编者按：力学研究所流固耦合系统力学重点实验室的高福平研究团队，对于海上风机基础结构的工作原理开展了一系列的研究并取得了很好的进展，其中一些成果于2022年在国际流体力学的顶级期刊Physics of Fluids发表。本刊特此发布漆文刚等介绍他们研究工作以及相关背景的科普文章，以飨读者。

高耸入云的“大风车”如何在疾风巨浪中屹立不倒？——探秘海上风机基础

漆文刚，高福平 

1 前言 

　　我国上海东海大桥海上风电场，作为亚洲第一座大型海上风电场于2010年建成（图1）。此后的十余年间，更多的海上“大风车”（即风力机，又称风机）陆续矗立于我国漫长的海岸线上，将取之不尽的海洋风能源源不断地转化为清洁电能，点亮万家灯火。放眼全球，未来15年全球海上风电累计装机规模将增长约11倍（图2），基本相当于每年增加一座三峡水电站的装机容量。我国的海上风电装机总规模在2021年也已跃居世界第一，且发展潜力巨大。 

图1 上海东海大桥海上风电场（https://www.in-en.com/article/html/energy-2306825.shtml）

图2 全球海上风电累计装机容量增长趋势（全球风能理事会，2021） 

　　目前运行和在建的海上风电场大多位于水深小于50米的近海浅水区域，海上风机则主要采用固定式基础进行支撑（李家春&贺德馨，2018）。为保障海上风机的长期安全运行，工程设计师对海上风机的允许转动变形提出了极为苛刻的要求，底部转角通常不大于0.5°。然而，海上大风车高耸入云，需要承受巨大的风荷载以及波浪和海流的联合作用。如何保证海上大风车能够在疾风巨浪中屹立不倒，甚至稳如磐石呢？让我们将视线从大风车旋转叶片所在的天际线慢慢收回，转而探秘隐匿于碧波惊涛下、扎根于黑暗海底中的风机基础，那可是保障海上风机稳定性的定海神针！ 

2 海上风机基础的主要型式及工作原理 

　　俗话说“根基不牢，地动山摇”。对于海上风力机这类“高耸结构”而言，更是如此！大自然中最常见的高耸结构，就是各类高大的树木。荒原中的白杨树之所以能够在强劲的北风中依旧挺拔不屈，正是由于其深植土壤的庞大根系将其锁定在大地之上（见图3a和图3b）（席本野，2019）。城市高层建筑则是最为常见的人工构筑高耸结构。632米高的上海中心大厦采用955根超80米长的桩基和50米长的地下连续墙等基础结构，保障了其7级的抗震烈度（汤永净&赵锡宏，2016）。与这些天然和人工的高耸结构类似，海上风机基础就宛如大风车结构的根系，深植于海床土体之中（图3c），将上部塔筒和巨型叶片牢牢固定，抵御超常的倾覆力矩，保障海上风机达到“千磨万击还坚劲，任尔东西南北风”的效果。 

图3 （a）原野上挺立的白杨树；（b）树木的根系示意图；（c）典型海上风力机基础受力示意图（修改自Bhattacharya, 2019） 

　　海上风机主要包括固定式风机和浮式风机，其基础型式也多种多样、各有妙用。不同型式的风机基础所适用的水深和海床土体条件有所不同。重力式基础、三脚架基础、导管架基础、吸力式筒形基础、桩基础是固定式海上风机常用的基础型式（见图4）。 

　　重力式基础（图4a）的力学原理非常直观，主要依靠基础结构及内部压载的重量，来抵抗上部机组和外部环境产生的倾覆力矩和滑动力, 使基础和塔架结构保持稳定。三脚架基础（图4b）是借鉴海上油气工业中的经验，采用质量相对较轻的三脚钢套管支撑上部三脚桁架结构，用三根呈等边三角形布设的中等直径钢管桩定位于海底，具有较好的整体结构稳定性。导管架基础（图4c）主体为钢质锥台形空间框架结构，在陆上整体焊接预制完成后再漂运至安装点，将钢桩从导管中打入海底进行固定，是水深较深条件下有发展前景的一类基础型式。吸力式筒形基础（图4d）从深水油气工程的吸力锚基础借鉴演化而来，整体为大型圆柱薄壁钢制结构，其底端敞开、上端封闭并设有抽水口，具有定位精确、施工和回收利用方便等优点。 

图4 海上风机基础的主要类型：（a）重力式基础；（b）三脚架基础；（c）导管架基础；（d）吸力式筒形基础；（e）高桩承台基础；（f）大直径单桩基础（图片来源于网络） 

　　桩基础是我国海上风机更为常用的基础型式，大致可分为高桩承台基础和大直径单桩基础两类。在我国较早期的海上风电工程建设中，由于施工能力、地质条件（软黏土海床）等因素的限制，较多采用自主研发设计的高桩承台基础（图4e），其基本结构型式借鉴桥梁多桩基础，能够充分利用“桩多力量大”的优势，将高耸的海上风机牢牢固定于海床之上。随着我国海上施工能力的提升，单桩基础也开始得到应用。大直径单桩基础（图4f）由桶形薄壁钢管焊接构成，其外形恰如一根空心的定海神针，但这根巨“针”的直径可达5~10米，长度可达100米（相当于30层楼的高度），单根重量更是可超过1500吨。海上风力机的塔筒和过渡段将上部的风浪流荷载传递至体型巨大的单桩基础，并最终依靠桩基周围的海床土体提供反作用力，将风机支撑结构紧紧锁定，避免其发生较大变形乃至倾覆失稳。大直径单桩基础因具有结构型式简单、设计与制造简便以及施工较为方便等优点，目前稳居“榜一”位置，占到全球已建成海上风机基础的70%以上。 

3 海洋环境对海上风机基础稳定性的影响 

　　古语云“水能载舟，亦能覆舟”。海洋环境中的水体对于海上风机同样有着正反两方面的影响。好的一方面在于，海水表面较陆地地形而言更为平滑，能够有效避免陆地环境中不同高度的风速差异导致的风切变与湍流脉动，从而缓解叶片振动乃至疲劳断裂问题；同时，上百米的巨型风机叶片在陆上非常难以运输，而在海上则可更便捷地直接从叶片工厂海运至风电场。但是，不利的因素似乎更多一些，这也正是目前海上风机建设成本总体高于陆上风电成本的主要原因。这主要包括：（1）海床土体通常处于饱和含水状态，土体一般更为软弱，不利于基础承载；（2）海底地形和地质勘察及处理的成本高，增加了基础设计和海上施工的难度；（3）飓风、巨浪、海流联合作用于海上风机支撑结构，产生巨大的动力荷载及倾覆力矩（图5），对基础极限承载力和抗倾覆性能提出了更高要求；（4）“波浪/海流-基础结构-海床土体”动力耦合作用下，基础周围的马蹄涡等扰流流场结构（图6）易诱发严重的基础局部冲刷（Qi & Gao，2014）（图7）和海床液化等工程问题，危及高耸结构基础安全。 

图5 破碎波对结构物的抨击作用.（Ramirez等，2013；更多视频资料可参考https://av.tib.eu/media/15498） 

图6 水流作用下圆柱桩基前缘对称面内的马蹄涡系典型流动结构（Qi等，2022） 

图7 （a）工程实测的海上风机大直径单桩基础冲刷；（b）模型试验观测的桩基冲刷动力演化过程（Qi & Gao，2019） 

4 海上风力机基础的发展趋势 

　　如何更加高效、经济、大规模地开发利用海上风电，是目前海上风电工程面临的重大挑战。面对这一挑战，海上风机不断向着大型化、深水化的方向发展（图8）。2030年，预计海上风机最大单机容量可达20 MW，风机在海面以上的整体尺寸将达到250米左右。随着风机尺寸和场址海域水深的增加，作用于风机基础之上的风浪流荷载也将进一步增大，这对风机基础的承载性能提出了更高的要求。 

图8 海上风机装机容量及典型尺寸随时间的演变（国际能源署，2019） 

　　当前，全球范围内的浮式海上风电发展方兴未艾，我国首台漂浮式海上风电试验样机 “三峡引领号”已于2021年成功安装并运行（见图9）。鉴于我国75%以上的海上风能资源位于水深超过50米的海域（Nie & Li，2018）（见图10），如何实现海上风能开发由浅水向深水、由固定式向漂浮式结构的转变，已经成为中国海上风电发展的迫切任务。锚固基础结构系统（图11）是浮式风机的关键组成部分，其在工程总投资的费用占比高达20-30%。与固定式风机支撑结构主要承受水平荷载和倾覆弯矩不同，浮式风机的锚固基础主要承受持续的循环上拔载荷作用，其长期服役力学性能需要进行重点关注和分析。 

图9 我国首台漂浮式海上风电试验样机 “三峡引领号”（http://finance.sina.com.cn/jjxw/2021-12-08/doc-ikyamrmy7581522.shtml）

图10 我国近海海域：(a) 水深分布；(b) 技术可开发风能功率密度分布（Nie & Li，2018）

图11 深水浮式风机常见的系泊形式及典型锚固基础结构（作者绘制） 

　　我国制定了“双碳”目标，要在2030年前实现“碳达峰”，在2060年前实现“碳中和”。海上风电作为清洁能源的重要组成，必将迎来更大的需求。科研工作者和工程设计师亟待开展深入的基础结构系统动力学分析，以科学优选海上风机的支撑基础构型，提升海上风机的环境适应性和经济性。 

参考文献 

　　[1] Bhattacharya, S. Design of Foundations for Offshore Wind Turbines. John Wiley & Sons, 2019. 

　　[2] GWEC (全球风能理事会). Global Wind Report 2020. Brussels, Belgium, 2021. 

　　[3] International Energy Agency（国际能源署）. Offshore Wind Outlook 2019, 2019. 

　　[4] Nie, B., Li, J. Technical potential assessment of offshore wind energy over shallow continent shelf along China coast. Renewable Energy, 2018, 128: 391-399. 

　　[5] Qi, W.G., Gao, F.P. Physical modeling of local scour development around a large-diameter monopile in combined waves and current. Coastal Engineering, 2014, 83: 72-81. 

　　[6] Qi, W.G., Gao, F.P. Local Scour around a Monopile Foundation for Offshore Wind Turbines and Scour Effects on Structural Responses. In: Geotechnical Engineering-Advances in Soil Mechanics and Foundation Engineering, London: IntechOpen Press, 2019, pp. 1-23. 

　　[7] Qi,  W.G., Liu, J., Gao F.P., Li, B., Chen, Q.G. Quantifying the  spatio-temporal evolution of the turbulent horseshoe vortex in front of a  vertical cylinder. Physics of Fluids, 2022, 34: 015110 

　　[8] Ramirez,  J., Frigaard, P., Andersen, T.L., de Vos, L. Large scale model test  investigation on wave run-up in irregular waves at slender piles. Coastal Engineering, 2013, 72: 69-79. 

　　[9] 李家春, 贺德馨. 中国风能可持续发展之路. 科学出版社，2018. 

　　[10] 汤永净, 赵锡宏.软土地基超高层建筑补偿桩筏基础案例再分析. 岩土力学, 2016, 37(11): 3253-3262. 

　　[11] 席本野. 杨树根系形态、分布、动态特征及其吸水特性. 北京林业大学学报, 2019, 41(12): 37-49.