文 | 遲洪明 李向輝 吳勇

陸上9度抗震設(shè)防烈度風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

文 | 遲洪明 李向輝 吳勇

隨著傳統(tǒng)能源的日趨枯竭，作為清潔、可再生的風(fēng)能日益受到關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為42.65億kWh，技術(shù)可開(kāi)發(fā)量為2.98億kWh。 2012年，我國(guó)《風(fēng)電發(fā)展“十二五”規(guī)劃》出臺(tái)，明確了未來(lái)風(fēng)電發(fā)展的宏偉目標(biāo)，到2015年并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到1億kW，到2020年裝機(jī)容量達(dá)到2億kW?！笆濉币?guī)劃中要加快內(nèi)陸資源豐富區(qū)風(fēng)能資源開(kāi)發(fā)，其中就包括云南省，云南省是地震多發(fā)省份，從中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖中可見(jiàn)，云南省地震加速度均高于0.1g，而風(fēng)能資源較好的區(qū)域陸良、石林、劍川等地的地震加速度達(dá)到了0.3g，甚至0.4g。

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)是風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，雖然在陸上風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的成本只占整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)投資的5%左右，但是風(fēng)電機(jī)組設(shè)備成本占到了整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)投資的70%以上，因此，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的重要性不言而喻，一旦風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)出現(xiàn)問(wèn)題，將會(huì)產(chǎn)生摔塔等問(wèn)題，整個(gè)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備將損壞，造成風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)成本百倍以上的經(jīng)濟(jì)損失。

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行正常運(yùn)行荷載工況、極端荷載工況、多遇地震工況、罕遇地震工況和疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般情況下，在6度抗震設(shè)防烈度情況下，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的控制工況為極端工況；7度及以上抗震設(shè)防烈度下，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)控制工況為地震工況?？拐鹪O(shè)防烈度為9度及以上的風(fēng)電場(chǎng)，其地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行專門研究。

設(shè)計(jì)模型

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行地震工況下的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，地震工況包括多遇地震工況和罕遇地震工況。多遇地震工況為上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的正常運(yùn)行荷載效應(yīng)疊加多遇地震作用和基礎(chǔ)所承受的其他有關(guān)荷載；罕遇地震工況為上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的正常運(yùn)行荷載效應(yīng)疊加地震作用和基礎(chǔ)所承受的其他有關(guān)荷載。多遇地震工況應(yīng)進(jìn)行基礎(chǔ)承載力、變形、穩(wěn)定性計(jì)算。罕遇地震應(yīng)進(jìn)行抗滑和抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算。

抗震設(shè)防烈度為9度的風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)專門研究中，應(yīng)采用兩種以上的計(jì)算模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前，我國(guó)常用的陸上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)計(jì)算模型為CFD－WTF軟件中模型，該軟件為水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院、北京木聯(lián)能軟件公司開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)了業(yè)內(nèi)專家的評(píng)審。該軟件在陸上風(fēng)電場(chǎng)的計(jì)算設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。其地震荷載的計(jì)算是依據(jù)建筑抗震規(guī)范中的底部剪力法計(jì)算地震荷載的。另外一種計(jì)算模型就是采用有限元軟件進(jìn)行有限元分析。有限元法是一種計(jì)算精度高，且能夠適應(yīng)各種復(fù)雜形狀、行之有效的工程分析方法。目前常用的有限元軟件包括ANSYS、ABAQUS、FLAC等。

工程案例

一、工程概況

云南劍川百山風(fēng)電區(qū)域，百山區(qū)域規(guī)劃風(fēng)電總裝機(jī)容量約132MW，分3個(gè)片區(qū)開(kāi)發(fā)建設(shè)。安裝88臺(tái)1500kW的發(fā)電機(jī)組，項(xiàng)目地處云南省大理州劍川縣境內(nèi)，風(fēng)電場(chǎng)區(qū)域西至金華鎮(zhèn)，東至黃蜂廠慶新公社，南至背馬廠村，北至玉皇山，場(chǎng)址以構(gòu)造剝蝕作用形成的地貌為主，山體海拔較高，地形起伏變化大，地表植被以灌木為主。

二、基礎(chǔ)資料

（一）地質(zhì)資料

根據(jù)地勘報(bào)告以及場(chǎng)區(qū)地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告，本場(chǎng)區(qū)位于青、藏、滇、緬、印尼“歹”字形構(gòu)造體系東支中段東緣，處于北西走向的紅河斷裂帶與近南北走向的程海斷裂帶之交匯部位，紅河斷裂帶是由北西走向的洱海、喬巍等斷層組成，呈右旋剪切拉張活動(dòng)，程海斷裂帶是由一系列北東走向的左旋走滑正斷層組成。工程區(qū)的地震烈度主要受外圍大理－彌渡7級(jí)、永平－魯史6級(jí)、云縣7級(jí)三個(gè)地震危險(xiǎn)區(qū)的影響。工程區(qū)地震活躍，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及勘探結(jié)果，工程區(qū)地表主要覆蓋新生界（代）第四系全新統(tǒng)人工堆積、殘坡積層粉質(zhì)粘土、碎石土、紅黏土，出露基巖為三疊中系統(tǒng)北衙組及志留系中統(tǒng)賓川組灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r。各層巖土設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖（1∶400萬(wàn)）》GB18306－2001及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011－2010，場(chǎng)區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40s，地震動(dòng)峰值加速度為0.40g，抗震設(shè)防烈度為9度，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。

（二）風(fēng)電機(jī)組資料

風(fēng)電機(jī)組采用某廠商EN87－1500風(fēng)電機(jī)組，輪轂高度70m。根據(jù)廠家提供的荷載以及風(fēng)電機(jī)組各部件重量、尺寸等，最終確定的荷載如表2所示。

（三）風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

1 木聯(lián)能軟件計(jì)算

通過(guò)采用木聯(lián)能軟件，分別對(duì)以上5種荷載工況進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算確定的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)底部平面采用邊長(zhǎng)為8.119m的八邊形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底板外緣高度為1.1m，底板棱臺(tái)高度為1.6m，臺(tái)柱高度為0.5m，基礎(chǔ)埋深3.2m，基礎(chǔ)下設(shè)100mm厚C15素混凝土墊層。基礎(chǔ)中預(yù)埋連接塔筒的底法蘭段?；炷猎O(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C35混凝土，計(jì)算成果如表3所示。

2 有限元計(jì)算

采用有限差分軟件FLAC3D建立風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)與土體共同作用的整體模型。為加快計(jì)算效率，取整體模型一半計(jì)算，模型尺寸： 38m×19m×13.8m，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)尺寸同木聯(lián)能計(jì)算尺寸，如圖1所示。

表1 巖、土體設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表

表2 荷載工況表

表3 計(jì)算成果表

圖1 FLAC3D有限差分模型

圖2 基礎(chǔ)外表面與土體接觸面

圖3 荷載邊界條件

圖4 正常工況基礎(chǔ)底面土體沉降

圖5 正常工況基礎(chǔ)底土體（soil2）豎向應(yīng)力云圖

圖6 正常工況接觸面法向分離示意圖

圖8 極端工況基礎(chǔ)底土體（soil2）豎向應(yīng)力云圖

圖9 極端工況接觸面法向分離示意圖

圖10 罕遇工況基礎(chǔ)底面土體沉降

圖11 罕遇工況基礎(chǔ)底土體（soil2）豎向應(yīng)力云圖

圖12 罕遇工況接觸面法向分離示意圖

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)（foundation）與周圍土體（soil1、soil2、soil3）之間建立interface接觸面，如圖2所示。

將上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面荷載折算為基礎(chǔ)臺(tái)柱頂面荷載邊界條件，如圖3所示。初始平衡后，分別計(jì)算正常荷載、極端荷載和多遇地震工況下基礎(chǔ)底面土體沉降（zdisp）、豎向應(yīng)力（szz）以及基礎(chǔ)底面與土體脫開(kāi)情況（interface normal separation）。

本構(gòu)模型：土體采用Mohr－Coulomb本構(gòu)模型，鋼筋混凝土基礎(chǔ)采用Elastic模型。

邊界條件：上表面（Z=0）自由和下表面（Z=－13.8）固定XYZ方向位移、側(cè)表面（X=－19、X=19）固定X方向位移、后表面（Y=19）固定X方向位移、前表面（Y=0）固定Y方向位移（對(duì)稱性要求）。

圖4－圖12分別為正常荷載工況、極端荷載工況、罕遇地震工況下的計(jì)算結(jié)果圖，正常工況下，基礎(chǔ)底面土體最大沉降1.4724mm，傾斜率tanθ=5.78×10－5，滿足要求?；A(chǔ)底面土體最大豎向壓應(yīng)力1.188×105pa，滿足承載力要求。基礎(chǔ)底面與土體接觸面節(jié)點(diǎn)沒(méi)有破壞，基礎(chǔ)底面未與土體脫開(kāi)，滿足要求。極端荷載工況下基礎(chǔ)底面土體最大沉降2.1912mm，傾斜率tanθ=1.15×10－4，滿足要求。基礎(chǔ)底面土體最大豎向壓應(yīng)力1.2438×105pa，滿足承載力要求?；A(chǔ)底面與土體接觸面節(jié)點(diǎn)沒(méi)有破壞，基礎(chǔ)底面未與土體脫開(kāi)，滿足要求。多遇地震工況下基礎(chǔ)底面土體最大沉降2.5448mm，傾斜率tanθ=1.34×10－4，滿足要求?；A(chǔ)底面土體最大豎向壓應(yīng)力1.3339×105pa，滿足承載力要求?；A(chǔ)底面與土體接觸面節(jié)點(diǎn)沒(méi)有破壞，基礎(chǔ)底面未與土體脫開(kāi)，滿足要求。

3結(jié)果對(duì)比

從有限元計(jì)算的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)基底豎向應(yīng)力圖來(lái)看，在三種工況下，基底都沒(méi)有出現(xiàn)零應(yīng)力或負(fù)應(yīng)力區(qū)，說(shuō)明風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)底部沒(méi)有出現(xiàn)脫開(kāi)，這和木聯(lián)能的計(jì)算結(jié)果一致。表4是木聯(lián)能軟件和有限元計(jì)算的基底壓應(yīng)力和傾斜率對(duì)比。

表4 結(jié)果對(duì)比表

從上表可以看出有限元計(jì)算的最大壓應(yīng)力稍小，傾斜率計(jì)算較為接近?；讐簯?yīng)力的差別原因在于木聯(lián)能軟件地基承載力計(jì)算是依據(jù)《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》（試行）中計(jì)算公式得出，該計(jì)算中都是采用簡(jiǎn)化方法，即假定基底壓力按直線分布的材料力學(xué)方法，而有限元計(jì)算中是采用Mohr－Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算的。兩種不同的計(jì)算理論導(dǎo)致結(jié)果的稍有不同，但是從總體上看結(jié)果接近，且都能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。因此采用木聯(lián)能進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)是可行的。

結(jié)論

本文在對(duì)云南百山風(fēng)電規(guī)劃區(qū)域的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)專題設(shè)計(jì)時(shí)，采用了兩種計(jì)算模型進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)兩種模型計(jì)算成果進(jìn)行了對(duì)比分析。兩種模型在9度抗震設(shè)防烈度下進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是可行的。該專題的計(jì)算成果通過(guò)了由云南省發(fā)展改革委組織的專家評(píng)審。該規(guī)劃區(qū)域項(xiàng)目已經(jīng)于2013年12月份全部投產(chǎn)發(fā)電，目前項(xiàng)目運(yùn)行良好。

（作者單位：遲洪明、吳勇：龍?jiān)矗ū本╋L(fēng)電工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司；李向輝：中廣核風(fēng)電有限公司）