三峡上海院林毅峰：新形势下海上风电机组支撑结构及地基基础设计创新与优化

2019年12月6日-8日，由中国海洋工程咨询协会海上风电分会主办的“2019中国海上风电工程技术大会”在北京召开。500位国内外海上风电专家学者相约首都，发表主题报告及专题研讨，并同期举办“2019年海上风电工程技术奖颁奖典礼”，表彰海上风电工程技术领域的优秀单位、个人，揭晓并颁发2019年度最具影响力的开发、设计、施工、运维、监理等工程技术奖项。

上海勘测设计研究院副总工程师林毅峰出席大会并发表了题为《新形势下海上风电机组支撑结构及地基基础设计创新与优化》的主旨演讲。

以下为发言内容：

林毅峰：我下面对大家非常关心整个风电支撑结构和基础做个交流。首先阐述一下目前我们国家海上风电的新形势以及现状，第二、三部分是核心内容，主要是大家非常关心的支撑结构的设计优化和创新，谈一下基本原则和可实行的路径。

一、海上风电新形势与现状。

这部分早上的主题中涉及的比较多了，整个形势和现状就是一句话，现在降本增效电价退坡的压力越来越大，我们建设环境条件越来越复杂，这两个矛盾是目前我们设计院整个建设单位去迫切解决的事情。

这几年全球海上风电平准化度电成本下降趋势还是比较明显的，这是国外咨询公司做的预测，欧洲像荷兰、英国这几年整个平准化度电成本下降非常快。我们国内对于整个风电电价退坡和政策压力越来越大，政策层面去年国家出台了整个风电竞价上网政策，这是国家政策对海上风电行业提出了更高要求，设计院的角度来看对整个技术的先进性、降本增效的压力越来越大，现在整个风场建设还是要围绕技术方案的先进性来约束整个风场的先进性，从而把整个电价实实在在降下来，降本增效成为了当前和未来我们海上风电发展根本的途径。提到降本增效很多投资商会把主业放在支撑结构和基础上，相对于其他海上风电建设要素来讲，整个海上风电支撑结构和基础因为建设边界条件比较复杂，意味着它调整的余地和压缩的空间比较大，现在整个海上风电基础成为我们整个降本增效非常重要的环节，从这个角度来讲我们分析一下国内的海上风电的建设条件发展现状，最主要的是从整个简单的单一往复杂的多样性发展，最近将近10年以来海上风电主要在江苏和上海建的比较多，这种情况下基本是打桩船过来打完单桩、打完混凝土平台就跑掉了，这种舒适的日子会越来越少，我们最近遇到非常多的是浅覆盖层，还有就是深远海，以广东、福建为代表的整个深远海的规划已经提上日程，广东的近海深水区水深在35米到50米规划了5700万千瓦的容量，福建已经出现了45米水深的风场，往深水发展是海上风电发展的趋势。海上风电除了在南边发展也要往北边拓展，目前我们环渤海地区以辽宁大连为主包括山东遇到了海冰问题，复杂的条件堆积在一起会导致建设条件发生非常大的变化。风场由目前单一10万、20万、30万往百万千瓦的连片发展，福建2017年三峡集团起动了漳浦和常乐两个210万的招标工作，目前广东阳江区也是百万千瓦级在连片开发。风电基础往大容量发展。

二、设计创新与优化的基本原则。

第一个原则是可靠性，所有工程一定要把可靠性摆在第一位，用可靠性约束设计优化，可靠性首先就是安全性，这个是毋庸置疑的，混凝土不能倒塌，耐久性和可维护性也非常重要，谈到设计优化、约束离不开设计标准，我们作为设计单位经常跟建设单位有一个互动，建设单位肯定想整个成本往下压，设计单位会想我们肯定也是有自己的约束，整个设计是有一个安全度的概念，这个安全度反映的是安全系数，这个反映了我们国家和行业标准技术和经济的现状，反映是技术发展水平和投资风险的程度，保证合理的安全度是我们工程建设的基本条件，这一块是我们应该要达成共识的。基于这个前提，设计优化的底线实际上对设计院来讲存在着如何正确理解和应用技术标准的事情，我们所有的技术规范规定了三块内容，第一块是要做什么（设计内容），第二块是怎么去做（方法），第三块是满足什么要求（标准约束），红线不能踩，目前设计标准特别是国家强条规定不能踩，设计院对一些规范比较模糊或者灵活的地方可以充分发挥主动性和灵活性把成本降下来，这是第一个基本原则。

第二个是系统性原则，现在优化我们不能着眼于一个点上的基础，整个基础的优化涉及到所有利益参与方，时间轴上来讲应该囊括到全生命周期，整个规划阶段要考虑到后面的优化包括海洋水纹测量、气象测量要为后面的优化做好准备，现在往往设计院到了后期想优化就没有条件了，因为前面没有有话好。还有就是整体目标明确打造利益共同体，涉及到施工方案的工艺我们要打造利益共同体，立足于整个基础造价的最优而不是我设计量工程量的最优，从整体的目标去形成利益共同体把整个成本降下来，这是两个原则。

三、设计创新和优化的途径。

整个设计创新与优化基本总结了三块，第一是结构体系创新，根据风电特点开发新的基础形势和工艺，这是属于大胆假设。第二是理论方法创新，通过理论方法创新突破共性的科学问题技术瓶颈，论证前面说的工艺是不是可行。第三是设计手段的创新，现在整个设计工具还是要通过一些精细化先进的设计工具把整个设计油水挤掉。

结构体系的创新，整个结构体系的创新就是整个新型基础的开发，国内经过了十多年的发展整个基础类型创新非常多，有八类，直接打入式桩，这个大家比较熟悉，江苏、上海用了很多大直径直接打入的单桩，这个非常简单，这种以后越来越少。最近几年几个热点的问题是针对福建、广东、辽宁这种浅覆盖层，浅覆盖层是土非常伯、岩面非常高，嵌岩桩是难点，最近提出大直径嵌岩单桩和群桩嵌岩。还有就是群桩嵌岩，这借鉴了国内海洋工程的方法，也提出直桩和斜桩，这在一些项目已经有过成功的应用了。即使在嵌岩桩上做了这么多工程实践结果还是有点令人沮丧的，在降本增效的前提下潜入岩桩遇到一些问题，整个大直径嵌岩桩非常稀缺，还有就是很难把里面孤石剥离清楚，如果一旦遇到孤石导致我的钢筒卷边就非常麻烦，遇到这种情况下我们原则就是岩石惹不起我们就躲开它。在这种背景下我们提出了结构创新，避开岩石提出了浅基础，吸力筒基础，在三峡的响水先用了两台后面又用了十几台，复合筒基础有非常广的应用。针对这个背景现在建设区往深水区发展，在复合筒的基础上针对整个深水条件进行了改进提出了单柱吸力筒，把传统预应力的结构改成钢结构，减少波浪载核，还有就是想把整个成本降下来，这个吸力筒目前在三峡广东阳江里面我们正在进行三到五台的应用，从近期投标报价结果来讲这种基础结构有非常明显经济性的优势。还有就是吸力筒导管架，水深再深一点单桩无法承受就换成这种导管架，这个在三峡长乐和广东阳江在进行一些规模化的应用。还有就是重力式基础，钢材涨价、钢结构单价加工涨价也非常厉害，还是回到我们非常擅长的混凝土结构，用混凝土预应力结构取代钢结构做重力式的基础，国内第一个在三峡汕头做的，整个做下来承载力能够提升1.5倍，通过砂浆的处理方法可以把承载力提高。还有就是复合单桩基础，这是非常明显的创新，单桩施工非常简单，所有建设单位都有单桩的情节，能够用单桩就不用其他的，遇到非常特殊的条件单桩还是有一些余量需要优化，我们通过加固浅部的主体，在浅部增加吸力筒，用复合承载结构把单桩优势进一步发挥出来，这里面有两个，一个是单桩摩擦盼一个是单桩摩擦盘筒式复合基础，这个在广东阳江最近在做一些工程应用示范。整个基础厚注浆工艺，这个在海上第一次用是在福建兴化海湾这么好底下伞体状、碎裂状如果不充分应用有点浪费，我们提出了厚注浆，用非常小的成本获得非常好的收益，这是厚注浆的实验结果，整个承载力压浆前后提高了1.5倍到2倍，技术经济的优势还是非常明显的，我们做了有益的尝试。还有就是抗冰锥，北方冰载荷成为控制性载荷成为控制的关键，这种情况下必须要有很有效的抗冰措施，抗冰节奏海洋用了很多，回到风电整个创新是不够的，需要结合我们的特点来做，我们现在单桩基本上用了取消过渡段的，意味着如果用传统的海油方式抗冰锥打桩会掉了，我们通过后期灌浆锁住抗冰锥，从监测结果来看整个冰载荷被有效的降低了。深远海飘浮式，这是最近研究的热点，对于中国来讲国内大陆架有一个特点是比较平缓，基本上国内出去100公里水深不会超过50米，所以这种水深条件下目前国外已经获得成熟应用飘浮式风电应用体系直接移植过来是有问题的，如果再国内30米到50米水深要发展飘浮式风电跟固定式风电在经济上有可比性一定一定要有重大技术创新实现，上海院在2016年到2018年之间承担了中国最早的两个飘浮式风电项目，就是上海的深远海和阳江，飘浮风电能不能把成本降下来我们做了三年非常深入的探索，我们也做了半潜式、张力嘴方案，最近国外有几个新的设计观念值得我们关注，左上角黄色是法国的项目是钟摆式的，底下的是瑞士的用混凝土钢结构，这几种方案根据我们初步判断在浅水区是最有可能具有明显经济性的优势，我们最近也对这几种方案进行剖析。

解决海上风电支撑结构的科学问题和技术平静，设计技术标准、一体化设计、承载力技术标准。整个设计创新最终的源头是用标准约束的，国内最近两年出台了一些系统的规范，我本人也是这些规范主要的编制人员，我觉得我们这个规范目前最大的问题是顶层设计缺失，所有规程规范体系顶层是可靠度标准，国内规范编制的时候出了很多底层的标准，顶层标准缺失，各种规范组合起来是偏危险的还是偏安全的我们没有进行定性可靠度的校核，源头上来讲如果在源头上把可靠度校核清楚把规程规范搞清楚，我们现在海洋平台不一样，海洋平台一出事造成的环境风险是不可估量的，我们要在底层做校核。

一体化设计大家讲的非常多了，具体的好处和坏处我今天不展开讲了，整个一体化设计里面大家一直觉得为什么一体化设计比分离式设计节省工程量？我直观的判断是一体化设计里面对于整个风浪流的载荷有一个非常合理的叠加，不像我们整个的分离式的剥离开来，这几年谈的很多，但是至今为止没有看到具体的案例，给大家展示一下我们针对福建深远海我们做了一个实实在在整个工程案例的剖析。这一块我们拿了福建的水深43米用5兆瓦的风机，这里用的是实际工程载荷做了一体化和分离式的对标，我们用的是6.1工况，台风来的时候风场和波浪场做了模拟，第一步大家非常关注的是降载，设计优化把载核降下来是最关键的，风的浪耦合一体化我们做了三种情况，左边的是风载，中间是风浪耦合，右边是浪叠加，整个载荷只有21.6万千流，可以降低13.4%，降载是非常有效的。整个阻尼比塔底载荷的影响，现在阻尼比是降本增效的一个重要指标，右边这个图是阻尼比和塔底控制方面的，我们现在整个阻尼比海洋平台规范跟目前的建筑规范里面给的值都是比较大的，基本上都在1%到5%之间，实际上在我们整个目前载荷计算的实践中取得的值比较低，基本都在5‰，这种情况下确实整个载荷按照新的规范去取阻尼比降的很大，但是这一块我们跟厂家也做过很多沟通，现在确实缺乏实测的数据有稳定的结论支撑，这一块是今后我们整个优化非常重要的方向，提高阻尼比。一体化以后整个桩的受力降多少，我列了两个表，第一行是一体化设计导致桩的轴力，一体化设计以后最大的一根桩拔力相比整个分离式的基本要降低将近40%，40%整个余量放在投资成本上这个效果是非常可观的，这是实实在在的数据，抗压桩也是有降低的。还有一块是应力，这也出现了降低，一体化基本降低了31%，通过这个案例展示出来一体化有效，但是我个人觉得目前制约一体化的至少在固定式的技术制约不是主要的制约，我们机制体制的制约是最重要的。现在整个设计责任的分工不明确，设备厂家负责上部载荷，设计院负责下部的，上下壁垒，具备上海院具备一体化的能力，我没有拿到模型也没有办法去做，要有一个有效的机制，这个由业主牵头把一体化的机制走下去。要有一体化的设计能力，不能只具备厂家的载荷，要有融合能力。把机构理顺了，设计院能够从一体化载荷仿真直接提取机构的内力而不是塔底的内力，业主马上可以达到非常力感的优化效果，这个需要机制突破。

再有就是我们通过比较高级的方法做设计优化，谈一个实在的问题，现在业主非常关心单桩，小直径桩推到大直径上有没有效？通过小直径桩做大直径是有效的，我们做出分析以后非常吻合。

风电一根桩坏了结构不会倒塌，这个观念上升到理论程度，充分发挥整体特性提升桩机承载力，通过整体协同作用可以把整个抗拔承载力提高。

还有一个就是优化设计软件，我们目前的设计工具是不具备优化功能的，经常业主说设计院搞几个方案，只是人为假设几个方案做优化，并不是全局优化，上海院把一些数学优化方法和风电结合起来，我们开发了海上风电基础优化设计软件，我们可以进行全局的优化，比如说给定一个桩长桩径的范围给定一些设计边界的约束，可以自动搜索出工程量和造价最优的方案，这是我们开发国内第一个优化设计软件，这个主要从整个方法上进行创新。

以上是我的分享，谢谢各位。

（根据演讲速记整理，未经演讲人审核）