關鍵詞：風機基礎;海上風電;防撞型式;浮式防撞;船樁碰撞;疲勞損壞
海上風電因節約土地、風資源儲備量大及靠近用電市場等天然優勢，得到了快速發展。海上風電場場址范圍與海上航線、傳統漁場等區域逐漸靠近甚至交叉存在，船舶與海上風機基礎發生碰撞的概率也隨之大大增加[1]。一旦發生船舶碰撞事故，風機基礎將可能發生失穩、傾斜等問題，影響風力發電機的正常運行，造成較大的發電量損失和產生安全風險，且船舶也會因碰撞造成損傷，嚴重時甚至會發生燃料泄露和沉船事故，造成重大環境污染和人員傷亡事件[2]。
李艷貞[3]、Bela[4] 等分別運用非線性有限元模擬船舶側向撞擊海上風機導管架、單樁基礎的碰撞過程，表明不利條件下撞擊事故會造成風機基礎損傷，但沒有給出主動防御或被動防撞型式的具體措施以減少碰撞損害。楊思遠[5]模擬分析了有無防撞設施的船撞基礎過程，結果表明：有防撞設施的碰撞過程時間延長，最大撞擊力降低，但文中主要研究了防撞設施材料的性能參數，并沒有涉及防撞標準、環境適應性等關鍵指標的研究。
中國近海深水風電場建設處于起步階段，技術尚未完全成熟，對海上風機基礎浮式防撞設施研究不多，也較少有標準規范可供參考。本文在分析了國內海上風機基礎防撞型式及特點的基礎上，介紹了不同防撞型式的適用范圍，重點探討了風機基礎浮式防撞設施關鍵指標、防撞體耐撞性、連接件性能及疲勞損壞機理等方面的技術難題，并給出了研究的基本思路和方向，可供海上風電相關研究人員參考。
1 防撞設施基本型式及適用性
1.1 主動防御
一般認為，主動防御是依靠安裝在風機基礎上的探測裝置、攝像工具等，在撞擊事故發生之前及時發現靠近的船舶，并通過監控中心發出警告等方式提醒靠近的船舶注意避讓，進而構建全天候海上風場船舶航行的監控、預警系統。主動防御的主要特點是基于AIS數據、雷達數據等對海上風場區域通航的船舶行為預測分析，在考慮風、浪、流等外界環境干擾的影響下，預測某段時間范圍內船舶的航行軌跡，并判斷船舶通行危險區域，確定風機安全范圍。福建興化灣海上試驗風場的主動防御系統包括雷達、AIS、VHF(甚高頻電波)、CCTV(閉路電視監控系統)、掃海燈和服務器等，設備主要功能和作用見表1。該主動防御系統自投入使用以來，在實際應用中較好地預警了進入風場周邊的風險船舶，避免了碰撞事故的發生。
主動防御的難點在于如何準確及時發現靠近的船舶，尤其是發現缺少或關閉船舶自動識別系統的漁船等船舶，并評估與風場基礎發生碰撞的可能性。此外，在船舶失去控制的情況下，主動防御預警攔截方案將不再適用，此時失事船舶噸位可能更大，速度也相對更快，一旦發生碰撞事故造成的損失較大。因此，主動防御方案在應對不受控制的船舶、漂浮物等碰撞風機基礎事故方面需要進一步研究。
1.2 被動防撞
被動防撞是在發生船舶撞擊風機基礎事故時，能夠依靠自身的結構強度盡量減小基礎損傷的結構型式。常見的風機基礎附著式被動防撞設施主要采用橡膠護舷、靠船柱等固定式防護結構，即依靠風機基礎附屬結構提供靠泊抵抗力。這種設計方案簡單易用，但限制也同樣突出。一方面防撞能力過小，難以適應海上風機基礎越來越高的防撞性能要求。另一方面，護舷等結構的主要作用是風機基礎的登乘系統，僅具備某些方向——大多是漲潮或者落潮方向的防撞能力，無法防范來自風機基礎四周各個方向的船舶撞擊(圖1)，且由于漲落潮水位變化大，固定式的防撞型式導致保護基礎范圍有限。
另一種提高海上風機基礎被動防撞性能的方法是增加基礎自身剛度，優化基礎型式，依靠基礎自身強度抵抗船舶撞擊力。這種方式會造成風機基礎剛度富裕，樁基鋼管壁厚變大，需要耗費大量鋼材，增加基礎造價，進而影響整個風場的經濟可行性。且此種方法設計的防撞能力一般較低，因壁厚過大導致的邊際效應、經濟性等原因造成防撞性能上限提高幅度不大，只能抵擋能量較小的船舶碰撞，留下了安全隱患。
近期，一些研究人員借鑒跨海大橋橋墩防撞型式結構，提出了海上風機基礎浮式防撞設施的概念[6-8]。浮式防撞設施屬于被動防撞的一種特殊型式，主要由防撞體、連接件、附屬結構等構成，最大優點是能夠隨水面上下浮動，防撞性能高，結構質量輕，從而達到節省材料，降低造價的目的。浮式防撞尤其適用于潮差變化大、浪涌變化幅度小的區域，可在較高性價比的基礎上，使基礎保護范圍足夠大。作為柔性防護的一種常用結構型式，浮式防撞不僅能夠對風機基礎起到較好的保護作用，同時也能夠最大程度降低撞擊船舶的損傷，避免撞擊事故造成的損失進一步擴大。
1.3 不同防撞結構型式的優缺點及適用性
不同的海上風機基礎防撞結構型式具有不同的優點和適用性(表2)，主動防御可以做到提前預警，最大程度避免撞擊事故發生，但其在防御失控船舶、大型漂浮物等方面作用不大，因此適用于船舶應答設備齊全、風場毗鄰航線的近、遠海風電場;以附著式和依靠自身剛度為代表的被動防撞型式因其方案簡單易用、施工方便仍有一定的運用價值，考慮到其防撞能力不高，因此該方案往往應用于航行船舶噸位小、潮差變化小的近海淺水風電場;作為一種新型柔性防撞結構，浮式防撞具有防護范圍大、防撞能力高、適應性強的特點，但目前應用技術不夠成熟，面臨的一些技術難題亟待解決。
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