郭軻軼 易四海 滕永海

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

采動礦區(qū)風電場工程的建設(shè)與保護技術(shù)

郭軻軼 易四海 滕永海

(中煤科工集團唐山研究院有限公司，河北 唐山 063012)

在壓覆礦區(qū)興建的風電場受井下采動影響存在著較大的安全隱患。通過分析風電場內(nèi)主要建(構(gòu))建物——風機的采動變形特點，針對性地提出了風機“避、抗、測、修”一體的安全保護技術(shù)體系：結(jié)合地面與地下的條件，提出了對風機優(yōu)化選址的原則；根據(jù)風機的結(jié)構(gòu)特點，提出了風機抗變形結(jié)構(gòu)技術(shù)措施；以風機傾斜為主要觀測目標，進行了風機采動變形觀測設(shè)計；針對風機受采動影響可能傾斜過大的安全風險，提出了適合于風機的基礎(chǔ)糾偏維修措施。研究成果可實現(xiàn)采動影響區(qū)上方興建風電場無保護煤柱條件下的長久安全運行，為壓覆礦區(qū)興建風電場開創(chuàng)了一條有效技術(shù)途徑，具有較高的應(yīng)用價值。

風機 采動影響 風電場工程 安全 保護技術(shù)

近年來，在常規(guī)能源告急和全球生態(tài)環(huán)境惡化的雙重壓力下，風能作為一種高效清潔的新能源正日益受到重視[1]。風力發(fā)電需要大量土地興建風力發(fā)電場[2]，在我國內(nèi)陸一些資源型城市，存在著較多風能資源豐富但壓覆有大量礦產(chǎn)資源的地區(qū)。在這些壓覆礦產(chǎn)地區(qū)新建風電場，必然會面臨井下開采造成的采動損害，這種損害輕則造成風機基礎(chǔ)傾斜，重則造成基礎(chǔ)沉陷、塔筒傾倒，嚴重威脅風機的安全運行[3]。

目前，在壓覆礦區(qū)新建風電場的實例很少，特別是在采動影響區(qū)(指礦產(chǎn)資源未采或正采)新建風電場在國內(nèi)外尚無先例。由于現(xiàn)有的風電場建設(shè)沒有考慮到采動影響的問題，其允許變形指標要求比較高[4]，無法滿足采動影響下風機的安全運行。為此，有必要對采動影響下風電場工程建設(shè)與保護技術(shù)開展研究，基于對風機采動變形特點的認識，通過對風機采取必要的安全技術(shù)措施，消除礦產(chǎn)開采可能對風電場風電機組帶來的安全隱患，最終實現(xiàn)采動影響區(qū)上方興建風電場無保護煤柱條件下的長久安全運行。

1 風機移動變形特點

從開采沉陷角度考慮，風電場內(nèi)主要建(構(gòu))筑物風機具有高度大、底面積相對小的特點，屬于高聳構(gòu)筑物，其采動影響具有特殊性。在采動引起的各種地表變形影響下，地表的傾斜變形是影響該類構(gòu)筑物安全性的主要因素。

在地表產(chǎn)生傾斜變形時，高聳構(gòu)筑物隨之發(fā)生傾斜，引起其重心的偏移，因而改變了原結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，并使地基反力重新分布。這樣可能導致高聳構(gòu)筑物出現(xiàn)構(gòu)件截面強度不足而破壞或失穩(wěn)而倒塌，以及地基承載能力不足的現(xiàn)象。根據(jù)實測資料以及強度與穩(wěn)定性驗算的結(jié)果表明，一般高聳構(gòu)筑物的容許地表傾斜變形值與其高度關(guān)系較大。如《FD003—2007風電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定(試行)》[4]規(guī)定：風機輪轂高度50～100 m的風機地基傾斜變形最大允許值為5 mm/m。

2 風機安全技術(shù)措施的研究

根據(jù)風電場內(nèi)主要建(構(gòu))建物——風機的移動變形特點，可采取的安全技術(shù)措施主要有：①避。在風機選址時，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和沉陷預計，選擇對風機影響小的區(qū)域作為風機建設(shè)位置。②抗。根據(jù)地表可能發(fā)生的移動變形，計算風機所受的附加應(yīng)力和彎矩，選擇適當風機基礎(chǔ)形式和上部結(jié)構(gòu)，使之具有足夠抗破壞、抗傾覆的剛度和強度，并可進行調(diào)整。③測。設(shè)置地表移動和建(構(gòu))筑物變形監(jiān)測站，及時了解風機移動變形狀況，為風機維修、調(diào)整提供可靠的數(shù)據(jù)。④修。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，對風機進行維修和調(diào)整，以消除地表變形影響，保持風機基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)處于正常受力狀態(tài)。

2.1 風機的基本結(jié)構(gòu)

某風電場擬采用風機發(fā)電機組型號為WT2000-100，是變槳變速雙饋式風力發(fā)電機組，三葉片、水平軸、上風向、電氣變槳、主動偏航，具有適于低風速區(qū)、電網(wǎng)友好、智能化設(shè)計、抗風沙、發(fā)電性能優(yōu)異、度電成本低等顯著特點。該風電機組的有功輸出為2 000 kW，風輪直徑100.256 m，風輪掃略面積最大可達78 21 m2，切入風速3 m/s，額定風速10 m/s，設(shè)計壽命20 a。根據(jù)場區(qū)地質(zhì)情況及風機載荷，設(shè)計輪轂高度為80 m。

場區(qū)風機基礎(chǔ)形式采用圓形擴展基礎(chǔ)。基礎(chǔ)分上、下2部分，上部為圓柱體，高0.9 m，直徑7.8 m，下部為圓形臺柱體，底面直徑18.2 m，最大高度為2.1 m，最小高度為1.0 m，風機基礎(chǔ)埋深為2.8 m。風機基礎(chǔ)采用C30 混凝土，基礎(chǔ)下鋪100 mm 厚C15 素混凝土墊層。單臺風機基礎(chǔ)混凝土體積457.0 m3，單臺風機鋼筋用量約44.8 t。

2.2 風機優(yōu)化選址

在壓覆礦區(qū)新建風電場，將不可避免采動影響，在對風機進行選址時，除考慮風能資源、地形地貌、交通運輸?shù)纫蛩赝?，還應(yīng)結(jié)合采動影響區(qū)的特性，考慮如下選址原則：①選擇地質(zhì)條件比較清楚的大礦采動影響區(qū)，盡量避開有小煤窯采動的地方；②應(yīng)避開斷層露頭、陷落柱、邊坡不穩(wěn)定地段；③選擇采深采厚比比較大的地段，盡量避開淺部采動影響區(qū)；④選擇地表傾斜變形值較小的地段，避開地表變形大的地段；⑤首擇沉陷穩(wěn)定的采空區(qū)，其次為采動區(qū)，再次為待采區(qū)；⑥風機位置距離較陡的邊坡應(yīng)有一定的距離，避免因采動變形引起邊坡滑移而影響風機基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

2.3 風機抗變形結(jié)構(gòu)技術(shù)

風機為高聳構(gòu)筑物，對基礎(chǔ)不均勻沉降(即傾斜)有較強的敏感性。地表因采動傾斜，將使風機產(chǎn)生較大的水平偏差，在機艙、葉片等重載作用下，對基礎(chǔ)產(chǎn)生大傾覆大彎矩，給風機帶來了較大的安全隱患。因此，對風機采取的抗變形措施主要是防風機傾斜變形所引起的大傾覆大彎矩，其措施主要有基礎(chǔ)加固、基礎(chǔ)下加墊層、塔筒截面強度加強等。

2.3.1 基礎(chǔ)抗變形措施

受采動(空)影響的建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)，不僅向地基傳遞豎向荷載，還要承受由于地表采動變形作用而產(chǎn)生的水平荷載，以及作用于建(構(gòu))筑物豎面內(nèi)的彎矩和剪力。因此最好采用整體性較好的基礎(chǔ)。目前，陸上風機基礎(chǔ)形式多采用重力式現(xiàn)澆鋼筋混凝土圓形擴展基礎(chǔ)，該類基礎(chǔ)頂板和底板配置有大量的鋼筋，整體性好，剛度大，完全能夠承受采動引起的彎曲變形和水平變形影響。對于采動傾斜變形影響，當?shù)鼗休d能力的驗算結(jié)果不能滿足要求時，以及當基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定性不夠時，就應(yīng)對基礎(chǔ)進行加固。

由于高聳構(gòu)筑物的基礎(chǔ)材料一般是混凝土或鋼筋混凝土，基礎(chǔ)的加固可分為兩類，一類是擴大基礎(chǔ)底面積，一類是提高基礎(chǔ)的強度和剛度，這樣既可使地基所承受的壓應(yīng)力不超過允許限度，又可提高基礎(chǔ)承載能力和底部抗傾覆能力。基礎(chǔ)擴大的面積和高度應(yīng)根據(jù)變形要求計算確定。鋼筋混凝土基礎(chǔ)上表面的徑向筋和抗彎豎向吊筋的配筋要按允許變形值的大小重新計算配置。混凝土標號應(yīng)比原設(shè)計基礎(chǔ)的混凝土標號高一級。

基礎(chǔ)下墊層可采用砂墊層，具體厚度和技術(shù)要求應(yīng)根據(jù)地表的變形值和具體條件進行計算。

2.3.2 塔筒抗變形措施

風機上部結(jié)構(gòu)一般采用的是筒狀鋼結(jié)構(gòu)，法蘭連接。由于地下煤層開采引起地表位移變形，風機隨之發(fā)生傾斜變形。當風機傾斜超過控制范圍內(nèi)的傾斜時，塔筒水平截面強度不夠，風機就會發(fā)生折斷。

為此，為保證采動影響區(qū)內(nèi)風機塔筒的安全穩(wěn)定運行，應(yīng)根據(jù)地表變形值的大小，相應(yīng)增大風機上部結(jié)構(gòu)塔筒的剛度，除應(yīng)滿足當?shù)乜拐鹪O(shè)防烈度要求外，塔筒壁厚及材料強度均應(yīng)按給出的地表變形值大小相應(yīng)增厚、增強。另外，為確保塔架與基礎(chǔ)之間荷載的傳遞，基礎(chǔ)與塔筒、塔筒與塔筒之間的連接螺栓采用高強度螺栓，并在安裝時加大預緊力。

2.4 風機采動變形監(jiān)測2.4.1 觀測點的布設(shè)

移動變形監(jiān)測采用相對觀測方法，即重點觀測地表及基礎(chǔ)的相對下沉值和傾斜值，觀測風機的傾斜變形值。每個風機設(shè)立一個獨立的觀測系統(tǒng)。

觀測點布設(shè)方法如下：首先，在風機基礎(chǔ)的四周位置均勻布設(shè)4個地表測點，一般沿東、西、南、北方向布設(shè)，地表點距離風機基礎(chǔ)的距離一般為3～5 m；其次，在地表點的對應(yīng)位置，布置4個基礎(chǔ)測點；第三，對應(yīng)地表測點和基礎(chǔ)測點的位置，在風機的上部結(jié)構(gòu)布置4對風機傾斜觀測點。見圖1。

圖1 風機移動變形觀測站測點布置示意

地表測點采用混凝土現(xiàn)澆而成，亦可埋設(shè)預制混凝土測樁。采用混凝土現(xiàn)澆，首先，在標定的位置上挖1個直徑0.2～0.3 m、深度不小于0.6 m的坑，然后用混凝土灌注，中間用φ16～20 mm的鋼筋作標志，標志的底部加工成人字形，標志的頂部加工成球形，并制作1個深3～5 mm、直徑小于2 mm的孔或十字線，作為測點標志的中心。采用預制混凝土測樁，其高度對梯形樁不應(yīng)小于0.6 m，對普通樁不應(yīng)小于1.0 m，測點標志的做法同前。

基礎(chǔ)測點一般在基礎(chǔ)施工階段就應(yīng)預埋點，采用φ22 mm的螺紋鋼筋(露出基礎(chǔ)2～4 cm，露出部分磨成橢圓形)作為測點標志。

風機的傾斜變形觀測點則需在風機塔的上下大致對應(yīng)位置都布上觀測點，通過對上下對應(yīng)點的觀測及計算結(jié)果算出其傾斜量。

2.4.2 觀測方法及精度要求

采用精密水準儀定期觀測地表測點及基礎(chǔ)測點的相對下沉值，根據(jù)各測點的相對下沉值計算出地表傾斜變形值和基礎(chǔ)傾斜變形值。水準觀測的精度要求應(yīng)不低于三等水準的觀測精度要求。

采用2″以上的精密經(jīng)緯儀及鋼尺觀測風機的傾斜變形值，觀測時采用正倒鏡，一般不低于2個測回，取其平均值。根據(jù)風機上下對應(yīng)測點的水平位移值及建筑物的高度得出建筑物的傾斜變形值。

根據(jù)風機點所在位置的開采狀況不同，觀測周期不同。若風機點位于采動影響區(qū)，則應(yīng)每15 d進行1次水準觀測和傾斜變形觀測；若風機點位于非采動影響區(qū)或地表沉降已基本穩(wěn)定，則每1個月進行1次水準觀測和傾斜變形觀測[5-6]。

另外，還應(yīng)加強地面采動損壞巡視，對地面出現(xiàn)的采動裂縫，應(yīng)及時采用黏土回填處理。

2.5 風機采后糾偏調(diào)整技術(shù)

地表傾斜變形是影響風機穩(wěn)定性的主要參量，故矯正風機的傾斜，使風機的傾斜值始終保持在允許傾斜變形值范圍內(nèi)，是保證采動影響區(qū)內(nèi)風機系統(tǒng)正常運行和安全可靠的重要措施之一。

由于風機上部結(jié)構(gòu)高度大、工藝復雜，風機糾偏建議采用對基礎(chǔ)糾偏。然而基礎(chǔ)的傾斜調(diào)整不可能連續(xù)不斷地進行，一是施工費用較高，二是施工的工藝比較復雜，因此，對風機而言必須有一個一次性調(diào)整的傾斜限度即風機傾斜變形臨界值。當風機移動變形監(jiān)測發(fā)現(xiàn)其傾斜變形達到或接近該臨界變形值時，就應(yīng)該對風機基礎(chǔ)進行及時維修和糾偏，消減地表傾斜變形影響，保持風機基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)處于正常受力狀態(tài)。為留有一定的安全系數(shù)，對采用抗變形結(jié)構(gòu)建設(shè)的風機，糾偏傾斜變形臨界值一般定為其地基傾斜變形最大允許值。

由于風電場下開采條件的復雜性、開采規(guī)劃的不確定性，風機傾斜調(diào)整應(yīng)以實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，地表沉陷預計為指導。在風機運行過程中，應(yīng)加強巡視，定期對場區(qū)地表和風機移動變形進行監(jiān)測，及時有效地掌握風機的移動變形狀況，尤其是傾斜變形情況。

根據(jù)風機的結(jié)構(gòu)形式、地形特點和地表移動變形規(guī)律，適合風機基礎(chǔ)糾偏的方法有迫降法和抬升法。

2.5.1 基礎(chǔ)開挖鉆孔掏砂迫降法

基礎(chǔ)開挖鉆孔掏砂迫降法要求在風機基礎(chǔ)下預先加設(shè)砂墊層，在采動影響下當風機傾斜值達到或接近臨界傾斜變形值時，在下沉量較小的一側(cè)沿風機基礎(chǔ)開挖一定深度和寬度的溝槽，用鉆機或洛陽鏟在基礎(chǔ)底部掏出一定的砂量，使之產(chǎn)生沉降達到糾偏的目的。該方法的基本步驟為：

(1)基礎(chǔ)溝槽開挖。在下沉小的一側(cè)沿基礎(chǔ)邊開挖一溝槽，溝槽深度及寬度要便于鉆孔施工。在開挖前，應(yīng)對風機加強支護。

(2)鉆孔施工掏砂。根據(jù)基礎(chǔ)傾斜情況，合理布置鉆孔，沿混凝土基礎(chǔ)下方打鉆取砂，建筑物產(chǎn)生相應(yīng)的沉降，達到糾傾的目的。

(3)動態(tài)監(jiān)測。在施工前要全面觀測風機基礎(chǔ)及風機的傾斜情況；在施工過程中，隨時監(jiān)測基礎(chǔ)下沉情況及糾偏效果，并根據(jù)觀測數(shù)據(jù)指導鉆孔糾偏施工。施工結(jié)束后，檢測風機的糾偏效果。

(4)回填。當糾偏達到預期目的后，將開挖的溝槽全部回填，恢復原狀。

2.5.2 千斤頂頂升糾偏法

千斤頂頂升糾偏法原理是沿基礎(chǔ)趨斜的一邊設(shè)置若干個千斤頂，千斤頂必須置于穩(wěn)定的構(gòu)件上面，通過千斤頂將建筑物整體抬升，控制建筑物不同位置的抬升量將傾斜的建筑物糾正。該方法的基本步驟為：

(1)基礎(chǔ)開挖溝槽。在需置放千斤頂一方開挖溝槽，溝槽深度及寬度要便于施工操作及千斤頂支撐的安裝。在開挖前，應(yīng)對風機加強支護。

(2)頂升糾偏。先在原基礎(chǔ)下沉較大的一側(cè)下制作托換基礎(chǔ)(應(yīng)注意與基礎(chǔ)底面間留出千斤頂?shù)奈恢?，然后將千斤頂放在托換基礎(chǔ)上。千斤頂安裝完畢后，進行同步頂升。在施工過程中，千斤頂?shù)捻斏俣葢?yīng)緩慢均勻，以保證頂升過程中風機的安全。

(3)動態(tài)監(jiān)測。先在基礎(chǔ)四周設(shè)置沉降觀測和傾斜觀測點；每級頂升前后均進行觀測，觀測項目主要有頂升高度、頂升力的大小、上部結(jié)構(gòu)、糾偏的回復量觀測等；具體施工過程中應(yīng)通過實測傾斜量為準，施工完成后的傾斜量應(yīng)不大于2‰。

(4)回填。當基礎(chǔ)頂升糾偏至垂直狀態(tài)后，采用楔形塞頂縫臨時支撐，卸去千斤頂，接著迅速灌入微膨脹快硬混凝土，當充填的混凝土有足夠強度，回填地基并夯實。

另外，對風電場的其他建(構(gòu))筑物和配套設(shè)施亦應(yīng)采取相應(yīng)的技術(shù)措施，并按有關(guān)規(guī)范要求進行定期檢測和維護，以保證其正常安全使用。

3 結(jié) 論

(1)風電場內(nèi)主要建(構(gòu))筑物風機具有高度大、底面積相對小的特點，屬于高聳構(gòu)筑物，在采動引起的各種地表變形影響下，地表的傾斜變形是影響該類構(gòu)筑物安全性的主要因素，其容許地表傾斜變形值與其輪轂高度有關(guān)。

(2)在壓覆礦區(qū)建設(shè)風電場前，應(yīng)結(jié)合采動影響區(qū)的特性，對風機進行優(yōu)化選址，根據(jù)地質(zhì)條件好、地表可能發(fā)生的傾斜變形小等原則選擇合適的風機點；并對風機采用必要的抗變形結(jié)構(gòu)技術(shù)設(shè)計，其措施主要有基礎(chǔ)加固、基礎(chǔ)下加墊層、塔筒截面強度加強等。

(3)風電場運行后，應(yīng)對風機進行移動變形監(jiān)測，及時掌握風機的移動變形狀況尤其是傾斜變形情況；當風機的傾斜變形達到或接近糾偏傾斜變形臨界值時，應(yīng)采用鉆孔掏砂迫降法或千斤頂頂升法對風機進行糾偏，以保證風機的穩(wěn)定性和安全運行。

[1] 紀世東.我國發(fā)展風力發(fā)電的若干問題及對策[J].電力設(shè)備，2004，5(1)：36-38. Ji Shidong.The problems and countermeasures for our wind-power generation[J].Electrical Equipment，2004，5(1):36-38.

[2] 廖明夫，Gasch R，Twele J，等.風力發(fā)電技術(shù)[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2009：79-111. Liao Mingfu，Gasch R，Twele J，et al.The Wind Power Generation Technology[M].Xi′an:Northwestern Polutechnical University Press,2009:79-111.

[3] 劉文雪.《風電場工程等級劃分及設(shè)計安全標準》和《風電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定》的編制特點與安全要求[J].水利發(fā)電，2008，34(6)：86-88. Liu Wenxue.Compiling characteristics and the special safety requirement of Classification and Design Safety Standard of Wind Power Projects and Design Regulations on Subgrade and Foundation for Wind Turbine Generator Syste[J].Water Power,2008,34(6):86-88.

[4] 中國水電工程顧問集團公司風電標準化委員會.FD003—2007 中華人民共和國電力行業(yè)標準.風電場機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定(試行)[S].北京：水利水電規(guī)劃設(shè)計總院，2007. Chinese Hydropower Engineering Consulting Group Wind Power Company Standardization Committee.FD003-2007 Electric power Industry Standard of the People′s Republic of China Design Regulations on Subgrade and Foundation for Wind Turbine Generator System[S].Beijing:China Renewable Energy Engineering Institute,2007.

[5] 國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000. China Coal Industry Bureau.Codes on Setting Safety Pillars under Surface Buildings，Water Bodies and Railways and Extraction of Locked-up Coal[M].Beijing：China Coal Industry Publishing House，2000.

[6] 中華人民共和國能源部.煤礦測量規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1989. The Energy Department of the People′s Republic of China.Coal Mine Survey Rules[M].Beijing:China Coal Industry Publishing House,1989.

(責任編輯 徐志宏)

Construction and Protection Technology of Wind Farms Engineering in Mining Influencing Area

Guo Keyi Yi Sihai Teng Yonghai

(TangshanTesearchInstitute,ChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，Tangshan063012，China)

The wind farms built in the pressure-covered mine exist great security risks，which are affected by the underground mining.The security protection technology system of fans with the integration of avoidance，resistance，monitoring and repairing，is proposed typically，according to the analysis of mining and deformation characteristics of the fan which is the main structure in wind farms.Combining the conditions of surface and underground，the principle of priority selection for fans is proposed，and the anti deformation construction technique measures for fans are put forwards.Mainly aiming at the lean of fans，the mining deformation observation for fans is designed.The basic rectification and repair measures that are suitable for fans are proposed，in view of safety risk that fans might lean too much affected by mining.The research will actualize the long term safe operation of wind farms built on the mining influence area without protective coal pillar.It starts an effective technical way for building wind farms in the pressure mine，with high application value.

Fan，Mining influence，Wind farm engineering，Safety，Protection technology

2015-01-26

國家自然科學基金項目(編號：51474129)。

郭軻軼(1979—)，男，工程師。

TD223

A

1001-1250(2015)-04-150-04