第1章　緒論

能源是發(fā)展生產(chǎn)和提高人們生活水平的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原動(dòng)力。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)能源的需求將越來(lái)越大，可以預(yù)見(jiàn)可再生能源會(huì)進(jìn)入快速發(fā)展階段，將成為全球能源體系中不可缺少的一部分。

在目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)利用的可再生清潔能源中，風(fēng)電發(fā)展速度快、技術(shù)成熟，具有大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用的前景和較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)對(duì)風(fēng)能資源的研究起步較晚，相關(guān)部門(mén)曾進(jìn)行了三次陸上風(fēng)能資源普查。第一次風(fēng)能資源普查于1980年開(kāi)始，得到了我國(guó)風(fēng)能資源儲(chǔ)量約為1.6億kW的結(jié)論。第二次風(fēng)能資源普查在1984年9月—1987年7月期間進(jìn)行，1995年對(duì)外公布了成果：陸上10m高度風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為32.26億kW，技術(shù)可開(kāi)發(fā)儲(chǔ)量為2.53億kW。2004年進(jìn)行了第三次普查，結(jié)論認(rèn)為我國(guó)陸上風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為43.5億kW，技術(shù)可開(kāi)發(fā)儲(chǔ)量為2.97億kW。隨后，2010年中國(guó)氣象局公布了我國(guó)風(fēng)能資源詳查和評(píng)價(jià)取得的階段性成果：陸上及5～25m水深線以?xún)?nèi)近海海域50m高度可開(kāi)發(fā)裝機(jī)容量逾25億kW。雖然每次測(cè)算結(jié)果差別較大，但可看出陸上風(fēng)能資源儲(chǔ)量在數(shù)億至幾十億千瓦范圍內(nèi)，目前人們普遍接受的一般說(shuō)法是中國(guó)風(fēng)能可開(kāi)發(fā)的資源量陸上為2.5億kW，海上為7.5億kW，我國(guó)風(fēng)能資源儲(chǔ)量巨大，開(kāi)發(fā)前景廣闊。

近年來(lái)我國(guó)陸上風(fēng)電開(kāi)發(fā)迅猛，但大規(guī)模高度集中的開(kāi)發(fā)使其進(jìn)入了發(fā)展瓶頸期，限制發(fā)展的主要因素可歸結(jié)為以下兩個(gè)方面：

（1）項(xiàng)目前期競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，開(kāi)發(fā)潛力日趨枯竭。

（2）開(kāi)發(fā)項(xiàng)目主要集中在風(fēng)力資源最為豐富的“三北”地區(qū)，裝機(jī)容量急劇增加，由于風(fēng)電場(chǎng)輸出功率波動(dòng)性大，對(duì)電網(wǎng)造成了較大的沖擊；同時(shí)“三北”地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)相對(duì)滯后，抗沖擊能力較弱。電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電的制約越來(lái)越突出，由于限制風(fēng)電并網(wǎng)，棄風(fēng)較為嚴(yán)重。

陸上風(fēng)電發(fā)展受限的同時(shí)，海上風(fēng)電發(fā)展迎來(lái)了新機(jī)遇。首先，中國(guó)東部沿海電網(wǎng)特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式與歐洲類(lèi)似，具有適宜大規(guī)模開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)條件；其次，相關(guān)風(fēng)機(jī)廠家研發(fā)了國(guó)產(chǎn)化的海上專(zhuān)用機(jī)組，且單機(jī)容量不斷增大，機(jī)組單位造價(jià)持續(xù)下降；一定規(guī)模的風(fēng)電場(chǎng)所需風(fēng)機(jī)數(shù)量減少，基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用及風(fēng)機(jī)安裝費(fèi)用必然下降；最后，隨著示范風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行及技術(shù)的持續(xù)改進(jìn)，基礎(chǔ)造價(jià)不斷下降，單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)及桶形基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)型式逐漸被工程界認(rèn)可接受，與傳統(tǒng)的高樁承臺(tái)基礎(chǔ)相比，極大地縮減了基礎(chǔ)建設(shè)工期，降低了工程造價(jià)。因此，我國(guó)海上風(fēng)電進(jìn)入規(guī)模開(kāi)發(fā)階段是發(fā)展的必然趨勢(shì)。

歐洲海上風(fēng)電的開(kāi)發(fā)起步較早，已走在世界前列，有許多經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。已建風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)是造成海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)成本高的重要因素，典型的海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)成本中，風(fēng)機(jī)機(jī)組費(fèi)用約占總投資的30％，其他部分（基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、海底電纜、運(yùn)行與維護(hù)等）約占70％。我國(guó)東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組費(fèi)用約占總投資的50％。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)直接受地基土體特性和極端風(fēng)荷載的影響，我國(guó)近海條件在這兩方面均與歐洲存在較大的差別，主要體現(xiàn)在：①我國(guó)東部沿海表層土體大多為淤泥質(zhì)黏土，且深度多大于10m，這增加了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工難度；②我國(guó)東南部及東部海域受臺(tái)風(fēng)影響，風(fēng)況復(fù)雜、極端風(fēng)速大，風(fēng)機(jī)機(jī)組及基礎(chǔ)均需考慮臺(tái)風(fēng)的影響。

桶形基礎(chǔ)為頂端封閉、下端開(kāi)口的倒置桶狀結(jié)構(gòu)，水深適應(yīng)范圍較廣（從幾米到幾百米），是近20年來(lái)應(yīng)用于海洋工程的有較好發(fā)展前景的基礎(chǔ)型式。丹麥Frederikshavn風(fēng)電場(chǎng)首次將其應(yīng)用到海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，充分說(shuō)明了在類(lèi)似條件下其作為海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的可行性，并且在建設(shè)和運(yùn)行中均體現(xiàn)出了較多的優(yōu)勢(shì)，如易于拆除、可重復(fù)利用、安裝工期短、費(fèi)用低等。限于國(guó)外技術(shù)保密，加上我國(guó)近海受臺(tái)風(fēng)影響、淤泥較為深厚的客觀條件，桶形基礎(chǔ)在我國(guó)海上風(fēng)電中的研究和應(yīng)用較為緩慢，2017年三峽新能源響水海上風(fēng)電場(chǎng)成功安裝了首臺(tái)海上風(fēng)機(jī)復(fù)合桶形基礎(chǔ)。本書(shū)主要針對(duì)近海風(fēng)電機(jī)組，圍繞桶形基礎(chǔ)承載、變形特性展開(kāi)系統(tǒng)的闡述。