海上测风塔基础结构类型

海上测风塔的基础结构以桩基础为主，还包括导管架基础、重力式基础、吸力筒（桶）基础和其他复合式基础等几种型式。基础选型时不仅需要考虑基础结构本身，还应考虑海上运输与安装的方便性。海上测风塔基础工程也是海上风力发电机组基础工程的先行，可将测风塔基础型式与风力发电机组基础型式的选择综合考虑，二者宜采用相同的基础型式，从而使得测风塔基础的实施为后续风力发电机组基础工程提供必要的参考或累积相关经验。

1.桩基础

当基础结构采用桩基础型式时，可由单根钢管桩（图2-7）或多根钢管桩（多为3根或4根）来组成。桩顶位于海面以上，桩身的上半部分位于海水中，下半部分位于海床泥面以下。桩顶与测风塔塔架连接处一般需要设置过渡转换平台，可采用钢平台[图2-8（a）]或钢筋混凝土平台[图2-8（b）]。在施工时先打设钢管桩，然后在无水条件下施工或吊装转换平台，最后安装测风塔。该基础型式施工方便，因此在海上测风塔工程中得到了广泛应用。

采用单桩基础型式的实例如图2-7所示，采用三桩基础型式的示例如图2-8所示，采用四桩基础型式的示例如图2-9所示。

图2-7　单桩基础测风塔[8]

图2-8　三桩基础测风塔

图2-9　四桩基础测风塔

2.导管架基础

导管架基础结构是由钢管相互连接形成的空间四边形棱柱结构，基础结构的4根主导管端部下设套筒，套筒与桩基础相连接。导管架基础顶部通常需要设置过渡段平台，通过平台将导管架结构与测风塔结构连接为整体。当水深较深或平台兼作其他用途时往往采用导管架基础型式，典型的导管架结构型式如图2-10所示。图2-10中导管架底部导管间距大，上部导管间距小，因为在水面附近波浪荷载和水流荷载较大，而海床附近环境荷载小，结构上部减小杆件间距可有效降低环境荷载，底部较大的间距对提高结构整体刚度有利。测风塔转换平台处设置了直升机平台，因风场距离陆地很远，采用直升机作为维护的交通工具更加及时方便。

图2-10　导管架基础测风塔[12]

导管架基础结构在陆上预制场中加工制作，施工时先用驳船运输导管架到指定地点，然后起吊导管架下水，定位后打设钢管桩，钢管桩与导管架之间的套筒采用水下灌浆，然后安装过渡转换平台，最后吊装测风塔。

当采用导管架基础型式时，导管架的布置方式是多样的，并不局限于某种特定型式。如图2-11给出的为扭肢导管架（Twisted Jacket Foundation）基础型式测风塔。该基础的导管架由4根主导管组成，位于中间的竖向主导管截面尺寸最大，主要承受竖向荷载，周边3根主导管截面尺寸略小，并沿顺时针方向扭转排列绕中心主导管布局，由于周边3根主导管斜向布置，对于抵抗水平荷载非常有利。

3.重力式基础(www.xing528.com)

重力式基础是一种适用于浅海条件下测风塔的基础型式。该基础型式依靠基础自重和地基反力来抵抗测风塔荷载与基础所受的各种环境荷载作用，从而维持基础的抗倾覆、抗滑移稳定。该基础型式适用的水深相对较浅，同时要求基床土体具有较高的承载力，当基床土体不能满足承载力要求时，需要进行地基处理。

图2-11　扭肢导管架基础测风塔[13]

就海上风力发电机组而言，由于风力发电机组的水平荷载和倾覆弯矩很大，海上风力发电机组的重力式基础多采用预制钢筋混凝土沉箱型式，同时需要压舱材料，可根据当地情况选择较为经济的压舱材料，如砂、碎石或矿渣以及混凝土等。相比而言，海上测风塔的风荷载要小得多，其重力式基础一般不采用沉箱型式，而是类似陆上风力发电机组承台基础的型式。

为了说明的方便，下面采用德国Arkona Becken Südost风场测风塔实例来进行说明。工程始建于2006年，环境水深25m，该风场测风塔采用重力式基础。重力式基础由两部分组成，底部为三叶梅的钢筋混凝土结构，如图2-12（a）所示，单叶长度15m，该部分重量1300t；上部为钢质单管（单桩）柱，高度40m，重约150t，如图2-12（b）所示。基础顶部为转换平台，平台可放置测风数据处理设备，平台上竖立三角形桁架式测风塔，测风塔高度84m，重约50t。测风塔建成后如图2-12（c）所示，其中水面处单管柱突出的部分为靠船设施。

4.吸力筒基础

吸力筒基础型式由筒体和外伸段两部分组成，筒体为底部开口，顶部密封的筒形构成，外伸段为直径沿曲线变化的渐变单筒，如图2-13所示。根据筒体组成材料的不同，可以分为钢筋混凝土预应力结构和钢结构型式。筒体的直径一般大于筒深（裙板长度），外伸段顶部预设过渡平台与测风塔底座相连接。在测风塔荷载和环境荷载作用下，依靠筒壁侧面土体和筒体底部土体提供承载力，在一定程度上受力模式类似于重力式基础。

吸力筒基础源自于海上平台结构锚固所用的吸力筒结构，一般海上平台结构中的吸力筒多以承受上拔力为主，而测风塔吸力筒结构多以承受水平与弯矩荷载为主。吸力筒结构需要在陆上预制场预加工，通常分为多个舱室，以方便抽水下沉时对基础倾斜进行控制。基础安装前将筒体结构托运至指定位置，首先依靠自重下沉，然后抽水使基础在负压作用下沉放至特定深度。该基础可以通过注水来方便地移除。

图2-12　重力式基础测风塔[14]

图2-13　吸力筒基础测风塔[15]

图2-13所示的为英国Dogger Bank海上风电场测风塔的吸力筒基础，始建于2013年，这也是英国海上测风塔首次采用该基础型式。基础直径15m，裙板高度12m，基础总重量约450t。

海上风力发电机组和测风塔吸力筒基础的相关技术并不完善，目前仍在发展中。

5.复合式基础

复合式测风塔基础由上述各种测风塔基础型式组合而成，形式较为多样，但应用的工程实例较少。将吸力筒与导管架基础相组合的型式应用于香港中华电力测风塔项目，将吸力筒与重力式基础相组合的型式应用于中广核江苏大丰2号测风塔项目。

鉴于桩基型式的海上测风塔基础结构型式应用最为广泛。