ)作為海上風(fēng)電領(lǐng)域的革命性技術(shù)，以其施工便捷、環(huán)保低噪、可重復(fù)利用等優(yōu)勢，正在全球范圍內(nèi)快速發(fā)展。與傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)相比，這種基礎(chǔ)無需大型打樁設(shè)備，僅依靠“負(fù)壓”原理即可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)下沉安裝，如同巨大的“海底拔火罐”。

01 技術(shù)原理與核心優(yōu)勢

吸力式筒型基礎(chǔ)是一種底端開口、頂端閉口的大直徑筒形結(jié)構(gòu)，主要利用淺層土承載能力和負(fù)壓下沉原理工作。其工作過程分為兩個(gè)階段：自重下沉階段和吸力下沉階段。

在自重下沉階段，基礎(chǔ)依靠自身重量初步貫入海床；在吸力下沉階段，通過泵抽出筒內(nèi)水體形成負(fù)壓（低于大氣壓），利用內(nèi)外壓差驅(qū)動基礎(chǔ)進(jìn)一步下沉至設(shè)計(jì)深度。

這一看似簡單的物理原理背后，蘊(yùn)含著復(fù)雜的土-水-結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)制。在砂土中，吸力引起的滲流效應(yīng)會顯著影響下沉阻力；而在粘土層中，則需要考慮土體固結(jié)和強(qiáng)度變化。

吸力筒基礎(chǔ)的核心優(yōu)勢體現(xiàn)在三個(gè)方面：

經(jīng)濟(jì)性：比傳統(tǒng)單樁基礎(chǔ)節(jié)約鋼材25%以上，降低基礎(chǔ)材料成本最高可達(dá)13%。

環(huán)保性：安裝過程噪音極小，無需打樁作業(yè)，減少對海洋生物干擾，運(yùn)行結(jié)束后可整體拆除。

施工高效：海上安裝時(shí)間可縮短至7小時(shí)以內(nèi)，且不受天氣窗口期嚴(yán)格限制。

02 吸力筒基礎(chǔ)主要結(jié)構(gòu)類型

隨著技術(shù)發(fā)展，吸力筒基礎(chǔ)已演化出多種結(jié)構(gòu)形式，適應(yīng)不同海域條件和風(fēng)機(jī)需求。

單筒型基礎(chǔ)是最早應(yīng)用的型式，結(jié)構(gòu)簡單，適用于較淺水深和小容量風(fēng)機(jī)。但抗傾覆能力有限，在德國Wilhelmshaven風(fēng)電場曾發(fā)生直徑16m的吸力筒在貫入過程中負(fù)壓屈曲失效的案例。

海上風(fēng)電筒型基礎(chǔ)

多筒導(dǎo)管架型基礎(chǔ)由三個(gè)或更多吸力筒通過撐桿連接成三角形或矩形布置，上部支撐導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)。這種型式在三峽陽江項(xiàng)目中首次應(yīng)用，由3個(gè)直徑13m、高11m的吸力筒和52m高的導(dǎo)管架組成，總高達(dá)63m。

相鄰?fù)残突A(chǔ)之間設(shè)有多根撐桿，組成的限位鋼架可作為永久結(jié)構(gòu)或臨時(shí)可拆卸結(jié)構(gòu)。這種分布式設(shè)計(jì)將總體結(jié)構(gòu)重量分解，降低了對施工船舶吊裝能力的要求。

單筒多艙復(fù)合型基礎(chǔ)由中國天津大學(xué)與道達(dá)公司聯(lián)合研發(fā)，是技術(shù)創(chuàng)新的代表。這種基礎(chǔ)采用混凝土-鋼板-鋼筋-預(yù)應(yīng)力鋼絞線組合體系，直徑可達(dá)25-40m，高度6-15m，重量2000-4000噸。

單筒多艙型復(fù)合筒型基礎(chǔ)

其核心創(chuàng)新在于筒內(nèi)蜂窩狀分艙結(jié)構(gòu)，不僅實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自浮拖航，還能通過各艙室施加不同吸力實(shí)現(xiàn)下沉精細(xì)調(diào)平。這種基礎(chǔ)可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)-塔筒-風(fēng)機(jī)的一步式整機(jī)安裝，大幅縮短海上作業(yè)時(shí)間。

海上風(fēng)電復(fù)合筒型基礎(chǔ)-塔筒-風(fēng)機(jī)一步式安裝技術(shù)示意

03 設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)突破

吸力筒基礎(chǔ)設(shè)計(jì)面臨的核心挑戰(zhàn)是下沉阻力預(yù)測與臨界吸力控制。在復(fù)雜海床地質(zhì)條件下，這一問題尤為突出。

下沉阻力計(jì)算是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。目前國際上有多種計(jì)算方法：API方法適用于基礎(chǔ)靜力壓入；HB方法考慮了吸力下沉過程中筒裙端阻力和筒壁內(nèi)外摩阻力的變化；DNV、SR、NGI方法則基于CPT貫入阻力qc計(jì)算。

砂土中筒型基礎(chǔ)下沉阻力公式表

中國研究者提出創(chuàng)新的“筒蓋+筒壁外側(cè)摩阻力”承載模式，經(jīng)驗(yàn)證符合DNV-OS-J101規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。采用這一模式設(shè)計(jì)吸力筒尺寸，可降低13%的基礎(chǔ)材料成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

臨界吸力控制關(guān)系到施工安全。當(dāng)吸力過大時(shí)，可能導(dǎo)致筒內(nèi)土塞隆起或管涌現(xiàn)象，使安裝失敗。研究表明，在砂土中，臨界吸力隨筒內(nèi)外土體滲透系數(shù)比（kfac）增加而提高——當(dāng)kfac由1增加到3時(shí)，臨界吸力可提高30%-50%。

筒型基礎(chǔ)臨界吸力公式表

對于復(fù)雜層狀土（如粘土/砂土互層），設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)更大。研究發(fā)現(xiàn)，薄粘土層可能發(fā)生開裂（模式I），而較厚粘土層則可能整體上移（模式II）。在粉土/砂土層中，甚至可能出現(xiàn)土塞液化現(xiàn)象。準(zhǔn)確預(yù)測這些響應(yīng)模式是安全施工的關(guān)鍵。

04 施工工藝與核心挑戰(zhàn)

吸力筒基礎(chǔ)的施工是技術(shù)實(shí)現(xiàn)的最終環(huán)節(jié)，涉及精準(zhǔn)的海洋作業(yè)和復(fù)雜的過程控制。

協(xié)調(diào)貫入施工是首要步驟。三峽陽江項(xiàng)目采用專用工裝結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)控制吸力筒內(nèi)外壓差，保持水平度，使基礎(chǔ)在緩慢下沉過程中達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。施工中，筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的撐桿鋼架起到關(guān)鍵定位支撐作用，可采用焊接或可拆卸設(shè)計(jì)。

灌漿連接技術(shù)是確保結(jié)構(gòu)整體性的關(guān)鍵。在三峽項(xiàng)目中，吸力筒直徑達(dá)13米，筒頂距離泥面0.5米，單筒理論灌漿量達(dá)66.3立方米。施工采用具有高流動性、自密實(shí)特性的專用灌漿材料，確保填充密實(shí)。

灌漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)極為精密：包括1個(gè)直徑400mm的主灌漿管、2根備用灌漿管、1個(gè)出漿口。所有管線接頭位于吸力筒頂以上2米處，通過法蘭與DN65球閥連接。灌漿作業(yè)由潛水員水下配合完成，難度極高。

施工中面臨的主要挑戰(zhàn)包括：

水平度控制：風(fēng)機(jī)運(yùn)行要求基礎(chǔ)傾斜度小于0.5°，需通過高壓水射流或分艙吸力調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)平

土塞隆起防治：在砂土層中，吸力過大易引發(fā)筒內(nèi)土塞隆起，需控制下沉速度與吸力值

多層土貫入：在粘土/砂土互層海域，需動態(tài)調(diào)整施工參數(shù)應(yīng)對不同土層阻力變化

結(jié)構(gòu)變形控制：薄壁筒體在負(fù)壓下易變形，三峽項(xiàng)目要求筒體直徑誤差不超過2毫米

05 創(chuàng)新解決方案與發(fā)展趨勢

面對技術(shù)挑戰(zhàn)，中國研究機(jī)構(gòu)和工程企業(yè)提出了多項(xiàng)創(chuàng)新解決方案。

筒內(nèi)分艙調(diào)平技術(shù)是天津大學(xué)的創(chuàng)新成果。通過將大直徑單筒分隔為多個(gè)獨(dú)立艙室，施工時(shí)可對各艙室施加不同吸力，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)水平度精確控制。這一技術(shù)已在江蘇大豐海上風(fēng)電場應(yīng)用于11臺3.3MW和2臺6.45MW風(fēng)機(jī)。

鋼制筒壁單筒多艙型復(fù)合筒型基礎(chǔ)下沉調(diào)平示意

高壓水射流輔助系統(tǒng)是應(yīng)對復(fù)雜土層的有效手段。通過在筒裙端部設(shè)置噴水裝置，可局部降低端阻和側(cè)摩阻力，不僅能促進(jìn)下沉，還能輔助調(diào)平。但需精確控制水流，避免增加筒內(nèi)水力梯度導(dǎo)致提前管涌。

單筒8~16根高壓水噴射聯(lián)合吸力沉放工程應(yīng)用

組合結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是重慶大學(xué)研發(fā)的新方向。將中央樁與吸力筒結(jié)合，筒壁、頂蓋和分倉板采用雙層鋼板混凝土結(jié)構(gòu)，鋼板與混凝土接觸面焊接栓釘加強(qiáng)連接。這種組合結(jié)構(gòu)既保留吸力筒優(yōu)勢，又提高整體剛度和抗傾覆能力，特別適用于軟粘土海域。

未來吸力筒技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)三大趨勢：

超大型化：適應(yīng)8-10MW及以上大容量風(fēng)機(jī)，直徑突破20米

深水應(yīng)用：工作水深從30米向50-60米邁進(jìn)

智能化施工：集成傳感器與自動控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)下沉過程精準(zhǔn)調(diào)控

06 國內(nèi)典型工程案例

三峽陽江沙扒300MW項(xiàng)目是中國吸力筒技術(shù)的里程碑。2020年8月，該項(xiàng)目成功安裝國內(nèi)首臺吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)，采用三筒導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，總高63米，總重1560噸。施工中克服了復(fù)雜地質(zhì)條件和臺風(fēng)影響，為后續(xù)項(xiàng)目積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

該項(xiàng)目位于廣東省陽江市陽西縣沙扒鎮(zhèn)海域，水深27-32米，共安裝55臺5.5MW風(fēng)機(jī)。除吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)外，還創(chuàng)新應(yīng)用了3臺單柱復(fù)合筒基礎(chǔ)。在二、三、四、五期項(xiàng)目中，將進(jìn)一步應(yīng)用約38臺單柱復(fù)合筒基礎(chǔ)和8臺吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)。

江蘇大豐海上風(fēng)電場是單筒多艙復(fù)合型基礎(chǔ)的試驗(yàn)場。該項(xiàng)目采用天津大學(xué)研發(fā)的技術(shù)，安裝11臺3.3MW和2臺6.45MW復(fù)合筒型基礎(chǔ)風(fēng)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)-塔筒-風(fēng)機(jī)的“一步式”整機(jī)安裝。整體拖航距離達(dá)281海里，下沉施工僅需8小時(shí)，水平度控制達(dá)萬分之三。

浮式風(fēng)電錨泊應(yīng)用是吸力筒技術(shù)的延伸。2017年，英國Hywind Scotland浮式風(fēng)電場采用5臺6MW風(fēng)機(jī)，每個(gè)浮式平臺由三個(gè)吸力錨固定。這種應(yīng)用方式為深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)提供了技術(shù)路徑，中國相關(guān)研究也已展開。

隨著三峽陽江沙扒二期至五期項(xiàng)目的推進(jìn)，38臺單柱復(fù)合筒及8臺吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)將陸續(xù)矗立在中國南海。這種新型基礎(chǔ)技術(shù)正從試驗(yàn)走向規(guī)模化應(yīng)用。

在江蘇大豐海域，單筒多艙復(fù)合型基礎(chǔ)已實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)-塔筒-風(fēng)機(jī)的“一步式”整機(jī)安裝，單臺施工時(shí)間縮短至驚人的8小時(shí)。技術(shù)突破帶來成本效益的革命：比傳統(tǒng)單樁節(jié)約鋼材25%，降低基礎(chǔ)材料成本13%，安裝效率提升三倍以上。

討論話題：

您認(rèn)為吸力筒技術(shù)能否成為中國深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)的“突破口”？

在復(fù)雜地質(zhì)條件下，吸力筒施工面臨哪些特殊挑戰(zhàn)？

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