0 引言
我国海上风力资源储备丰富，具备较高的开发价值。我国海岸线长约3.2万公里，其中大陆海岸线1.8万公里，岛屿海岸线1.4万公里，可利用海域面积300多万平方公里，拥有岛屿6000多个。近海风力资源主要集中分布于我国东南沿海地区及其附属岛屿。根据风能资源普查的结果显示，我国5-25米水深、50米高度海上风电开发潜力约2亿千瓦;5-50米水深、70米高度海上风电开发潜力约5亿千瓦。丰富的资源发展潜力，以及沿海经济带较好的消纳能力，决定了我国海上风电将大有可为。
中国电建集团投资建设的天津南港海上风电场工程位于天津市南港工业区南大堤外部，渤海湾内。南港工业区南大堤总长度为12.1km，去除最西端400m以及最东端40m，可利用总长度为11.6km。本工程总共安装18台单机容量为5MW的风电机组，装机规模为90MW。
1 海上风机基础型式技术路线
海上风机的基础结构所受荷载复杂多变，其同时具备了高耸结构、动力设备结构和海洋工程结构3种工程特性，在设计过程中须充分考虑水深、海床地质条件、海上风浪以及海流、海冰等海洋水文环境的影响。海上风电机组基础的造价是海上风电工程总造价的主要组成部分之一，有一个经济合理的基础形式对海上风电场至关重要。目前国内外研究和应用的海上风机基础从结构型式上主要分为重力式、桩式及漂浮式基础等。前两种型式尤其是桩式基础已在国内和欧洲海上风电场建设中得到广泛应用；漂浮式基础利用锚泊系统将浮式结构锚定于海床作为安装风力发电机的基础平台，可分为单风机基础和多风机基础两种型式，其具有成本较低、运输方便的优点，一般适用于50m水深以上，目前尚处于实验研究阶段。
1.1重力式基础
重力固定式基础体积较大，依靠重力来维持自身稳定，主要有钢筋混凝土沉箱型或钢管桩加钢制沉箱型等，其整体性好，对水深有一定要求，基础重量和造价随着水深的增加而成倍增加，一般不适合水深超过10m的风电场，丹麦的Vindeby 、Tuno Knob、Middelgrunden和Nysted海上风电场基础采用了这种传统技术。本工程附近海床底质以淤泥、淤泥质粘土、粉细砂为主，地基承载力较差、土层压缩性大，水深较深，不宜采用这种结构形式。
1.2 桩式基础
桩柱固定式基础利用打桩、钻孔或喷冲的方法将钢质桩柱安装在海底泥面以下一定的深度，将风机塔架固定其上起支承作用。国外较常用的有单桩基础、多桩导管架基础等。
1.2.1单桩基础
单桩基础即将一个直径3.5~7.0m的钢管桩安装在水下及海床内，其桩径和插入深度由水深和海床地质条件决定，单桩基础结构和制造简单，海上施工时间较少，但基础受海底地质条件和水深的约束较多，安装时需要专用的安装设备。根据西欧等地区海上风机基础设计经验，单桩基础方案在单机容量较小、水深为约15m及以下、地基土为中等密实土体及土层的内摩擦角在30º以上的自然条件下，较为适用。
1.2.2 多桩导管架基础
导管架式海上风机基础结构是桩式基础结构的一种，其概念是由海上固定式导管架平台衍生而来，常见的型式结构为钢质空间框架式结构。导管架式基础结构具有诸多优点，如杆径小、质量轻、强度大以及受海流波浪的影响作用小，这些结构优点也使得导管架式基础结构可以应用在大型风机上以及深海领域内，并且逐步由导管架式海上风机向深海方向发展。
1.2.3 多桩承台基础
此外，目前国内海上独立式承台基础和跨海大桥桥墩基础结构形式常采用高桩承台群桩基础，其设计及施工技术已趋成熟。多桩承台基础分为高桩承台和低桩承台，上海的东海大桥海上风电场就采用了高桩承台结构，由于该项目位于桥下航道区域，为防止船舶碰撞而选用此种结构。多桩承台在特定海域具有一定的优势，由于对施工设备配置要求不高，施工船舶资源国内市场较多，施工工艺相对成熟，适合离岸距离15 公里以内的海域施工。
1.3 漂浮式基础
漂浮式基础是漂浮在海面上的盒式平台，平台再用锚泊系统锚定于海床，适合超过50米的水域，是未来深远海风机基础的技术发展路线之一。漂浮式基础没有其他风机基础类型稳定，需要浮力支撑整个风电机组的重量，并需要控制风机摇晃倾斜角度，除了风电机组重力载荷，设计方案还应计算海域波浪冲击、洋流、海冰等海域影响情况。
2 天津南港海上风电基础选型
通过对国内外已建的海上风电场风机基础设计、施工、运行监测情况进行调研，对目前国内外已经成功应用于海上风电场的重力式基础、复合筒型基础、单桩基础、多桩导管架基础、高桩承台基础以及低桩承台等不同风机基础结构型式进行了结构型式和基桩型式的对比分析，首先确定天津南港海上风电工程包括基桩型式在内的总体基础结构型式，然后结合本工程的地质、水文等条件进行计算分析，最终确定风机基础结构设计方案。
2.1 基础结构选型
重力式基础对海床表层地基承载力有较高要求，一般适用于硬质海床，本工程场地为填海造陆而成，地表土为回填土，承载力难以满重力式基础要求；复合筒型基础一般在船坞内制作，然后通过拖轮经由海上浮运至施工现场沉放安装，本工程风机位于防波堤或防潮堤沿线，通航条件不能满足复合筒型基础的安装要求；单桩和多桩导管架基础为钢结构基础，造价过高，对于本工程来说经济性较差；高桩承台或低桩承台基础是一种用基桩支撑钢筋混凝土承台的基础型式，造价相对较低，但高桩承台基础通常采用钢管桩，且需在海上搭设施工平台进行混凝土承台的浇筑，其工艺较为繁杂，施工周期较长，而低桩承台基础施工工艺则类似于陆上风机基础施工，不仅工程造价低，而且施工技术相对更为成熟。本工程风机位置紧邻大堤，可以充分利用这一位置优势，转海上施工为陆上施工，无论是从经济性，还是从施工可靠性来讲，都拥有其他基础型式不可比拟的优势。因此，本工程采用低桩承台基础的方案最优。
2.2 桩基选型
根据目前国内桩基设计、施工水平和施工经验，适宜于潮间带的桩基主要有钢管桩、灌注桩和高强预应力混凝土管桩（PHC桩）三种。
钢管桩在海上工程尤其是油气平台上应用极为广泛，钢管桩在加工厂卷板焊接而成，制作工艺成熟，沉桩方便且速度快，抗弯强度高，并可根据工程需要制作超大桩径的钢管桩，缺点是容易受海水腐蚀，造价较高。近年来，PHC桩得到了大量的应用，制作工艺成熟，沉桩方便且速度快，抵抗海水腐蚀能力强，性价比高，缺点是抗弯能力较差。当预制桩打桩困难时（如遇岩基或坚硬的砂土层）或荷载很大而预制桩承载力无法满足时，也有采用灌注桩的工程实例。如杭州湾大桥，其主跨悬索桥的桥墩，因为荷载大而采用钻孔灌注桩，桩径2.5m，桩长90m。灌注桩的优点是桩径大，承载力高，价格低廉，缺点是施工工期长，受气象、水文影响大。
根据本工程地形地质条件，综合考虑风机荷载特点、施工、投资等因素，本阶段对钢管桩、PHC桩和灌注桩三种桩型进行综合比较：
1)从结构材料适应性角度比较
以上三种桩型在海上石油平台、大型跨海大桥、港口工程、航标和灯塔基础中均得到较多的应用。当承台下泥面以上桩的自由段长度较长时，在波浪、潮流等往复荷载作用下，桩身变形较大，钢管桩具有较强的适应性。
2)从施工角度比较
灌注桩施工所需设备较多，工序相对于钢管桩、PHC桩而言也更复杂，现浇混凝土工程量大，工期相对较长。而钢管桩和预应力混凝土管桩均是工厂预制，其制作、沉桩工艺成熟，质量容易保障，施工进度快。预制桩施工难度小，进度快。但该场地下部地层存在中密～密实粉砂层，砂层厚度在5m以上，不利于预制桩的打入，并且本工程所用桩长较长，接桩次数多，接桩质量的可靠度不易保证。
3)从防腐蚀角度比较
钢管桩防腐措施主要采用阴极保护，并以环氧涂层复合保护；PHC桩和灌注桩采用加大混凝土保护层厚度、限制Cl－含量、限制水灰比和水泥用量、掺适量钢筋阻锈剂、掺粉煤灰、掺磨细矿碴粉等措施和刷环氧树脂涂层保护。
目前海港工程钢材、混凝土的防腐技术已较成熟，钢管桩、PHC桩和灌注桩的防腐均能达到结构设计年限的要求，由于防腐费用在总工程中所占比例较小，且三者防腐措施费用也相差不大，所以从防腐角度考虑，三者差异较小。
4)从结构疲劳角度考虑
由于风机荷载、波浪荷载均属重复荷载，且风电机组基础受潮汐涨落的影响，所以风电机组基础需进行抗疲劳设计。本工程钢管桩采用Q345C型钢材，连接件钢材采用Q345D型钢材，由于其生产加工的特点，其材质均匀，并有较大塑性，所以钢材抗疲劳荷载效果良好。而PHC桩采用高强混凝土和高强预应力钢铰线，并且混凝土和钢筋已受较大的应力，其混凝土和钢材的塑性均较差，抗疲劳效果较差。灌注桩采用常规的混凝土材料和钢筋，并由于其断面大，应力小，所以抗疲劳效果较预应力管桩好，但较钢管桩差。经过对东海大桥及杭州湾大桥相关施工单位的调查了解，自由段较长的预应力管桩在沉桩及长期承受疲劳荷载的情况下，容易发生脆性破坏。
3 结论
根据天津南港海上风电工程的基础方案，单桩基础、三桩导管架基础需要选用大直径桩基，如采用混凝土桩，则不论桩基结构受力、制桩工艺、沉桩施工能力，都难以符合本工程的要求，所以单桩、三桩方案适合选用钢管桩方案。
高桩承台基础方案桩基可选择使用钢管桩、PHC桩、灌注桩三种桩型，但从结构受力、承受疲劳荷载的方面来分析，钢管桩适应性更优于PHC桩和灌注桩。钢管桩沉桩对比灌注桩，优点为施工控制便利、工序环节较少、工期较短；在桩基自由段偏长时，钢管桩相比PHC桩的抗弯和抗疲劳能力更强。因此，如采用高桩承台基础方案，则桩基型式更适合选用钢管桩型式。
低桩承台基础方案桩基采用PHC桩均可行。PHC管桩属预制桩，其制作和施工成本均相对较低，但一方面天津南港工业区地基土为填海造陆填土，其中含有大量块石，给PHC管桩的沉桩施工带来巨大障碍，基桩能打入的极限深度不满足风机基础设计要求的可能性很大；另一方面，经过计算发现基桩长度需要达到35m以上，而PHC管桩的单根预制长度一般不超过15m，因而需要两次接桩，不满足桩基的设计要求，如果采用特制的加长型管桩，不仅制作成本要增加，而且所使用的打桩设备也要相应升级，最终带来工程造价的大幅提升，其成本低廉的优势荡然无存。
综上所述，结合本工程的特点，由于预制桩在打桩过程中会对天津南港海堤产生振动影响，而且由于海堤抛石，施工前难以清除干净，造成打桩过程中容易遇到孤石，造成打桩困难。钻孔灌注桩采用先钻孔，后浇筑钢筋混凝土方式成桩，克服了现场表层土复杂的缺陷，无论粘土、砂土、碎石或者块石均可进行成孔施工，且其桩长在一定范围内不受限制，完全满足本工程风机基础基桩的长度设计要求。并且本工程风机为高耸建筑物，在承受水平荷载时，容易产生上拉荷载，由于本工程有较厚的软土层，根据天津市地方标准《岩土工程技术规范》不适合采用PHC桩，根据天津港地区的工程经验，结合物性质、场地土质条件及施工条件综合分析，最终确定天津南港海上风电场工程风机基础采用钢筋混凝土结构的灌注桩承台基础。该方案施工工艺简单，速度快，施工技术成熟，质量控制精度高。
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