論風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)及安全控制原則

程新波

（武漢聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)股份有限公司，湖北 武漢 430070）

中國(guó)已成為全球風(fēng)電行業(yè)的領(lǐng)頭羊。2009年中國(guó)風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)1380萬(wàn)kW，位居世界第一。而2010年，全球每三臺(tái)新安裝的風(fēng)電機(jī)組，就有一臺(tái)在中國(guó)。中國(guó)的風(fēng)能潛力巨大，到2020年的風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)可以達(dá)到2.3億kW，相當(dāng)于13個(gè)三峽電站；總發(fā)電量可以達(dá)到4649億kW·h，可取代200個(gè)火電廠。屆時(shí)，風(fēng)電將成為中國(guó)主要能源來(lái)源之一，總裝機(jī)容量占全國(guó)電力裝機(jī)容量的15%左右，每年可減少4.1億t二氧化碳排放，或者少消耗近1.5億t的標(biāo)準(zhǔn)煤。

我國(guó)政府對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)全局和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展做出重大部署，制定了 《“十二五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，以加速我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)。同時(shí)確定，2015年風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量將達(dá)到1億kW，2020年超過(guò)2億kW。今年年初，國(guó)家能源局發(fā)布的核準(zhǔn)和擬核準(zhǔn)項(xiàng)目總?cè)萘砍^(guò)了4800萬(wàn)kW，現(xiàn)有的規(guī)劃在理論上足以支持未來(lái)3年年均1600萬(wàn)kW的新增裝機(jī)容量。

在如此巨大的國(guó)家宏觀調(diào)控力度下，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)如火如荼，遍地開花，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的建設(shè)量也相當(dāng)龐大。但因?yàn)槟壳爸袊?guó)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究的理論還不是很成熟，多數(shù)是借鑒的國(guó)外相關(guān)技術(shù)，故在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方面還有很多需要研究和完善的地方。

以下就風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的相關(guān)理論及技術(shù)作一些分析與總結(jié)，僅供參考。

一、當(dāng)前風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的理論及相關(guān)規(guī)范（國(guó)外、國(guó)內(nèi)）

1 當(dāng)前風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的理論

由于風(fēng)機(jī)塔筒的高度相對(duì)比較高，一般在80m左右，葉輪半徑約40m，上部結(jié)構(gòu)約250t，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的理論模型為一個(gè)自重較大的高聳結(jié)構(gòu)。抗傾覆設(shè)計(jì)為其設(shè)計(jì)的主要考慮因素。目前比較可靠的基礎(chǔ)理論為通過(guò)設(shè)備及基礎(chǔ)的自重對(duì)傾覆點(diǎn)產(chǎn)生的抗傾覆力矩來(lái)抵抗由風(fēng)機(jī)工作及地震等產(chǎn)生的傾覆力矩。設(shè)計(jì)考慮的是偏心距/基礎(chǔ)底板半徑，在正常工況時(shí)不大于0.25，極端工況與地震時(shí)不大于0.43。在這一基本理論的前提下北京木聯(lián)能工程科技有限公司開發(fā)了相應(yīng)的風(fēng)電工程軟件-機(jī)組塔架地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件（WTF）（v4.4.1），目前風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)也主要是依靠的此理論。

2 目前國(guó)內(nèi)使用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定（試行）》FD003-2007；《風(fēng)電場(chǎng)工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》FD002-2007；《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB50223-2008；《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010；《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011；《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010；《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50476-2008。

3 借鑒的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)：（主要是德國(guó)的DIN）

《DIN1045》德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)。

二、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)安全控制的要點(diǎn)

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要考慮的是抗傾覆和基礎(chǔ)本身的整體性，在設(shè)計(jì)時(shí)主要從以下幾個(gè)方面來(lái)控制：

1 抗傾覆控制，偏心距的控制是比較重要的，這一可以保證安全系數(shù)不小于1.2；

2 基礎(chǔ)本身的抗裂、抗沖切、抗剪、抗疲勞設(shè)計(jì)控制；

3 基礎(chǔ)的整體性和與上部結(jié)構(gòu)塔筒的連接設(shè)計(jì)控制。

三、設(shè)計(jì)案例

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

新疆某風(fēng)電場(chǎng)，單機(jī)裝機(jī)容量2MW。風(fēng)機(jī)輪轂高度70m，葉片直徑87m。風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)級(jí)別為1級(jí)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)使用年限為50年，基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土擴(kuò)展圓形基礎(chǔ)。風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)抗震設(shè)防分類為丙類。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

本項(xiàng)目最大工況的傾覆力矩為37707.057kN·m。

設(shè)計(jì)計(jì)算程序?yàn)镃FD風(fēng)電工程軟件-機(jī)組塔架地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件（WTF）（v4.4.1）（北京木聯(lián)能工程科技有限公司）。

本工程采用軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要不斷的調(diào)整基礎(chǔ)底板直徑及基礎(chǔ)高度來(lái)試算，在滿足抗傾覆安全的前提下，盡量縮減混凝土和鋼筋用量。

經(jīng)過(guò)不斷調(diào)整與試算，得出較為經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)尺寸。

基礎(chǔ)尺寸為：

基礎(chǔ)底板半徑R =9.55m

基礎(chǔ)棱臺(tái)頂面半徑R1 =3.5m

基礎(chǔ)臺(tái)柱半徑R2 =3.5m

塔筒直徑B3 =4.2m

基礎(chǔ)底板外緣高度H1 =1m

基礎(chǔ)底板棱臺(tái)高度H2 =1.5m

臺(tái)柱高度H3 =0.9m

上部荷載作用力標(biāo)高Hb =0.615m

基礎(chǔ)埋深Hd =3.3m

荷載分項(xiàng)系數(shù)：

永久荷載分項(xiàng)系數(shù)（不利/有利）：1.2/1

可變荷載分項(xiàng)系數(shù)（不利/有利）：1.5/0

疲勞荷載分項(xiàng)系數(shù)：1

偶然荷載分項(xiàng)系數(shù)：1

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1

荷載修正安全系數(shù)：1.35

方量計(jì)算：

基礎(chǔ)混凝土體積V12：536.164m3

基礎(chǔ)覆土體積V22：413.204m3

經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)本身的抗裂、抗沖切、抗剪、抗疲勞設(shè)計(jì)控制，以及基礎(chǔ)的整體性和與上部結(jié)構(gòu)塔筒的連接設(shè)計(jì)。

結(jié)語(yǔ)

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)涉及整個(gè)風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定，一旦設(shè)計(jì)出現(xiàn)偏差，風(fēng)機(jī)將會(huì)產(chǎn)生傾覆的危險(xiǎn)。不僅產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)影響（一個(gè)風(fēng)機(jī)含直接安裝設(shè)備的造價(jià)都在500萬(wàn)左右），也可能產(chǎn)生生命安全事故。我們?cè)谶M(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，紀(jì)要考慮其經(jīng)濟(jì)性，又要考慮其安全性。

[1]GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]FD003-2007，風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定（試行）[S].

[4]FD002-2007，風(fēng)電場(chǎng)工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5]GB50223-2008，建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]GB50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].