山區(qū)風電場的風電機組基礎選型設計

文 | 肖晶晶

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山區(qū)風電場的風電機組基礎選型設計

文 | 肖晶晶

近年來，我國在風能資源利用方面發(fā)展迅速，據(jù)中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會的統(tǒng)計，截至2014年中國風電累計裝機容量已經(jīng)突破1億千瓦，繼續(xù)穩(wěn)居世界裝機首位。但是，在這種以資源為導向的爆發(fā)式增長后，還以大規(guī)模的風電場開發(fā)建設的模式來發(fā)展必然不是長久之路。相反，如何更有效的利用風電場的風能資源和解決相關的配套因素才能保證我國的風電行業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展。

目前國內(nèi)的風電機組設備廠家已經(jīng)開始通過增加輪轂高度以及葉片長度等措施以提高對風電場風能的利用率。與此同時，風電機組的上部載荷也越來越大，對風電機組的基礎設計要求也越來越高。風電機組基礎的型式以及相應的工程量也成為影響工程造價和風電場效益的重要因素之一，也是業(yè)主比較關心的問題。本文結(jié)合作者的工作經(jīng)驗，以國內(nèi)某山區(qū)風電場為例，介紹了傳統(tǒng)擴展基礎、錨桿式基礎以及新型梁板式基礎的設計，對比了三種基礎的優(yōu)缺點，對類似風電場的工程建設提供一定的工程經(jīng)驗。

概述

國內(nèi)某風電場總裝機規(guī)模為48MW，安裝單機容量為2MW的風電機組，數(shù)量為24臺。風電機組機位位于各山頭上，山頭間高差較大，風電場場地內(nèi)地基土主要分為如下四層：

1. 一層松散層不能作為風電機組天然地基持力層，須挖除。

2. 二層全風化花崗巖厚度不均勻，當厚度與埋深合適時，該層是風電機組天然地基的良好持力層。

3. 三層強風化花崗巖，承載力高，性狀良好，埋深適中，該層也是風電機組天然地基的良好持力層，但開挖難度較大，需機械與爆破結(jié)合開挖。

4. 四層中等風化花崗巖，巖石較完整，承載力較高，但埋深較大，當二層與三層強風化花崗巖不能滿足要求時，可考慮作為風電機組天然地基持力層。該層開挖難度大，多需爆破開挖。

巖土地質(zhì)參數(shù)見下表1。

風電機組上部載荷

目前國內(nèi)陸上風電機組的上部載荷主要還是由風電機組廠家提供。本工程風電機組的上部載荷坐標系見圖1，荷載標準值見表2。

表1 巖土地質(zhì)參數(shù)建議值表

荷載分項系數(shù)

目前對于陸上風電場的基礎設計主要依據(jù)水規(guī)總院2007年發(fā)行的《風電機組地基基礎設計規(guī)定》（試行）進行復核和驗算。該規(guī)定主要采用極限狀態(tài)的設計方法，穩(wěn)定計算的相關荷載的分項系數(shù)見表3。

在風電機組基礎設計中，由于考慮到風荷載的隨機性較大，且不易模擬。在與地基承載力、基礎穩(wěn)定性有關的計算中，上部結(jié)構傳至塔筒底部與基礎環(huán)交界面的荷載應采用修正標準值，修正安全系數(shù)k0取1.35。修正后的上部荷載標準值見表4。

風電機組基礎型式比選

風電機組基礎的上部荷載主要是由風荷載以及塔架和設備本身的自重產(chǎn)生，再通過基礎環(huán)傳到風電機組基礎。目前陸上的風電機組基礎型式主要有擴展基礎、樁基礎和巖石錨桿基礎，一般在軟弱土層或高壓縮性土層時優(yōu)先采用樁基礎。而山區(qū)風電場一般優(yōu)先采用擴展基礎或者巖石錨桿基礎，本文還考慮近幾年發(fā)展起來的一種新型梁板式的擴展基礎，對這三種基礎型式進行結(jié)構設計和技術經(jīng)濟比較。

表2 風電機組上部荷載標準值

表3 主要荷載的分項系數(shù)表

表4 風電機組上部荷載修正標準值

一、基礎結(jié)構尺寸擬定和穩(wěn)定計算

（一）方案一：傳統(tǒng)擴展基礎

傳統(tǒng)的擴展基礎主要利用基礎本身的自重來滿足風電機組的抗滑和抗傾覆要求。同時考慮到風電機組要承受360°的荷載，所以一般采用受力特性較好的圓形基礎型式，基礎結(jié)構一般分為上、中、下三節(jié)，其中上節(jié)和下節(jié)為圓柱體，中間為連接上下節(jié)的圓臺體。

本工程擴展基礎可置于二層全風化花崗巖或者三層強風化花崗巖上，擬定的圓形擴展基礎為現(xiàn)澆C40鋼筋砼結(jié)構，基礎的總厚度為3.2m，上節(jié)頂部圓柱體半徑為6.0m，厚度為1.2m，下節(jié)底部圓柱體半徑為11.0m，厚度為1.0m，中間的連接圓臺體的厚度為1.0m。基礎臺階的坡面比為1：5.0，寬高比為1：2.5。此方案的單個風電機組基礎的方量為749.4m3。

基礎結(jié)構示意圖見圖2，結(jié)構計算結(jié)果見表5。

從表5可以看出，風電機組基礎結(jié)構各項設計均滿足規(guī)范要求，風電機組基礎是安全的。

（二）方案二：巖石錨桿基礎

巖石錨桿基礎主要是在具有較好完整的巖石地基上利用錨桿將基礎和巖石地基連成整體，這樣既可以充分發(fā)揮巖石地基的承載力又可以利用錨桿來抵抗水平和上拔力，從而達到減少土石方開挖量和基礎混凝土方量的目的。

本工程的四層中等風化花崗巖如果埋深較淺時可考慮使用巖石錨桿基礎，擬定錨桿基礎為現(xiàn)澆C40鋼筋砼結(jié)構，由上部圓形基礎和下部錨桿組成?；A的總厚度為3.0m，上部基礎同擴展基礎一樣分為三節(jié)，上節(jié)頂部圓柱體半徑為4.3m，厚度為1.0m；下節(jié)底部圓柱體半徑為9.3m，厚度為1.0m；中間圓臺體厚度為1.0m?；A臺階的坡面比為1：5.0，寬高比為1:2.5?；A下部錨桿共30根，以基礎底部圓柱體的半徑8.3m均勻布置，錨桿直徑為36mm，錨桿孔直徑為130mm，錨桿最小間距不小于0.8m，錨入巖石長度為2.0m。此方案的單個基礎的混凝土方量為481.6m3，高強無收縮灌漿料方量為1.5 m3，錨桿1.1 t。

表5 風電機組基礎結(jié)構計算結(jié)果表

基礎結(jié)構示意圖見圖3，結(jié)構計算結(jié)果見表6。

從表6可以看出，風電機組基礎結(jié)構各項設計均滿足規(guī)范要求，風電機組基礎是安全的。

表6 風電機組基礎結(jié)構計算結(jié)果表

（三）新型梁板式基礎

新型梁板式基礎是在傳統(tǒng)擴展式基礎上優(yōu)化而來的，主要是利用梁板式的結(jié)構替代原來的中間實體圓臺，進而可以節(jié)省整個基礎的混凝土的方量。

梁板式基礎的梁、板對該類型的風電機組基礎安全至關重要，因此擬定梁板式基礎為現(xiàn)澆C40鋼筋砼結(jié)構，由底部圓形底板，以基礎環(huán)為中心的圓柱體，8根輻射狀的肋梁，以及沿基礎邊緣連接肋梁的環(huán)梁共四部分組成。基礎總厚度為3.5m，底部圓形底板半徑為11.0m，厚度為0.6m；中部圓柱體半徑為3.5m，底板以上厚度為2.9m；8根輻射狀肋梁每根寬度1.0m，底板以上高度0.6m－2.6m，單根長度為5.7m，坡面比為1：2.8；沿基礎邊緣環(huán)梁的每根寬度0.8m，底板以上高度0.6m。此方案單個風電機組基礎混凝土方量為517.5m3。

基礎結(jié)構示意圖見圖4，結(jié)構計算結(jié)果見表7。

從表7可以看出，風電機組基礎結(jié)構各項設計均滿足規(guī)范要求，風電機組基礎是安全的。

二、基礎方案比選

（一）造價分析

由表8可知，單個基礎造價，方案一為119.9萬元，方案二為96.3萬元，方案三為113.8萬元，方案一的造價略高，方案二的造價最經(jīng)濟。

（二）施工技術與施工質(zhì)量分析

方案一為傳統(tǒng)擴展基礎，基礎型式簡單，基礎混凝土可一次澆筑完成，技術成熟、施工方便、施工質(zhì)量容易控制、工期短。

表7 風電機組基礎結(jié)構計算結(jié)果表

方案二為巖石錨桿基礎，由于基礎底部的直徑較小，基礎開挖量較少，但施工工藝復雜，需要增加錨桿的施工和相關試驗，如鉆孔、灌漿、施工前需進行錨桿基本試驗、承臺澆筑前需進行錨桿驗收試驗，工期較長，要求施工單位具有成熟的錨桿施工經(jīng)驗，施工質(zhì)量保證方面難度較大。

方案三為新型梁板式基礎，采用輻射狀的肋梁、環(huán)梁和底板、中央圓臺柱組成梁板柱結(jié)構受力，基礎方量較小，但施工需要立模板最多，澆筑時需要有順序澆筑混凝土，施工工藝較復雜，施工質(zhì)量保證方面難度稍大。

（三）可靠性

方案一的傳統(tǒng)擴展基礎為重力式基礎，對地基的適應能力強，施工方便、施工質(zhì)量容易控制，基礎可靠性較好。方案二的巖石錨桿基礎對地基的風化程度和完整性要求高、施工工藝復雜、施工質(zhì)量控制較難，對施工單位的要求較高，巖石錨桿基礎在風電基礎中工程實例較少，由于風電機組長期承受反復荷載作用，故基礎可靠性相對較差。方案三的新型梁板式基礎是在方案一的基礎上優(yōu)化而來，所以對地基的適應能力也較強，但基礎的結(jié)構較復雜，施工時所需模板較多，施工工序和工藝較復雜，對施工單位的經(jīng)驗和管理水平要求較高，且肋梁的施工質(zhì)量直接關系到整個風電機組基礎的安全，施工可靠性一般。

綜上所述，方案一：傳統(tǒng)擴展基礎在經(jīng)濟性上最差，但在施工質(zhì)量、地層適應性以及可靠性上均比較好，因此是目前大多數(shù)風電機組基礎采用的典型風電機組基礎型式。

方案二：巖石錨桿基礎在經(jīng)濟性上最好，但在其余方面都較另外兩個方案略差，特別是在地質(zhì)的適應性上對基礎的地基要求最高。

方案三：新型梁板式基礎在經(jīng)濟性上適中，對地基的要求也不高，僅僅是在施工質(zhì)量控制以及可靠性上比方案一略差。隨著采用此類型的風電機組基礎型式越來越多，施工單位的施工水平和管理水平也會越來越好，此類型的風電機組基礎型式的施工質(zhì)量和可靠性上也會逐漸提高。

表8 風電機組基礎方案經(jīng)濟比較匯總表

結(jié)語

（一）方案一的傳統(tǒng)擴展基礎可在風電機組單機容量較小、上部荷載也不大時，基礎的工程量適宜，且相對另外兩個方案經(jīng)濟性上相差不大的情況下，選擇此方案。對加快施工進度，提前完成項目目標較有利。

（二）方案二的巖石錨桿基礎可在地質(zhì)巖石條件較好時，選擇此方案。對減小基坑開挖難度，同時相對其他兩個方案還可以減少基坑開挖，減少對原有山體的破壞，對保護環(huán)境也較有利。

（三）方案三的新型梁板式基礎在單機容量大、上部荷載較大時，可選擇此方案。對地基的適應性較好，同時對降低工程造價也比較有利。

（四）在地質(zhì)條件復雜的風電場，也可考慮采用組合方案進行設計。

（作者單位：上海勘測設計研究院有限公司）