風力機擴展基礎(chǔ)基底壓力測試與平面度分析

鄧宗偉，彭文春，高乾豐，董 輝，朱志祥

（1.湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000；2.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014；3.湘潭大學 土木工程與力學學院，湖南 湘潭 411105；4.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075）

1 引 言

風力發(fā)電機組基礎(chǔ)（以下簡稱風機基礎(chǔ)）不僅要承受較大的水平力和傾覆力矩，且荷載的大小和方向也時刻變化，這就導致了風機基礎(chǔ)的受力狀態(tài)遠比其他高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)復雜[1－2]。當前，隨著風機功率和輪轂高度的增加，風機荷載和運行環(huán)境變得更加復雜，對風機地基和基礎(chǔ)的受力、變形及穩(wěn)定性也提出了更高的要求。陸地風機基礎(chǔ)較多地采用圓形或八邊形擴展基礎(chǔ)，這種基礎(chǔ)主要依靠自身重量來平衡整個風機的傾覆力矩。當基礎(chǔ)受到較大偏心荷載時基底一側(cè)邊緣將承受很大的壓力，若超過地基極限承載能力將引起地基破壞；同時，基礎(chǔ)另一側(cè)的基底壓力可能出現(xiàn)零值區(qū)，這時基礎(chǔ)底板與地基部分脫開，超過一定限度將危及整個風機的安全。我國風電產(chǎn)業(yè)起步較晚但發(fā)展迅速，近幾年我國已出現(xiàn)過幾例風電場工程竣工建成后，在極端工況甚至是正常運行時，風機地基基礎(chǔ)破壞而導致整機損毀的事故[3－4]，雖然其中原因較多，但主要原因在于風機地基基礎(chǔ)的理論研究嚴重滯后于生產(chǎn)實踐[5]。國內(nèi)外學者對房屋建筑、高聳結(jié)構(gòu)、電力建筑等地基基礎(chǔ)的研究較多，但對大偏心及隨機動荷載共同作用下地基基礎(chǔ)相互作用關(guān)系的研究較少[6－8]。至今，國內(nèi)在風電方面仍然沒有正式發(fā)布的地基基礎(chǔ)規(guī)范，而只有試行規(guī)定[9]。此規(guī)定在淺基礎(chǔ)方面只考慮了矩（方）形擴展基礎(chǔ)，而對于陸地風機常用的圓形和八邊形擴展基礎(chǔ)的設(shè)計計算還需參照建筑規(guī)范[10－11]的有關(guān)假定和簡化方法，其結(jié)果的準確性有待考證。因此，亟待對大偏心動荷載作用下地基基礎(chǔ)間的相互作用進行現(xiàn)場測試研究，以檢驗和校核現(xiàn)有風機地基基礎(chǔ)相應(yīng)理論和數(shù)值方法的正確性。

本文基于湖南郴州橋市風電場風機圓形基礎(chǔ)基底壓力的實測數(shù)據(jù)，對基底壓力隨時間的長、短期變化特性及分布規(guī)律進行分析和總結(jié)，提出實測基底壓力平面度的概念，并對現(xiàn)有規(guī)范進行修正，為我國內(nèi)陸風機地基基礎(chǔ)的設(shè)計計算提供參考。

2 工程概況與測試方法

橋市風電場位于湖南省郴州市桂陽縣境內(nèi)，該地區(qū)為低山丘陵地貌，海拔一般為400～580 m。地表遍布第四系殘坡積覆蓋層。以該風電場某臺風力機為對象進行研究，其場址周圍地形較為平緩，勘探深度范圍內(nèi)未見地下水。地表覆蓋層厚為5.1～8.2 m，下伏基巖為上古生界石炭系下統(tǒng)大塘階測水段(C1d2)，巖性主要為薄至中厚層狀中細粒石英砂巖、粉砂巖。地層分布與主要物理力學參數(shù)見表1。風機采用了單機容量為2 000 kW 的風力發(fā)電機組，輪轂高度為80.0 m，風輪直徑為93.4 m，額定風速為11.0 m/s，風輪、機艙和塔筒總重約294.0 t。風機基礎(chǔ)采用圓形鋼筋混凝土擴展基礎(chǔ)，底板直徑為18.5 m，基坑開挖深度為3.1 m，基礎(chǔ)持力層為殘坡積黏性土?；A(chǔ)環(huán)采用了特種鋼材料，基礎(chǔ)混凝土等級為C35，墊層混凝土等級為C15。表2 給出了該風機施工（運行）的基本情況。

表1 地基土物理力學性質(zhì)指標Table 1 Physical and mechanical indexes of soil layers

表2 風機基礎(chǔ)施工情況Table 2 Construction conditions of wind turbine spread subgrade

基礎(chǔ)施工前，在基底預(yù)埋了用于測試接觸壓力的鋼弦式土壓力盒（簡稱靜土壓力盒）和用于測試動荷載效應(yīng)的電阻應(yīng)變式動土壓力盒（簡稱動土壓力盒），以研究風力機這種特殊動力結(jié)構(gòu)下地基基礎(chǔ)間的相互作用關(guān)系?？紤]到風機基礎(chǔ)360°方向受力的特點，靜土壓力盒從上風向起沿基礎(chǔ)環(huán)向每隔45°均勻布置1 個監(jiān)測斷面，每斷面布置2 個土壓力盒（1 個中心土壓力盒），共計17 個；動土壓力盒則從上風向起沿基礎(chǔ)環(huán)向每隔90°布置一個，共計4 個。圖1 給出了基底土壓力盒的布置示意圖。

圖1 基底土壓力盒布置(尺寸單位:mm)Fig.1 Layout of earth pressure cell in basement(unit:mm)

3 基底壓力測試結(jié)果分析

3.1 基底壓力長期變化特性

圖2 實測基底壓力時程曲線Fig.2 Time history curves of measured subgrade pressure

對風機從基礎(chǔ)施工到正常運行整個過程中基底壓力的監(jiān)測結(jié)果進行分析。圖2(a)、2(b)分別為EPC-1#測線、EPC-2#測線實測基底壓力隨時間的長期變化曲線。從結(jié)果可知，2月28 日基礎(chǔ)回填完成后，基底在基礎(chǔ)自重和回填土重量作用下產(chǎn)生了較大的壓力，但壓力分布相對比較均勻，主要集中在59～65 kPa 范圍內(nèi)。4月8～9 日完成了塔筒的吊裝，此過程中施加在基礎(chǔ)上的豎向荷載迅速增大，基底壓力曲線出現(xiàn)一個小臺階變化。4月14 日機艙和發(fā)電機吊裝完成，因兩者重量大，基底壓力大幅度增加。4月26 日風機整體吊裝完成至風機運行前，各點壓力均達到各自的較大水平。6月26 日風機正常運行，由于風輪與主風向?qū)χ?，整機的阻風面積相對減小，此時自重產(chǎn)生的附加力矩與水平風荷載產(chǎn)生的力矩方向相反，抵消了部分水平力矩，使基底壓力最大值（EPC-2#測線）略有減小。自機艙、發(fā)電機吊裝起，基底壓力開始變得非常離散，尤其是風機運行后，一點的壓力在某一時刻可能很小，而到下一刻卻可能是壓力最大的位置。

3.2 基底壓力的分布規(guī)律

將各階段不同測點的基底壓力實測數(shù)據(jù)通過Origin 軟件繪制成Polar Contour 圖，以形象描述基底壓力的分布情況，如圖3 所示。從圖中可知，塔筒吊裝完成后，基底壓力實測值并不呈理想的均勻分布，而表現(xiàn)為180°方向局部區(qū)域大、270°～315°等區(qū)域小的特性，此時基底壓力的最大值為85.73 kPa。整機全部吊裝完成至風機運行前，EPC-2#測線225°方向附近的基底壓力數(shù)值始終較大，這是因為施工時風輪朝230°方向安裝，使基礎(chǔ)在上部結(jié)構(gòu)重量和水平風荷載的共同作用下受到較大朝225°方向的力矩所致，此過程中測得的基底壓力最大值為130.20 kPa，最小值為63.05 kPa。風機運行后，基底壓力整體上呈0°～45°方向小、180°～225°方向大的分布，壓力等值線的最大梯度線在45°～225°斷面附近，說明45°～225°斷面為該工況條件下地基承載力驗算的控制斷面。

圖3 實測基底壓力分布圖Fig.3 Distribution maps of measured subgrade pressure

在地基土為黏性土，基礎(chǔ)偏于剛性的情況下，一般建筑物的基底壓力分布通常呈典型的馬鞍形或拋物線形，然而風機基底壓力的分布形式在不同工況條件下差異較大。從各工況下風機基礎(chǔ)基底壓力沿0°～180°斷面、90°～270°斷面的徑向分布圖（圖4）可知，基底壓力在基礎(chǔ)回填完成時呈中心大、周邊小的分布，較接近拋物線形曲線。隨著塔筒的逐段吊裝，基底壓力的數(shù)值整體變大，其分布線形變緩。機艙開始吊裝后，基礎(chǔ)受到的偏心荷載隨之增大，并逐步向水平合力矩旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生傾斜，使基礎(chǔ)一側(cè)的基底壓力增大，整機吊裝完成至風機運行前，基底壓力在0°～180°斷面表現(xiàn)為緩“N”形分布。風機運行后，基底壓力最大值的位置朝180°方向移動，基底壓力沿徑向近似呈梯形分布，較為符合常用的基底壓力分布假設(shè)。

圖4 實測基底壓力徑向分布圖Fig.4 Radial distributions of measured subgrade pressure

3.3 基底壓力短期變化特性

風機主體結(jié)構(gòu)與一般建筑結(jié)構(gòu)的主要不同之處在于其不僅具有360°大偏心受力的特性，而且還要承受較大隨機動荷載的作用。圖5 給出了6月26日風機正常運行時DEPC-1#測線基底壓力的10 min動態(tài)變化曲線。從圖5 可知，該測線0°、90°、180°和270°方向測點10 min 內(nèi)基底壓力的最大值與最小值之差分別為2.01、3.47、3.90、3.25 kPa，占各自平均壓力的2.91%、5.02%、4.75%和4.45%，說明風荷載的隨機變化、風輪旋轉(zhuǎn)以及機艙內(nèi)部機械的振動等都可能通過塔筒和基礎(chǔ)傳遞到基底而對地基產(chǎn)生影響。風機基底壓力在一定應(yīng)力水平上呈上下無規(guī)則的波動變化形態(tài)，若將基底壓力進行分解，則可分為長周期的靜壓力部分和短周期的動壓力部分，其中動壓力部分是使風機地基受力區(qū)別于一般建筑物地基的根本因素。由于動壓力部分的存在，風機基礎(chǔ)邊緣以內(nèi)的實測基底壓力可以達到靜壓力部分的1.05 倍，然而這在實際設(shè)計計算中往往沒有予以考慮。

圖5 實測基底動壓力時程曲線Fig.5 Time-history curves of measured dynamic subgrade pressure

4 實測基底壓力分布平面度分析

4.1 基底壓力規(guī)范計算方法

我國現(xiàn)有規(guī)范[12]在計算基底壓力時，根據(jù)偏心距大小，假定基底壓力沿基礎(chǔ)斷面為矩形、梯形或三角形分布（在空間為平面分布），以風機圓形擴展基礎(chǔ)基底壓力的計算為例，將基礎(chǔ)上的作用力均視為靜荷載，當基礎(chǔ)承受軸心荷載和在核心區(qū)內(nèi)(e≤b/6)承受偏心荷載，基礎(chǔ)底面未與地基脫開（如圖6）時，基礎(chǔ)邊緣基底壓力的最大值與最小值按下式計算：

式中：N為上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向荷載（kN）；G為基礎(chǔ)自重和上覆土重（kN）；M為上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的合力矩（kN?m）；A為基礎(chǔ)底面積（m2）；W為基礎(chǔ)底面的抵抗矩（m3）。

然而，對于風力機這種特殊的動力結(jié)構(gòu)，其基礎(chǔ)底面壓力分布是否完全符合平面假定有待確認，如果實際基底壓力分布面形態(tài)與平面相差懸殊，那么，上述式（1）就不能用來求解風機基礎(chǔ)基底壓力的最大、最小值或需要加以修正才能用于計算。

圖6 圓形基礎(chǔ)基底壓力分布假定Fig.6 Subgrade pressure distribution assumption of circular foundation

4.2 實測基底壓力平面度概念

平面度誤差，是指實際平面對其理想平面的變動量，理想平面的位置應(yīng)符合最小條件[11]。實測基底壓力分布的平面度誤差可以定義為：基礎(chǔ)底面二維坐標與實測壓力值構(gòu)成的空間三維曲面對理想壓力分布平面的變動量，用ΔP 表示。這里的理想壓力分布平面是指規(guī)范中假定的基底壓力分布平面。

實測基底壓力的平面度定義為：實測基底壓力分布平面度誤差值與理想基底壓力分布平面中心點壓力值的比值，用K 表示。它反映了實測基底壓力分布與理想平面分布的吻合程度，K 越接近于0，說明實測基底壓力越符合理想平面分布。根據(jù)定義，實測基底壓力平面度的表達式為

式中：K為實測基底壓力分布平面度；Po為理想基底壓力分布平面中心點壓力值（kPa）。

4.3 基于平面度對規(guī)范公式的修正

建立以基礎(chǔ)底面中心O為原點的空間直角坐標系(x-y-p)，其中xOy 平面與基底重合，且x 軸正方向與主風向一致，如圖7 所示，而O-p 軸與xOy 平面垂直，其數(shù)值代表基底壓力大小?；贛ATLAB編程，應(yīng)用最小二乘法原理計算實測基底壓力的平面度，結(jié)果見表3。從表中可知，風機基礎(chǔ)的4 次實測基底壓力中，平面度K 最小值為0.17，在塔筒全部吊裝完成階段，平面度K 最大值為0.25，在風機整體吊裝完成而停機待運行階段，而風機正常運行階段實測基底壓力的平面度K=0.19。由此可見，實際風機基底壓力的分布與理想平面分布是存在一定差距的，故考慮到實際基底壓力分布的非平面性，用規(guī)范公式對風機運行階段的基底壓力進行計算時，建議對基底壓力最大值乘以(1+K) ≈1.2的放大倍數(shù)，而對基底壓力最小值乘以(1?K) ≈0.8的縮小倍數(shù)。

圖7 基礎(chǔ)底面坐標系Fig.7 Coordinate system in the bottom of foundation

表3 實測基底壓力的平面度計算Table 3 Flatness calculation of measured subgrade pressure

在圖7 所示的基底坐標系中，若將基礎(chǔ)底板圓內(nèi)各點的坐標代入表3 所示的理想基底壓力平面方程中，則可以預(yù)測到不同施工條件下整個基礎(chǔ)底面壓力的最大、最小值。同樣，由于實際壓力分布的非平面性，這里需要對基底壓力的最大或最小值乘以(1+K)或(1?K)的系數(shù)進行修正，所得結(jié)果見表4。從表中可知，根據(jù)實測的4 組基底壓力值，預(yù)測得到基礎(chǔ)底面可能出現(xiàn)的最大基底壓力值為183.53 kPa，在基礎(chǔ)邊緣242°方向位置，壓力大小在地基土承載力允許范圍之內(nèi)，滿足要求；預(yù)測最小基底壓力值為34.19 kPa，位于基礎(chǔ)邊緣62°方向位置，基底壓力均大于0，說明風機基礎(chǔ)在施工和運行期間均未出現(xiàn)與地基脫開的現(xiàn)象。

表4 基底壓力最值預(yù)測Table 4 Extreme value prediction of subgrade pressure

5 結(jié) 論

（1）基底壓力的大小及分布與風速和運行狀況密切相關(guān)，由基礎(chǔ)及回填土重量產(chǎn)生的壓力占總基底壓力的比值較大；風機基底壓力在不同工況條件下表現(xiàn)出不同的分布形式，可能為拋物線形分布或梯形分布，甚至緩“N”形分布。

（2）風荷載的隨機變化、風輪旋轉(zhuǎn)以及機艙振動等可通過塔筒和基礎(chǔ)傳遞到地基，引起基底壓力不規(guī)則動態(tài)變化，實測得到動荷載對基礎(chǔ)邊緣以內(nèi)基底壓力的動力放大系數(shù)達到1.05，說明動土壓力對地基土的影響不能完全忽視。

（3）由于風機地基基礎(chǔ)受到上部結(jié)構(gòu)傳來的動荷載的影響，實際基底壓力的分布形態(tài)與理想平面分布存在一定差距，若用現(xiàn)行規(guī)范對風機基礎(chǔ)基底壓力的最大值和最小值進行計算，建議分別乘以1.2和0.8 的系數(shù)進行修正。

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