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小序

随着天下正起劲从对化石燃料的依赖转向零碳目的，海优势电的生长正处于爆发式的指数增添
。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，底部牢靠式基
。ㄌ厥馐堑プ
。┱加辛酥鞯贾拔
。可是随着合适的近岸海域被风机占满，未来的趋势是海优势机的基础将有多种形式，包括漂浮式基础
。

在已往的15年，对海优势电场的土体勘探中，使用自升式平台或者钻探船获取测井数据，已经是勘探中必不可少的事情，获取的数据用于这些超大型结构的重大设计
。

特殊是，使用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探必不可少的一部分
。

 

  预计未来8-10年，海优势电的装机容量将凌驾235GW

 

 

测井历史

  测井手艺可以追溯到20世纪20年月，其时斯伦贝谢兄弟首次演示了商用电测井探头
。之后的四五十年时间，模拟信号测井系统获得了生长，主要用于石油和自然气的勘探，探头的种类也增添了许多
。RG公司上世纪80年月进入了细孔测井市
。蟹⒘耸质讲饩低秤τ糜谘彝痢⒖笪铩⑺喙氐牧煊
。这套数字式测井系统的优点在于，一台通例的绞车、收罗仪就可以与种种探头兼容
。

  只管风能已经被人类使用了数千年，但直到1978年，丹麦人才在Tvind开发出天下上第一台现代化的多兆瓦风力发电机
。它的功率为2MW，它拥有机舱、圆筒塔架、偏向可控制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，接纳三叶片水平轴设计，都是顺时针旋转
。丹麦还于1991年在Windby开发了天下上第一个浅水商用海优势电场
。从那以后，海优势电场的开发获得了迅猛生长，从许多小型妄想的海优势电场到现在很常见的巨型海优势电场
。英国、德国，现在的中国，现在中国的海优势电装机容量处于领先职位
。

 

 

种种海优势电场勘探手艺

关于所有的海优势电场开发，从风资源定性，到地球物理勘探和海洋测绘，再到海底地层勘探，现场勘探是一切事情的基础
。除此之外，需要凭证风机的位置思量输电线缆的走向和基础设施的位置
。关于一个大型的海优势电
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。

由于这些结构受到重大的动态循环荷载，以是需要对土-结构之间的相互影响举行研究，以是获取数据然后提供应风机设计，这个历程是很是主要的
。无论接纳哪种设计要领，海洋岩土勘探（包括原位测试和室内试验）是乐成完成设计的基础
。如表1.

 

 表1 海优势电场现场勘探要领示例 

类型	勘探	要领	操作	数据笼罩的密度
非侵入性的	UXO（未爆炸武器）	磁力仪	船/拖拽浮标	周全笼罩
	水深探测	声呐	船/拖拽浮标	周全笼罩
	海底地形探测	激光雷达	船/拖拽浮标	周全笼罩
	地动波	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/基础设施位置
	钻孔	取样，CPT，SCPT，PS波速测试	自升式平台/钻探船	按百分比选择部分园地

 

地球物理勘探阶段通常是最先举行的，可能包括使用磁力仪举行未爆炸武器探测
。海底地形丈量手艺包括声呐和激光雷达，通常是用来进一步对海底障碍物举行探测，例如岩石露头、孤石、海底沉船等
。海底地形探测完成之后，就可以最先举行浅地层非侵入探测了，通常接纳浅地层地动波反射或折射要领
。这些勘探要领通常需要大型的、慢速移动的船舶，拖拽水听器阵列，还需要思量震源能量对海洋生物的影响
。关于地动波反射勘探，PS logger探头获得的P波速率可以凭证抵达时间盘算出深度（用于速率叠加和偏移）
。

  岩土勘探一样平常接纳侵入手艺，并且通常是在地球物理勘探完成之后举行的
。关于浅易岸试验或者小园地，岩土勘探通常是在自升式平台上完成的，工人需要轮班替换
。这样就需要许多种种支持的船，例如用于平台移动的拖船、待命的清静船、职员交通船
。随着距离海岸越来越远，天天两次替换工人是不现实的，需要接纳更大的、更腾贵的可供住宿的平台，同样也需要种种支持的船
。现在，自升式平台主要是用在水太浅无法用钻探船的园地，或者潮汐强烈导致船舶定位难题的园地
。

  带有海浪赔偿、动力定位功效的钻探船现在是海优势电岩土勘探市场的主流
。这种钻探船可以在海上举行长时间的事情，与其他要领相比相对经济、无需辅助，主要受天气因素影响
。这种船接纳重大的钻探系统，钻探历程中，将取芯与CPT相团结
。一些岩芯测试可以在船上完成，另外一些岩芯可以送到实验室举行其它的一些岩芯测试
。CPT试验可以获得锥尖阻力、侧壁摩阻力、孔隙水压力，可以进一步盘算出很都有用的设计参数
。除此之外，也可以团结海底基盘举行地动波CPT测试（SCPT），尚有SPT测试、旁压测试等
。

  当钻孔钻到预定的深度以后，就可以对整个钻孔开展测井事情了，通常是分阶段完成的，以便实现最大的钻孔笼罩
。现在在欧洲和美国的海优势电勘探中，PS Logger是一项标准要求，使用PS Logger获得钻孔P波和S波剖面，通
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。使用PS Logger的利益在于，由于它内置震源，以是可以获取钻孔深部高质量的数据，同时可以对CPT无法贯入的岩石、卵石、碎石地层举行测试
。若是遇到了更坚硬的岩层，可以使用声学电视获取钻孔孔壁图像，可以审查岩石层理和岩石破碎段
。这些信息也可以用于取芯深度控制和岩芯偏向定位，可以将这些信息输入到地层模子中
。

  由于钻探通常只是在一定比例的风机位置举行的，以是尽可能多地从每一个钻孔中通过测井要领获取数据是尤为主要的
。

 

 

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

  到现在为止，险些所有的商业海优势电项目都接纳的是底部牢靠式基
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。

  底部牢靠式基础有多种形式，但现在主要是单桩基础
。单桩基础被普遍使用，相对简朴，制造本钱低，装置要领成熟
。单桩基础可以在软土层中和硬土层中都可以施工，可是需要对土质情形举行测试和相识
。单桩基础具有大重量刚度比，水下部分体现出较大的模态挠度，吸引了很大的海浪力，容易被冲洗
。只管云云，单桩基础在制造、运输、装置、维护历程中遇到的种种问题都获得了很好的解决，从而形成了一个很是乐成的设计模式，为实现零碳未来指明晰偏向
。

  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需越来越大，以便能支持更高的结构
。由于抵达了单桩基础尺寸的极限，思量其它形式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，这些形式的基础只占已装置风机的一小部分，可是越来越受接待
。随着风机输呈现在靠近15MW，并且已经妄想了20MW的风机，接纳重大的、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⌒问
。需要注重的是，与单桩基础相比，三脚架基础和导管架基础包括多个基
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。虽然单桩基础上的侧向力会导致弯曲以及地下部分移动，可是三脚架基础和导管架基础可以将大部分侧向力转化为基础上的笔直拉-推效应
。

  无论是哪种基础形式，通过测井手艺获得的数据关于设计职员用于模拟土-结构之间相互作用是很是主要的
。

 

 

种种支持结构的形式（从左往右）：单桩基础、重力基座基础、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

 

 

底部牢靠式风机设计的特点

  海优势机基础设计给设计职员、制造商和装置职员带来了许多奇异的挑战
。大型海优势机一样平常很是高，具有较高的转子机舱重量（RNA重量），相对无邪，遭受了种种动态和循环荷载
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。饱和土在循环和动态荷载下的行为是很是重大的，因此这些结构的基础设计是具有挑战性的
。

  海优势机的荷载特征包括动荷载和循环荷载，动荷载包括空气动力学、海浪、水流和土-结构体相互作用，循环荷载主要是风机叶片的转动
。这样的荷载形式造成了横向荷载、弯矩、转动力矩/倾覆力矩以及摆动和摇晃振动模式
。

  整个海优势机的设计必需确保结构的自然频率要避开循环荷载的频率，以免爆发共振
。对动态和循环载荷谱的剖析批注，风的频率规模最低，海浪次之，然后是转子频率（1P），最后是叶片通过频率（3P——关于3个叶片的风机），如图2
。塔的弯曲模式与顶部转子机舱重量（RNA重量）一起确定了系统的摇晃弯曲模式
。与塔架相比，基础在轴向上很是坚硬，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，可以位于软-软、软-硬或硬-硬区域，许多设计使用软-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许多设计事情和对设计原则的剖析，以确保不凌驾相关的设计限制，并坚持允许的风机特定固有频率规模
。多体动力法和有限元法是设计历程中常用的工具，使用土体勘探获取的数据关于剖析土-结构相互作用至关主要
。振动模式将决议基础与支持土体的相互作用
。别的，若是明确了土-结构相互作用，就可以展望基础的恒久行为
。

  在欧洲水域，PISA系统已经被接纳，该系统为海优势机单桩基础提供一个盘算模子用于水平荷载的剖析和设计
。PISA系统给出了P-Y曲线，将土体阻力模拟为预界说的非线性弹簧
。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纷歧样，这些曲线给出了每单位桩长给定土压力（P）下的桩挠度（Y）
。关于单桩基
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。相反地，关于导管架基
。饕南嗷プ饔檬侵嵯蚝稍刈
。因此，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法
。提供足够的阻尼关于海优势机而言至关主要，以避免结构在使用时代泛起太过疲劳损伤
。

  除了剖析应力和确定固有频率外，乐成的设计还需要思量许多其他因素
。这些因素包括风机尺寸、基础形式的选择、基础装置要领、减缓冲洗和配套基础设施，例如升压站和输电线路，以及情形方面的因素
。

 

 

 

海优势机的种种基础形式

 

 

测井数据

  获取测井数据现在是海优势电岩土工程勘探的一个组成部分
。PS Logger现在被以为是很是有价值的，由于它能够为基础设计提供高质量的地层波速剖面，已被英国、欧洲、美国和亚洲所接纳
。由于PS Logger易于操作，数据可靠，可以获取CPT无法贯入地层的数据，使PS Logger成为许多海优势电开发职员必用的手艺
。当钻孔条件不睬想时，用户经常接纳孔径探头对钻孔举行测试，为PS Logger提供成孔质量控制
。

  若是遇到需要更多信息时，可以接纳声学电视探头测定岩芯的方位，也可以确定岩芯的深度，输入到土体模子中
。不久的未来，核磁共振手艺将会获得更多的使用，由于核磁共振手艺可以获取详细的水文地质信息，这些信息通过其它方法是很难获得的，这样就可能推导出原位密度剖面
。测井系统的一个显著优点是，统一套地面装备可以用于州差别的探头，这关于钻探船在远离海岸的卑劣情形条件下作业是很是主要的
。如表3.

 

 表3：测井输出的数据

探头	输出	用途	备注
PS Logger	P波波速	将反射波数据从时间转化为深度
	S波波速	（+P）盘算泊松比
	泊松比	土质类型划分 用于弹性模子
	剪切模量	小应变剪切模量用于弹性模子 盘算阻尼系数 盘算沉降和硬度	需要密度
	杨氏模量
	体积模量
孔径探头	钻孔直径	PS Logger数据质量控制
		识别软弱层
	自然伽马	海床剖面确定
声学井下电视	睁开的图片	岩芯偏向确定及深度控制	主要用于坚硬的岩石
	基岩面和破碎层识别 倾角、倾向	地质建模
核磁共振探头	孔隙率	水文地质建模	建议的用法
	孔隙巨细漫衍
	可移动水含量
	毛细水含量
	粘土水含量
	渗透性
	透射率

 

 

 

 

种种底部牢靠式基础设计

 

 

展望未来

  测井系统在海优势电市场中已经获得了充分的验证，在可靠性和数据质量方面拥有优异的应用纪录，测井系统将继续为海优势电勘探提供有用的数据，这些数据接纳其它的要领是很难或者无法获得的
。RG公司为危险事情情形下的钻探船提供交钥匙计划，装备性能稳固可靠，阻止时间的损失
。随着海优势电场的规模一直扩大，并向更深更远的海域扩展，最终使用漂浮式基
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。

 

推荐的探头

 

PS波速探头  用于勘探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区分率剪切波和压缩速率 。该探头对地动工程应用至关主要，也是离岸修建物和海优势电场的首选工具 。
高区分率声学井下电视探头  用于液体或泥浆填充的钻孔中举行成像 。该探头可以天生一个360度睁开的、偏向确定的钻孔孔壁超声图像 。该探头是破碎地层识别及偏向测定（倾角和倾向）、地层学研究、区域应力剖析（岩爆）、取芯定向等理想的工具 。
地层密度探头  使用多个传感器举行准确的钻孔赔偿密度丈量，基岩界面区分率极高 。这种要领若是团结了声波探头，就可以用来确定岩性、密度、孔隙率、岩石强度、弹性参数等，还可以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，天生一幅一连的钻孔直径纪录图 。该探头是举行测井前检查钻孔状态的理想工具 。