風(fēng)電一直保持著世界能源領(lǐng)域增長最快的地位。在海上風(fēng)電方面，中國東部沿海的海上可開發(fā)風(fēng)能資源約達7.5億千瓦，不僅資源潛力巨大且開發(fā)利用市場條件良好，只是由于中國沿海經(jīng)常受到臺風(fēng)影響，建設(shè)條件較國外更為復(fù)雜。海上風(fēng)電目前定義為離岸10km，水深10m的外海，需在海上立起塔架結(jié)構(gòu)，在上部安裝運行風(fēng)機。
海上風(fēng)電施工復(fù)雜，影響因素多、施工難度大、調(diào)整成本高，因此根據(jù)實際自然條件不同，設(shè)計方案也會產(chǎn)生較大的差別。海上風(fēng)電項目大致分為以下幾個部分：
01 自然條件勘察
海上風(fēng)電場都是離岸施工，工作場地遠離陸地，受海洋環(huán)境影響較大，可施工作業(yè)時間偏短，因此施工承包商要根據(jù)工程區(qū)域海洋環(huán)境特點，選擇施工設(shè)備、確定施工窗口期、制定施工工藝和對策，才能更好地完成本工程。
在海底工程施工前，除要對水域、氣象等條件進行統(tǒng)計和實測外，還要詳細(xì)了解工程區(qū)海底各土層的土質(zhì)特征，求取各土層工程性質(zhì)指標(biāo)、確定樁基參數(shù)等。海床靜力觸探系統(tǒng)是海底土力學(xué)調(diào)查的重要手段，具有快速、準(zhǔn)確的優(yōu)點。
Geomil海床靜力觸探
海床靜力觸探(CPT)試驗系統(tǒng)MANTA-200是一種重型的水下靜力觸探(CPT)系統(tǒng)，是目前新型的海床靜力觸探(CPT)試驗系統(tǒng)，其獨特的鏈?zhǔn)津?qū)動設(shè)計，帶來了海洋靜力觸探系統(tǒng)的令人想像不到的改變?？煽焖?、精確地測試離岸海底土層力學(xué)性質(zhì)，可以在500m以上水深地近岸環(huán)境中使用，最大可以在4000m水深地離岸環(huán)境中使用。
Meridata MD DSS 多模式水下綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
該系統(tǒng)支持多種聲學(xué)模式的操作方式，可以廣泛用于沙灘、河口、海岸帶及大陸架等處的沉積及淺層剖面測量。系統(tǒng)針對于來自各種聲源發(fā)射的不同的聲學(xué)信號，系統(tǒng)能夠生成用戶自定義的各種輸出成果。此外，它還可以接收、處理、記錄并形象地顯示聲學(xué)反射信號。同時，系統(tǒng)也可以將這些回聲探測數(shù)據(jù)與對應(yīng)的包括測量船實時位置在內(nèi)的各種數(shù)據(jù)同步存儲起來。
RG 可再生能源測井系統(tǒng)
RG可再生能源測井系統(tǒng)適用于風(fēng)電設(shè)施的地質(zhì)勘察工作，采用P-S數(shù)字懸掛探頭，可在惡劣環(huán)境中的持續(xù)工作; 已成功部署在海洋地質(zhì)勘探中，并收集全球數(shù)千個海岸鉆孔的數(shù)據(jù)。
Geotomographie跨孔地震成像系統(tǒng)、波速測試系統(tǒng)
探測地下巖溶、古洞、空洞、埋設(shè)物、礦區(qū)采空區(qū)；查明地下構(gòu)造、滲透帶、水流通道和方位，圈定破碎帶位置和范圍；建筑物地基、鐵路公路路基等不良地質(zhì)體檢測，水電站、核電站選址勘查；樁基質(zhì)量檢測、庫壩灌漿帷幕和高噴防滲板墻質(zhì)量檢測，水庫、壩基檢漏等。
在獲得施工海域詳細(xì)自然條件信息后，要根據(jù)實際施工條件設(shè)計合理、可靠的風(fēng)機施工方案。其中風(fēng)電機基礎(chǔ)設(shè)計是風(fēng)電場設(shè)計中的重要組成部分,其造價與其安全性又關(guān)系著整個風(fēng)電場的生存。資料顯示，歐洲已建成海上風(fēng)電場中，地基基礎(chǔ)體系的資本比例占到百分之二十,風(fēng)電機組由于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)因素而導(dǎo)致的破壞占到總破壞量值的百分之十八。因此，對風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的研究與離岸測試實驗必不可少。
02 離岸測試與設(shè)計
海上風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)兼具高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、海洋結(jié)構(gòu)工程、動力設(shè)備基礎(chǔ)以及復(fù)雜軟土地基四種特性。風(fēng)機基礎(chǔ)需要承受360°重復(fù)荷載，且具有大偏心受力特性,風(fēng)機基礎(chǔ)同時承受豎向荷載、水平荷載、傾覆彎矩以及扭矩的共同作用,水平荷載,豎向荷載和力矩共同作用的加載方式稱為復(fù)合加載模式,在此種復(fù)合加載模式下建筑物及其地基的整體穩(wěn)定極限承載力是工程設(shè)計中的關(guān)鍵問題。
可以復(fù)制應(yīng)用于海上能源結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)土壤的二維和三維靜態(tài)和動態(tài)循環(huán)荷載系統(tǒng)是驗證風(fēng)機基礎(chǔ)的有效手段。這些系統(tǒng)包括三軸和直接簡單剪切系統(tǒng)，可以確定海上土壤的循環(huán)強度，以及固結(jié)特性，使用局部傳感器的小應(yīng)變剛度測量，以及靜態(tài)不排水強度，以便在設(shè)計過程中進行評估。
GDS伺服電機控制的動態(tài)循環(huán)單剪試驗系統(tǒng)EMDCSS
EMDCSS電機控制的動態(tài)循環(huán)單剪設(shè)備可以很好地研究土的動態(tài)特性，因為它簡易而且可以模擬現(xiàn)場的許多加載條件，而這些特點是其它實驗室設(shè)備所無法達到的。EMDCSS設(shè)備可以讓主應(yīng)力的方向平穩(wěn)和連續(xù)地旋轉(zhuǎn)90度。模擬主應(yīng)力旋轉(zhuǎn)的能力可以適合研究許多巖土問題，包括地震荷載。該單剪試驗系統(tǒng)可以直接研究排水和不排水條件下的剪切應(yīng)力和剪切應(yīng)變的關(guān)系，也可以用于海底結(jié)構(gòu)，滑坡和地震性能研究的常規(guī)試驗。
GDS多向動態(tài)循環(huán)單剪系統(tǒng)VDDCSS
VDDCSS允許兩個方向進行簡單剪切，而不是標(biāo)準(zhǔn)單向。這通過具有作用于其上的次級剪切作動器來實現(xiàn)，此剪切作動器與主剪切作動器相差90度。
當(dāng)用作變向系統(tǒng)時，次剪切軸可以獨立于主剪切軸或與其一起使用，因此可以在任何水平方向上執(zhí)行簡單的剪切。近似于海上結(jié)構(gòu)可能由于風(fēng)和波浪載荷組合形成的復(fù)雜載荷模式。
GDS多維復(fù)合動態(tài)循環(huán)單剪實驗系統(tǒng)MDDCSS
MDDCSS提供了一種用于測試土樣的系統(tǒng)，土樣可能隨時間改變剪切荷載方向。這包括各種海上基礎(chǔ)設(shè)施，附風(fēng)力發(fā)電機和石油鉆機。
MDDCSS還可以模擬在一個方向上偏移并在另一個方向上加荷的情況。
03 施工設(shè)備選擇
風(fēng)機基礎(chǔ)鋼管樁直徑大、使用荷載大，對沉樁標(biāo)準(zhǔn)要求高。施工中采用的打樁船的樁錘、打樁架高度、起吊能力、抗風(fēng)浪能力等技術(shù)參數(shù)必須滿足設(shè)計和施工要求，尤其是樁錘的選型，力求一步到位，盡量減少選擇樁錘過程中所做的“無用功”，以降低施工成本、保證工程質(zhì)量。
目前大型的海上錘擊沉樁機械主要有筒式柴油打樁錘、液壓打樁錘、振動錘三種型式，根據(jù)工程施工要求，土質(zhì)情況及承載力要求，在施工前，采用模擬打樁過程軟件，選擇合適的打樁錘及打樁系統(tǒng)，能夠在一定程度上提高施工效率，降低施工成本，尤其是避免因錯誤選錘而造成的失誤成本。
PDI 精確模擬打樁過程軟件GRLWEAP 2010
GRLWEAP2010海工版適用于海上非均勻樁和斜樁的打樁分析。
*通過GRLWEAP打樁波動方程分析程序，分析并模擬打樁過程。GRLWEAP的波動方程被廣泛用于沉樁分析。對于已知的樁身參數(shù)、土質(zhì)情況及承載力要求,GRLWEAP可以幫助選擇合適的打樁錘和打樁系統(tǒng)。
*GRLWEAP2010可在互聯(lián)網(wǎng)訪問自帶錘數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中擁有800多個型號的打樁錘數(shù)以及大量的打樁系統(tǒng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫可定期更新。
*對于給定的樁錘系統(tǒng),GRLWEAP可依據(jù)觀測的錘擊數(shù)預(yù)測打樁阻力、樁身動應(yīng)力及預(yù)估承載力。
*GRLWEAP可打性分析可確定打樁過程中樁身應(yīng)力和錘擊數(shù)是否超限或拒錘。
GRLWEAP能估計總打入時間。
04 風(fēng)機基礎(chǔ)施工
海上風(fēng)機塔架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)具有重心高、承受水平力和彎矩較大等受力特點，且與海床地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況、海上風(fēng)和浪的荷載以及海流等諸多因素有關(guān)，同時海上施工條件復(fù)雜，受安裝、施工設(shè)備能力的影響很大，設(shè)備的使用和調(diào)遣費用也非常昂貴。因此，海上風(fēng)電機組的基礎(chǔ)被認(rèn)為是造成海上風(fēng)電成本較高的主要因素之一。合理選擇基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式對結(jié)構(gòu)安全、施工難易程度及工程造價具有重要影響。
國外海上風(fēng)機基礎(chǔ)一般有單樁、重力式、導(dǎo)管架、吸力式、漂浮式等基礎(chǔ)型式。國內(nèi)多采用混凝土高樁承臺基礎(chǔ)、混凝土低樁承臺、導(dǎo)管架及單樁等基礎(chǔ)型式。這幾種基礎(chǔ)形式主要涉及鋼管樁沉樁施工及承臺施工兩部分。
鋼管樁在施工過程中，也存在著許多的不確定因素，有可能對施工安全及承載力控制等造成影響。因此，建議在鋼管樁施工過程中，使用高應(yīng)變設(shè)備，對打樁過程進行監(jiān)控，這樣就可以對施工過程中，樁身的應(yīng)力，錘擊能量，實時承載力等信息進行監(jiān)測；另外，如果對同一根樁做過GRLWEAP打樁模擬分析，還可將高應(yīng)變實測數(shù)據(jù)與之進行對比，對GRLWEAP模擬分析進行優(yōu)化，并可指導(dǎo)后續(xù)樁基礎(chǔ)的模擬分析。
相比陸地上的高應(yīng)變測試，海上高應(yīng)變測試的操作難度更高，不過，由于打樁錘的錘擊能量大，錘擊對中好，所以其實海上高應(yīng)變測試總體效果是非常理想的，來自全球各地的用戶已經(jīng)充分證明了這一點。另外，海上高應(yīng)變測試經(jīng)常會涉及到樁頭位于水面以下的情況，這就會給測試帶來一定的困難，因為在這種情況下，傳感器要位于水下，深度可能會達到幾十米，甚至上百米，這對傳感器的防水性，以及對海水的抗腐蝕性能提出了很高的要求；再者，這種情況下，主電纜的長度往往都超過100米，有時甚至需要兩三百米，這又對由于電纜過長造成的電壓損失補償提出了要求，以保證測試信號的穩(wěn)定性及可靠性。PDI委托Seacon公司生產(chǎn)的水下傳感器能夠勝任這樣的工況，并已經(jīng)過大量實踐證明其可靠性。只不過，由于水深較深，傳感器無法回收，檢測成本相對會比較大，但考慮高應(yīng)變測試帶來的巨大作用，還是值得的。
PDI高應(yīng)變打樁分析儀PDA-8G&水下應(yīng)變和加速度傳感器
PDA-8G可用于評估樁身承載力及其完整性。對于現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)還需使用CAPWAP擬合軟件進一步分析，分析得出的結(jié)果與靜載荷試驗有著良好的相關(guān)性。
PDI淺水（100米以下）和深水（300米以下，Seacon生產(chǎn)）防水型力傳感器和加速度傳感器與PDA-8G打樁分析儀相配合，能夠?qū)崿F(xiàn)海上打樁高應(yīng)變動測。
承臺起著承上啟下的作用，上接風(fēng)機塔筒過渡段，下接樁基，風(fēng)機承受的巨大荷載通過塔筒傳遞給承臺，還需承受臺風(fēng)期巨大的波浪力，承臺受力復(fù)雜且荷載大，承臺施工質(zhì)量直接關(guān)系到上部風(fēng)機的安全。
此外承臺屬于大體積混凝土，容易因水化熱出現(xiàn)溫度裂縫，模板的支立，倉面砼澆筑管理、施工冷縫和溫控裂縫等較難控制，并且砼攪拌船海上施工作業(yè)容易受風(fēng)浪影響。
05 機組結(jié)構(gòu)檢測
風(fēng)機設(shè)備海上安裝是風(fēng)機安裝工作中最為重要的內(nèi)容，經(jīng)過對國內(nèi)外風(fēng)電場建設(shè)的調(diào)查了解，根據(jù)風(fēng)機零散設(shè)備的預(yù)拼裝程度與起吊模式，可將風(fēng)機吊裝方案分為整體組裝與吊裝模式、分體組裝與吊裝模式。
風(fēng)機塔筒及風(fēng)機葉片是風(fēng)電機組的重要組成部分，其安裝質(zhì)量的好壞直接關(guān)系著工程的整體質(zhì)量。
風(fēng)機塔筒屬于金屬構(gòu)件，采用的鋼管樁直徑較大，鋼材材質(zhì)為低合金高強度鋼，鋼材的卷制和焊接施工難度較大，縱向焊縫與環(huán)向焊縫又是塔筒的關(guān)鍵部位，焊接質(zhì)量不易控制，因此無論是在生產(chǎn)過程中還是安裝后都需要進行無損探傷檢測。
風(fēng)機葉片產(chǎn)生缺陷的原因是多方面的，在生產(chǎn)制造過程中，會出現(xiàn)孔隙、分層和夾雜等典型缺陷。此外，葉片在運輸和安裝過程中，由于葉片本身尺寸和自重較大而且具有一定的彈性。因此，一定要做好保護葉片的工作，以防產(chǎn)生內(nèi)部損傷。
06 運行安全監(jiān)測
海上風(fēng)電工程的安全監(jiān)測主要包括風(fēng)機基礎(chǔ)與導(dǎo)管架的受力狀態(tài)、變形特征與在環(huán)境荷載（臺風(fēng)、海浪、地震）作用下的動態(tài)響應(yīng)。
-
記錄風(fēng)機支撐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)載荷特性，確保其穩(wěn)定性。
-
記錄環(huán)境載荷（臺風(fēng)、海浪、地震）對風(fēng)機基礎(chǔ)的影響并進行相應(yīng)的安全性評估。
-
為近海風(fēng)機基礎(chǔ)的設(shè)計和研究提供參考依據(jù)。
