引言
隨著世界正努力從對(duì)化石燃料的依賴轉(zhuǎn)向零碳目標(biāo)，海上風(fēng)電的發(fā)展正處于爆發(fā)式的指數(shù)增長(zhǎng)。風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模和單個(gè)風(fēng)機(jī)的尺寸都在增大，離海岸線的距離也越來越遠(yuǎn)。迄今為止，底部固定式基礎(chǔ)（特別是單樁基礎(chǔ)）占據(jù)了主導(dǎo)地位。但是隨著合適的近岸海域被風(fēng)機(jī)占滿，未來的趨勢(shì)是海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)將有多種形式，包括漂浮式基礎(chǔ)。
在過去的15年，對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)的土體勘察中，利用自升式平臺(tái)或者鉆探船獲取測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，已經(jīng)是勘察中必不可少的工作，獲取的數(shù)據(jù)用于這些超大型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜設(shè)計(jì)。
特別是，利用RG的PS Logger測(cè)試土體的波速數(shù)據(jù)，已經(jīng)成為海上風(fēng)電巖土原位勘察必不可少的一部分。
預(yù)計(jì)未來8-10年，海上風(fēng)電的裝機(jī)容量將超過235GW
測(cè)井歷史
測(cè)井技術(shù)可以追溯到20世紀(jì)20年代，當(dāng)時(shí)斯倫貝謝兄弟首次演示了商用電測(cè)井探頭。之后的四五十年時(shí)間，模擬信號(hào)測(cè)井系統(tǒng)得到了發(fā)展，主要用于石油和天然氣的勘探，探頭的種類也增加了很多。RG公司上世紀(jì)80年代進(jìn)入了細(xì)孔測(cè)井市場(chǎng)，研發(fā)了數(shù)字式測(cè)井系統(tǒng)應(yīng)用于巖土、礦物、水相關(guān)的領(lǐng)域。這套數(shù)字式測(cè)井系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，一臺(tái)常規(guī)的絞車、采集儀就可以與各種探頭兼容。
盡管風(fēng)能已經(jīng)被人類利用了數(shù)千年，但直到1978年，丹麥人才在Tvind開發(fā)出世界上第一臺(tái)現(xiàn)代化的多兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)。它的功率為2MW，它擁有機(jī)艙、圓筒塔架、方向可控制的機(jī)頭以及三個(gè)葉片，至今仍在運(yùn)行。所有的商用風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是類似于這種丹麥模式，采用三葉片水平軸設(shè)計(jì)，都是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。丹麥還于1991年在Windby開發(fā)了世界上第一個(gè)淺水商用海上風(fēng)電場(chǎng)。從那以后，海上風(fēng)電場(chǎng)的開發(fā)得到了迅猛發(fā)展，從很多小型規(guī)劃的海上風(fēng)電場(chǎng)到如今很常見的巨型海上風(fēng)電場(chǎng)。英國、德國，如今的中國，目前中國的海上風(fēng)電裝機(jī)容量處于領(lǐng)先地位。
各種海上風(fēng)電場(chǎng)勘察技術(shù)
對(duì)于所有的海上風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)，從風(fēng)資源定性，到地球物理勘察和海洋測(cè)繪，再到海底地層勘察，現(xiàn)場(chǎng)勘察是一切工作的基礎(chǔ)。除此之外，需要根據(jù)風(fēng)機(jī)的位置考慮輸電線纜的走向和基礎(chǔ)設(shè)施的位置。對(duì)于一個(gè)大型的海上風(fēng)電場(chǎng)，可能需要花費(fèi)兩年時(shí)間來完成地球物理勘察和巖土勘察，因?yàn)橐謩e獨(dú)立地開展地球物理勘察和巖土勘察，避免相互影響。
由于這些結(jié)構(gòu)受到復(fù)雜的動(dòng)態(tài)循環(huán)荷載，所以需要對(duì)土-結(jié)構(gòu)之間的相互影響進(jìn)行研究，所以獲取數(shù)據(jù)然后提供給風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，這個(gè)過程是非常重要的。無論采用哪種設(shè)計(jì)方法，海洋巖土勘察（包括原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)）是成功完成設(shè)計(jì)的根本。如表1.
表1 海上風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)勘察方法示例
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類型
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勘察
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方法
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操作
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數(shù)據(jù)覆蓋的密度
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非侵入性的
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UXO（未爆炸武器）
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磁力儀
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船/拖拽浮標(biāo)
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全面覆蓋
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水深探測(cè)
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聲吶
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船/拖拽浮標(biāo)
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全面覆蓋
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海底地形探測(cè)
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激光雷達(dá)
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船/拖拽浮標(biāo)
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全面覆蓋
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地震波
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淺地層反射與折射
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船/拖拽陣列
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網(wǎng)格
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侵入性的
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淺地層
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貫入CPT
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船+海底基盤
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風(fēng)機(jī)/基礎(chǔ)設(shè)施位置
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鉆孔
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取樣，CPT，SCPT，PS波速測(cè)試
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自升式平臺(tái)/鉆探船
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按百分比選擇部分場(chǎng)地
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地球物理勘察階段通常是最先進(jìn)行的，可能包含利用磁力儀進(jìn)行未爆炸武器探測(cè)。海底地形測(cè)量技術(shù)包括聲吶和激光雷達(dá)，通常是用來進(jìn)一步對(duì)海底障礙物進(jìn)行探測(cè)，例如巖石露頭、孤石、海底沉船等。海底地形探測(cè)完成之后，就可以開始進(jìn)行淺地層非侵入探測(cè)了，通常采用淺地層地震波反射或折射方法。這些勘察方法通常需要大型的、慢速移動(dòng)的船舶，拖拽水聽器陣列，還需要考慮震源能量對(duì)海洋生物的影響。對(duì)于地震波反射勘察，PS logger探頭得到的P波速度可以根據(jù)到達(dá)時(shí)間計(jì)算出深度（用于速度疊加和偏移）。
巖土勘察一般采用侵入技術(shù)，并且通常是在地球物理勘察完成之后進(jìn)行的。對(duì)于淺近岸試驗(yàn)或者小場(chǎng)地，巖土勘察通常是在自升式平臺(tái)上完成的，工人需要輪班更換。這樣就需要很多各種支持的船，例如用于平臺(tái)移動(dòng)的拖船、待命的安全船、人員交通船。隨著距離海岸越來越遠(yuǎn)，每天兩次更換工人是不現(xiàn)實(shí)的，需要采用更大的、更昂貴的可供住宿的平臺(tái)，同樣也需要各種支持的船。如今，自升式平臺(tái)主要是用在水太淺無法用鉆探船的場(chǎng)地，或者潮汐強(qiáng)烈導(dǎo)致船舶定位困難的場(chǎng)地。
帶有波浪補(bǔ)償、動(dòng)力定位功能的鉆探船目前是海上風(fēng)電巖土勘察市場(chǎng)的主流。這種鉆探船可以在海上進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的工作，與其他方法相比相對(duì)經(jīng)濟(jì)、無需輔助，主要受天氣因素影響。這種船采用復(fù)雜的鉆探系統(tǒng)，鉆探過程中，將取芯與CPT相結(jié)合。一些巖芯測(cè)試可以在船上完成，另外一些巖芯可以送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行其它的一些巖芯測(cè)試。CPT試驗(yàn)可以得到錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力、孔隙水壓力，可以進(jìn)一步計(jì)算出很都有用的設(shè)計(jì)參數(shù)。除此之外，也可以結(jié)合海底基盤進(jìn)行地震波CPT測(cè)試（SCPT），還有SPT測(cè)試、旁壓測(cè)試等。
當(dāng)鉆孔鉆到預(yù)定的深度以后，就可以對(duì)整個(gè)鉆孔開展測(cè)井工作了，通常是分階段完成的，以便實(shí)現(xiàn)最大的鉆孔覆蓋。目前在歐洲和美國的海上風(fēng)電勘察中，PS Logger是一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)要求，利用PS Logger獲得鉆孔P波和S波剖面，通常會(huì)結(jié)合鉆孔孔徑探頭一起使用，孔徑探頭的目的是對(duì)鉆孔進(jìn)行質(zhì)量控制。使用PS Logger的好處在于，由于它內(nèi)置震源，所以可以獲取鉆孔深部高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，同時(shí)可以對(duì)CPT無法貫入的巖石、卵石、碎石地層進(jìn)行測(cè)試。如果遇到了更堅(jiān)硬的巖層，可以使用聲學(xué)電視獲取鉆孔孔壁圖像，可以查看巖石層理和巖石破碎段。這些信息也可以用于取芯深度控制和巖芯方向定位，可以將這些信息輸入到地層模型中。
由于鉆探通常只是在一定比例的風(fēng)機(jī)位置進(jìn)行的，所以盡可能多地從每一個(gè)鉆孔中通過測(cè)井方法獲取數(shù)據(jù)是尤為重要的。
PS
Logger測(cè)得的P波數(shù)據(jù)示例
PS
Logger測(cè)得的S波數(shù)據(jù)示例
基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
到目前為止，幾乎所有的商業(yè)海上風(fēng)電項(xiàng)目都采用的是底部固定式基礎(chǔ)，目前正在向漂浮式基礎(chǔ)過渡，開展了一些試點(diǎn)項(xiàng)目，進(jìn)行了一些研發(fā)，漂浮式基礎(chǔ)前景廣闊。
底部固定式基礎(chǔ)有多種形式，但目前主要是單樁基礎(chǔ)。單樁基礎(chǔ)被廣泛使用，相對(duì)簡(jiǎn)單，制造成本低，安裝方法成熟。單樁基礎(chǔ)可以在軟土層中和硬土層中都可以施工，但是需要對(duì)土質(zhì)情況進(jìn)行測(cè)試和了解。單樁基礎(chǔ)具有大重量剛度比，水下部分表現(xiàn)出較大的模態(tài)撓度，吸引了很大的波浪力，容易被沖刷。盡管如此，單樁基礎(chǔ)在制造、運(yùn)輸、安裝、維護(hù)過程中遇到的種種問題都得到了很好的解決，從而形成了一個(gè)非常成功的設(shè)計(jì)模式，為實(shí)現(xiàn)零碳未來指明了方向。
隨著水深越來越深，風(fēng)機(jī)尺寸越來越大，單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的直徑也必須越來越大，以便能支撐更高的結(jié)構(gòu)。由于達(dá)到了單樁基礎(chǔ)尺寸的極限，考慮其它形式的基礎(chǔ)就會(huì)更加經(jīng)濟(jì)，例如吸力桶基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)等。與單樁基礎(chǔ)相比，這些形式的基礎(chǔ)只占已安裝風(fēng)機(jī)的一小部分，但是越來越受歡迎。隨著風(fēng)機(jī)輸出目前接近15MW，而且已經(jīng)規(guī)劃了20MW的風(fēng)機(jī)，采用巨大的、不切實(shí)際的單樁基礎(chǔ)來支撐這些風(fēng)機(jī)是不現(xiàn)實(shí)的，這使得設(shè)計(jì)不得不轉(zhuǎn)向這些更模塊化的基礎(chǔ)形式。需要注意的是，與單樁基礎(chǔ)相比，三腳架基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)包含多個(gè)基礎(chǔ)，他們的多個(gè)基礎(chǔ)上具有完全不同的荷載特性。雖然單樁基礎(chǔ)上的側(cè)向力會(huì)導(dǎo)致彎曲以及地下部分移動(dòng)，但是三腳架基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)可以將大部分側(cè)向力轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)上的垂直拉-推效應(yīng)。
無論是哪種基礎(chǔ)形式，通過測(cè)井技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)對(duì)于設(shè)計(jì)人員用于模擬土-結(jié)構(gòu)之間相互作用是非常重要的。
各種支撐結(jié)構(gòu)的形式（從左往右）：?jiǎn)螛痘A(chǔ)、重力基座基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、三腳架基礎(chǔ)、立柱式基礎(chǔ)、半潛平臺(tái)基礎(chǔ)、張力腿平臺(tái)基礎(chǔ)
底部固定式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)給設(shè)計(jì)人員、制造商和安裝人員帶來了很多獨(dú)特的挑戰(zhàn)。大型海上風(fēng)機(jī)一般非常高，具有較高的轉(zhuǎn)子機(jī)艙重量（RNA重量），相對(duì)靈活，承受了各種動(dòng)態(tài)和循環(huán)荷載?？蓴U(kuò)展性問題也很重要，因?yàn)殡S著直徑（以及剛度）的增加，荷載特性會(huì)發(fā)生變化，彎曲模式的重要性相對(duì)于傾覆力矩可能會(huì)降低?；A(chǔ)的主要目的是安全地將荷載傳遞到周圍的土體中，而基礎(chǔ)不會(huì)產(chǎn)生過度變形。飽和土在循環(huán)和動(dòng)態(tài)荷載下的行為是非常復(fù)雜的，因此這些結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是具有挑戰(zhàn)性的。
海上風(fēng)機(jī)的荷載特性包含動(dòng)荷載和循環(huán)荷載，動(dòng)荷載包含空氣動(dòng)力學(xué)、波浪、水流和土-結(jié)構(gòu)體相互作用，循環(huán)荷載主要是風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣的荷載形式造成了橫向荷載、彎矩、轉(zhuǎn)動(dòng)力矩/傾覆力矩以及擺動(dòng)和搖擺振動(dòng)模式。
整個(gè)海上風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)必須確保結(jié)構(gòu)的自然頻率要避開循環(huán)荷載的頻率，以免產(chǎn)生共振。對(duì)動(dòng)態(tài)和循環(huán)載荷譜的分析表明，風(fēng)的頻率范圍最低，波浪次之，然后是轉(zhuǎn)子頻率（1P），最后是葉片通過頻率（3P——對(duì)于3個(gè)葉片的風(fēng)機(jī)），如圖2。塔的彎曲模式與頂部轉(zhuǎn)子機(jī)艙重量（RNA重量）一起確定了系統(tǒng)的搖擺彎曲模式。與塔架相比，基礎(chǔ)在軸向上非常堅(jiān)硬，實(shí)際上塔架振動(dòng)，基礎(chǔ)提供了剛度和阻尼。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)頻率應(yīng)避開葉片-轉(zhuǎn)子頻率，可以位于軟-軟、軟-硬或硬-硬區(qū)域，許多設(shè)計(jì)使用軟-硬區(qū)域。
圖2：海上風(fēng)電設(shè)計(jì)的能量圖譜
海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)是基于很多設(shè)計(jì)工作和對(duì)設(shè)計(jì)原則的分析，以確保不超過相關(guān)的設(shè)計(jì)限制，并保持允許的風(fēng)機(jī)特定固有頻率范圍。多體動(dòng)力法和有限元法是設(shè)計(jì)過程中常用的工具，利用土體勘察獲取的數(shù)據(jù)對(duì)于分析土-結(jié)構(gòu)相互作用至關(guān)重要。振動(dòng)模式將決定基礎(chǔ)與支撐土體的相互作用。此外，如果理解了土-結(jié)構(gòu)相互作用，就可以預(yù)測(cè)基礎(chǔ)的長(zhǎng)期行為。
在歐洲水域，PISA系統(tǒng)已經(jīng)被采用，該系統(tǒng)為海上風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)提供一個(gè)計(jì)算模型用于水平荷載的分析和設(shè)計(jì)。PISA系統(tǒng)給出了P-Y曲線，將土體阻力模擬為預(yù)定義的非線性彈簧。PISA提供了一系列非線性P-Y曲線，這些曲線深度和土體類型都不一樣，這些曲線給出了每單位樁長(zhǎng)給定土壓力（P）下的樁撓度（Y）。對(duì)于單樁基礎(chǔ)，由于傾覆力矩和側(cè)向荷載，主要的相互作用是側(cè)向樁土相互作用。相反地，對(duì)于導(dǎo)管架基礎(chǔ)，主要的相互作用是軸向荷載傳遞。因此，土-結(jié)構(gòu)相互作用取決于選擇的基礎(chǔ)以及樁周圍土體的加載方式。提供足夠的阻尼對(duì)于海上風(fēng)機(jī)而言至關(guān)重要，以防止結(jié)構(gòu)在使用期間出現(xiàn)過度疲勞損傷。
除了分析應(yīng)力和確定固有頻率外，成功的設(shè)計(jì)還需要考慮許多其他因素。這些因素包括風(fēng)機(jī)尺寸、基礎(chǔ)形式的選擇、基礎(chǔ)安裝方法、減緩沖刷和配套基礎(chǔ)設(shè)施，例如升壓站和輸電線路，以及環(huán)境方面的因素。
海上風(fēng)機(jī)的各種基礎(chǔ)形式
測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)
獲取測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)現(xiàn)在是海上風(fēng)電巖土工程勘察的一個(gè)組成部分。PS Logger現(xiàn)在被認(rèn)為是非常有價(jià)值的，因?yàn)樗軌驗(yàn)榛A(chǔ)設(shè)計(jì)提供高質(zhì)量的地層波速剖面，已被英國、歐洲、美國和亞洲所采用。由于PS Logger易于操作，數(shù)據(jù)可靠，可以獲取CPT無法貫入地層的數(shù)據(jù)，使PS Logger成為許多海上風(fēng)電開發(fā)人員必用的技術(shù)。當(dāng)鉆孔條件不理想時(shí)，用戶經(jīng)常采用孔徑探頭對(duì)鉆孔進(jìn)行測(cè)試，為PS Logger提供成孔質(zhì)量控制。
如果遇到需要更多信息時(shí)，可以采用聲學(xué)電視探頭測(cè)定巖芯的方位，也可以確定巖芯的深度，輸入到土體模型中。不久的將來，核磁共振技術(shù)將會(huì)得到更多的使用，因?yàn)楹舜殴舱窦夹g(shù)可以獲取詳細(xì)的水文地質(zhì)信息，這些信息通過其它方式是很難得到的，這樣就可能推導(dǎo)出原位密度剖面。測(cè)井系統(tǒng)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是，同一套地面設(shè)備可以用于各種不同的探頭，這對(duì)于鉆探船在遠(yuǎn)離海岸的惡劣環(huán)境條件下作業(yè)是非常重要的。如表3.
表3：測(cè)井輸出的數(shù)據(jù)
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探頭
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輸出
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用途
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備注
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PS
Logger
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P波波速
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將反射波數(shù)據(jù)從時(shí)間轉(zhuǎn)化為深度
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S波波速
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（+P）計(jì)算泊松比
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泊松比
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土質(zhì)類型劃分
用于彈性模型
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剪切模量
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小應(yīng)變剪切模量用于彈性模型
計(jì)算阻尼系數(shù)
計(jì)算沉降和硬度
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需要密度
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楊氏模量
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體積模量
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孔徑探頭
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鉆孔直徑
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PS
Logger數(shù)據(jù)質(zhì)量控制
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識(shí)別軟弱層
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自然伽馬
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海床剖面確定
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聲學(xué)井下電視
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展開的圖片
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巖芯方向確定及深度控制
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主要用于堅(jiān)硬的巖石
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基巖面和破碎層識(shí)別
傾角、傾向
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地質(zhì)建模
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核磁共振探頭
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孔隙率
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水文地質(zhì)建模
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建議的用法
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孔隙大小分布
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可移動(dòng)水含量
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毛細(xì)水含量
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粘土水含量
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滲透性
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透射率
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各種底部固定式基礎(chǔ)設(shè)計(jì)
展望未來
測(cè)井系統(tǒng)在海上風(fēng)電市場(chǎng)中已經(jīng)得到了充分的驗(yàn)證，在可靠性和數(shù)據(jù)質(zhì)量方面擁有良好的應(yīng)用記錄，測(cè)井系統(tǒng)將繼續(xù)為海上風(fēng)電勘察提供有用的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)采用其它的方法是很難或者無法得到的。RG公司為危險(xiǎn)工作環(huán)境下的鉆探船提供交鑰匙方案，設(shè)備性能穩(wěn)定可靠，避免時(shí)間的損失。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，并向更深更遠(yuǎn)的海域擴(kuò)展，最終使用漂浮式基礎(chǔ)，測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)可以持續(xù)為風(fēng)機(jī)位置、基礎(chǔ)設(shè)施位置、錨固點(diǎn)提供非常有價(jià)值的數(shù)據(jù)。
推薦的探頭
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PS波速探頭
用于勘察海床強(qiáng)度的首選探頭，可在一個(gè)鉆孔中測(cè)量巖石和土體中的高分辨率剪切波和壓縮速度。該探頭對(duì)地震工程應(yīng)用至關(guān)重要，也是離岸構(gòu)筑物和海上風(fēng)電場(chǎng)的首選工具。
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高分辨率聲學(xué)井下電視探頭
用于液體或泥漿填充的鉆孔中進(jìn)行成像。該探頭可以生成一個(gè)360度展開的、方向確定的鉆孔孔壁超聲圖像。該探頭是破碎地層識(shí)別及方向測(cè)定（傾角和傾向）、地層學(xué)研究、區(qū)域應(yīng)力分析（巖爆）、取芯定向等理想的工具。
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地層密度探頭
利用多個(gè)傳感器進(jìn)行精確的鉆孔補(bǔ)償密度測(cè)量，基巖界面分辨率極高。這種方法如果結(jié)合了聲波探頭，就可以用來確定巖性、密度、孔隙率、巖石強(qiáng)度、彈性參數(shù)等，還可以用于風(fēng)化巖層或破碎巖層的探測(cè)。
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3臂井徑探頭
通過三個(gè)機(jī)械臂接觸鉆孔孔壁，記錄鉆孔的直徑，生成一幅連續(xù)的鉆孔直徑記錄圖。該探頭是進(jìn)行測(cè)井前檢查鉆孔狀況的理想工具。
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