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引言

随着世界正致力从对化石燃料的依赖转向零碳指标，海优势电的发展正处于发作式的指数增长。风电场的规模和单个风机的尺寸都在增大，离海岸线的距离也越来越远。迄今为止，底部固定式基。ǔ龈袷堑プ。┱季萘酥鞯贾拔。但是随着相宜的近岸海域被风机占满，未来的趋向是海优势机的基础将有多种大局，蕴含漂浮式基础。

在从前的15年，对海优势电场的土体勘测中，利用自升式平台或者钻探船获取测井数据，已经是勘测中必不成少的工作，获取的数据用于这些超大型结构的复杂设计。

出格是，利用RG的PS Logger测试土体的波速数据，已经成为海优势电岩土原位勘测必不成少的一部门。

 

  预计未来8-10年，海优势电的装机容量将超过235GW

 

 

测井汗青

  测井技术能够追忆到20世纪20年代，其时斯伦贝谢兄弟初次演示了商用电测井探头。之后的四五十年功夫，仿照信号测井系统得到了发展，重要用于石油和天然气的勘探，探头的种类也增长了好多。RG公司上世纪80年代进入了细孔测井市场，研发了数字式测井系统利用于岩土、矿物、水有关的领域。这套数字式测井系统的利益在于，一台通例的绞车、采集仪就能够与各类探头兼容。

  只管风能已经被人类利用了数千年，但直到1978年，丹麦人才在Tvind开发出世界上第一台现代化的多兆瓦风力发电机。它的功率为2MW，它占有机舱、圆筒塔架、方向可节造的机头以及三个叶片，至今仍在运行。所有的商用风力发电机都是类似于这种丹麦模式，选取三叶片水平轴设计，都是顺使仉旋转。丹麦还于1991年在Windby开发了世界上第一个浅水商用海优势电场。从那以来，海优势电场的开发得到了迅猛发展，从好多幼型规划的海优势电场到如今很常见的巨型海优势电场。英国、德国，如今的中国，目前中国的海优势电装机容量处于当先职位。

 

 

各类海优势电场勘测技术

对于所有的海优势电场开发，从风资源定性，到地球物理勘测和海洋测绘，再到海底地层勘测，现场勘测是所有工作的基础。除此之表，必要凭据风机的地位思考输电线缆的走向和基础设施的地位。对于一个大型的海优势电场，可能必要破费两年功夫来实现地球物理勘测和岩土勘测，由于要别离独立地发展地球物理勘测和岩土勘测，预防相互影响。

由于这些结构受到复杂的动态循环荷载，所以必要对土-结构之间的相互影响进行钻研，所以获取数据而后提供给风机设计，这个过程是极度沉要的。无论选取哪种设计步骤，海洋岩土勘测（蕴含原位测试和室内试验）是成功实现设计的底子。如表1.

 

 表1 海优势电场现场勘测步骤示例 

类型	勘测	步骤	操作	数据覆盖的密度
非侵入性的	UXO（未爆炸兵器）	磁力仪	船/拖拽浮标	全面覆盖
	水深探测	声呐	船/拖拽浮标	全面覆盖
	海底地形探测	激光雷达	船/拖拽浮标	全面覆盖
	地震波	浅地层反射与折射	船/拖拽阵列	网格
侵入性的	浅地层	贯入CPT	船+海底基盘	风机/基础设施地位
	钻孔	取样，CPT，SCPT，PS波速测试	自升式平台/钻探船	按百分比选择部门场地

 

地球物理勘测阶段通常是最先进行的，可能蕴含利用磁力仪进行未爆炸兵器探测。海底地形丈量技术蕴含声呐和激光雷达，通常是用来进一步对海底阻碍物进行探测，例如岩石露头、孤石、海底沉船等。海底地形探测实现之后，就能够起头进行浅地层非侵入探测了，通常选取浅地层地震波反射或折射步骤。这些勘测步骤通常必要大型的、慢速移动的船舶，拖拽水听器阵列，还必要思考震源能量对海洋生物的影响。对于地震波反射勘测，PS logger探头得到的P波速度能够凭据达到功夫推算出深度（用于速度叠加和偏移）。

  岩土勘测通常选取侵入技术，并且通常是在地球物理勘测实现之后进行的。对于浅近岸试验或者幼场地，岩土勘测通常是在自升式平台上实现的，工人必要轮班更换。这样就必要好多各类支持的船，例如用于平台移动的拖船、待命的安全船、人员交通船。随着距离海岸越来越远，每天两次更换工人是不现实的，必要选取更大的、更昂贵的可供住宿的平台，同样也必要各类支持的船。如今，自升式平台重要是用在水太浅无法用钻探船的场地，或者潮汐强烈导致船舶定位难题的场地。

  带有波浪赔偿、动力定位职能的钻探船目前是海优势电岩土勘测市场的主流。这种钻探船能够在海上进行长功夫的工作，与其他步骤相比相对经济、无需辅助，重要受气象成分影响。这种船选取复杂的钻探系统，钻探过程中，将取芯与CPT相结合。一些岩芯测试能够在船上实现，另表一些岩芯能够送到尝试室进行其它的一些岩芯测试。CPT试验能够得到锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力，能够进一步推算出很都有效的设计参数。除此之表，也能够结合海底基盘进行地震波CPT测试（SCPT），还有SPT测试、旁压测试等。

  当钻孔钻到预约的深度以来，就能够对整个钻孔发展测井工作了，通常是分阶段实现的，以便实现最大的钻孔覆盖。目前在欧洲和美国的海优势电勘测中，PS Logger是一项尺度要求，利用PS Logger获得钻孔P波和S波剖面，通；峤岷献昕卓拙短酵芬宦肥褂，孔径探头的主张是对钻孔进行质量节造。使用PS Logger的益处在于，由于它内置震源，所以能够获取钻孔深部高质量的数据，同时能够对CPT无法贯入的岩石、卵石、碎石地层进行测试。若是遇到了更僵硬的岩层，能够使用声学电视获取钻孔孔壁图像，能够查看岩石层理和岩石破碎段。这些信息也能够用于取芯深度节造和岩芯方向定位，能够将这些信息输入到地层模型中。

  由于钻探通常只是在肯定比例的风机地位进行的，所以尽可能多地从每一个钻孔中通过测井步骤获取数据是尤为沉要的。

 

 

PS Logger测得的P波数据示例

 

 

PS Logger测得的S波数据示例

 

 

基础设计

  到目前为止，险些所有的贸易海优势电项目都选取的是底部固定式基础，目前在向漂浮式基础过渡，发展了一些试点项目，进行了一些研发，漂浮式基础远景辽阔。

  底部固定式基础有多种大局，但目前重要是单桩基础。单桩基础被宽泛使用，相对单一，造作成本低，装置步骤成熟。单桩基础能够在软土层中和硬土层中都能够施工，但是必要对土质情况进行测试和相识。单桩基础拥有大沉量刚度比，水下部门阐发出较大的模态挠度，吸引了很大的波浪力，容易被冲刷。只管如此，单桩基础在造作、运输、装置、守护过程中遇到的各种问题都得到了很好的解决，从而形成了一个极度成功的设计模式，为实现零碳未来指了然方向。

  随着水深越来越深，风机尺寸越来越大，单桩基础设计的直径也必须越来越大，以便能支持更高的结构。由于达到了单桩基础尺寸的极限，思考其它大局的基础就会越发经济，例如吸力桶基础、三脚架基础、导管架基础等。与单桩基础相比，这些大局的基础只占已装置风机的一幼部门，但是越来越受欢迎。随着风机输出目前靠近15MW，并且已经规划了20MW的风机，选取巨大的、不切现实的单桩基础来支持这些风机是不现实的，这使得设计不得不转向这些更？榛幕〈缶。必要把稳的是，与单桩基础相比，三脚架基础和导管架基础蕴含多个基础，他们的多个基础上拥有齐全分歧的荷载个性。固然单桩基础上的侧向力会导致弯曲以及地下部门移动，但是三脚架基础和导管架基础能够将大部门侧向力转化为基础上的垂直拉-推效应。

  无论是哪种基础大局，通过测井技术获得的数据对于设计人员用于仿照土-结构之间相互作用是极度沉要的。

 

 

各类支持结构的大局（从左往右）：单桩基础、沉力基座基础、导管架基础、三脚架基础、立柱式基础、半潜平台基础、张力腿平台基础

 

 

底部固定式风机设计的特点

  海优势机基础设计给设计人员、造作商和装置人员带来了好多怪异的挑战。大型海优势机通常极度高，拥有较高的转子机舱沉量（RNA沉量），相对矫捷，接受了各类动态和循环荷载？衫┐笮晕侍庖埠艹烈，由于随着直径（以及刚度）的增长，荷载个性会产生变动，弯曲模式的沉要性相对于倾覆力矩可能会降低；〉闹匾髡攀前踩亟稍卮莸街芪У耐撂逯，而基础不会产生过度变形。鼓和土在循环和动态荷载下的行为是极度复杂的，因而这些结构的基础设计是拥有挑战性的。

  海优势机的荷载个性蕴含动荷载和循环荷载，动荷载蕴含空气动力学、波浪、水流和土-结构体相互作用，循环荷载重要是风机叶片的动弹。这样的荷载大局造成了横向荷载、弯矩、动弹力矩/倾覆力矩以及摆动和扭捏振动模式。

  整个海优势机的设计必须确保结构的天然频率要避开循环荷载的频率，以免产生共振。对动态和循环载荷谱的分析批注，风的频率领域最低，波浪次之，而后是转子频率（1P），最后是叶片通过频率（3P——对于3个叶片的风机），如图2。塔的弯曲模式与顶部转子机舱沉量（RNA沉量）一路确定了系统的扭捏弯曲模式。与塔架相比，基础在轴向上极度僵硬，现实上塔架振动，基础提供了刚度和阻尼。整个系统的设计频率应避开叶片-转子频率，能够位于软-软、软-硬或硬-硬区域，很多设计使用软-硬区域。

 

 

图2：海优势电设计的能量图谱

 

 

海优势机基础的设计是基于好多设计工作和对设计准则的分析，以确保不超过有关的设计限度，并维持允许的风机特定固有频率领域。多体动力法和有限元法是设计过程中常用的工具，利用土体勘测获取的数据对于分析土-结构相互作用至关沉要。振动模式将决定基础与支持土体的相互作用。此表，若是理解了土-结构相互作用，就能够预测基础的持久行为。

  在欧洲水域，PISA系统已经被选取，该系统为海优势机单桩基础提供一个推算模型用于水平荷载的分析和设计。PISA系统给出了P-Y曲线，将土体阻力仿照为预约义的非线性弹簧。PISA提供了一系列非线性P-Y曲线，这些曲线深度和土体类型都不一样，这些曲线给出了每单元桩长给定土压力（P）下的桩挠度（Y）。对于单桩基础，由于倾覆力矩和侧向荷载，重要的相互作用是侧向桩土相互作用。相反地，对于导管架基础，重要的相互作用是轴向荷载传递。因而，土-结构相互作用取决于选择的基础以及桩周围土体的加载方式。提供足够的阻尼对于海优势机而言至关沉要，以预防结构在使用期间出现过度委顿危险。

  除了分析应力和确定固有频率表，成功的设计还必要思考很多其他成分。这些成分蕴含风机尺寸、基础大局的选择、基础装置步骤、减缓冲刷和配套基础设施，例如升压站和输电线路，以及环境方面的成分。

 

 

 

海优势机的各类基础大局

 

 

测井数据

  获取测井数据此刻是海优势电岩土工程勘测的一个组成部门。PS Logger此刻被以为是极度有价值的，由于它可能为基础设计提供高质量的地层波速剖面，已被英国、欧洲、美国和亚洲所选取。由于PS Logger易于操作，数据靠得住，能够获取CPT无法贯入地层的数据，使PS Logger成为很多海优势电开发人员必用的技术。当钻孔前提不梦想时，用户时时选取孔径探头对钻孔进行测试，为PS Logger提供成孔质量节造。

  若是遇到必要更多信息时，能够选取声学电视探头测定岩芯的方位，也能够确定岩芯的深度，输入到土体模型中。不久的未来，核磁共振技术将会得到更多的使用，由于核磁共振技术能够获取具体的水文地质信息，这些信息通过其它方式是很可贵到的，这样就可能推导出原位密度剖面。测井系统的一个显著利益是，统一套地面设备能够用于各类分歧的探头，这对于钻探船在远离海岸的恶劣环境前提下作业是极度沉要的。如表3.

 

 表3：测井输出的数据

探头	输出	用处	备注
PS Logger	P波波速	将反射波数据从功夫转化为深度
	S波波速	（+P）推算泊松比
	泊松比	土质类型划分 用于弹性模型
	剪切模量	幼应变剪切模量用于弹性模型 推算阻尼系数 推算沉降和硬度	必要密度
	杨氏模量
	体积模量
孔径探头	钻孔直径	PS Logger数据质量节造
		鉴别脆弱层
	天然伽马	海床剖面确定
声学井下电视	发展的图片	岩芯方向确定及深度节造	重要用于僵硬的岩石
	基岩面和破碎层鉴别 倾角、偏差	地质建模
核磁共振探头	孔隙率	水文地质建模	建议的用法
	孔隙大幼散布
	可移动水含量
	毛细水含量
	粘土水含量
	渗入性
	透射率

 

 

 

 

各类底部固定式基础设计

 

 

瞻望未来

  测井系统在海优势电市场中已经得到了充分的验证，在靠得住性和数据质量方面占有优良的利用纪录，测井系统将持续为海优势电勘测提供有效的数据，这些数据选取其它的步骤是很难或者无法得到的。RG公司为危险工作环境下的钻探船提供交钥匙规划，设备机能不变靠得住，预防功夫的损失。随着海优势电场的规模不休扩大，并向更深更远的海域扩大，最终使用漂浮式基础，测井数据能够持续为风机地位、基础设施地位、锚固点提供极度有价值的数据。

 

推荐的探头

 

PS波速探头  用于勘测海床强度的首选探头，可在一个钻孔中丈量岩石和土体中的高分辨率剪切波和压缩速度。该探头对地震工程利用至关沉要，也是离岸构筑物和海优势电场的首选工具。
高分辨率声学井下电视探头  用于液体或泥浆填充的钻孔中进行成像。该探头能够天生一个360度发展的、方向确定的钻孔孔壁超声图像。该探头是破碎地层鉴别及方向测定（倾角和偏差）、地层学钻延注区域应力分析（岩爆）、取芯定向等梦想的工具。
地层密度探头  利用多个传感器进行精确的钻孔赔偿密度丈量，基岩界面分辨率极高。这种步骤若是结合了声波探头，就能够用来确定岩性、密度、孔隙率、岩石强度、弹性参数等，还能够用于风化岩层或破碎岩层的探测。
3臂井径探头    通过三个机械臂接触钻孔孔壁，纪录钻孔的直径，天生一幅陆续的钻孔直径纪录图。该探头是进行测井前查抄钻孔情况的梦想工具。