文 | 肖晶晶

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山區(qū)風(fēng)電場的風(fēng)電機組基礎(chǔ)選型設(shè)計

文 | 肖晶晶

近年來，我國在風(fēng)能資源利用方面發(fā)展迅速，據(jù)中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會的統(tǒng)計，截至2014年中國風(fēng)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(dǎo)向的爆發(fā)式增長后，還以大規(guī)模的風(fēng)電場開發(fā)建設(shè)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(fēng)電場的風(fēng)能資源和解決相關(guān)的配套因素才能保證我國的風(fēng)電行業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展。

目前國內(nèi)的風(fēng)電機組設(shè)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(fēng)電場風(fēng)能的利用率。與此同時，風(fēng)電機組的上部載荷也越來越大，對風(fēng)電機組的基礎(chǔ)設(shè)計要求也越來越高。風(fēng)電機組基礎(chǔ)的型式以及相應(yīng)的工程量也成為影響工程造價和風(fēng)電場效益的重要因素之一，也是業(yè)主比較關(guān)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(fēng)電場為例，介紹了傳統(tǒng)擴展基礎(chǔ)、錨桿式基礎(chǔ)以及新型梁板式基礎(chǔ)的設(shè)計，對比了三種基礎(chǔ)的優(yōu)缺點，對類似風(fēng)電場的工程建設(shè)提供一定的工程經(jīng)驗。

概述

國內(nèi)某風(fēng)電場總裝機規(guī)模為48MW，安裝單機容量為2MW的風(fēng)電機組，數(shù)量為24臺。風(fēng)電機組機位位于各山頭上，山頭間高差較大，風(fēng)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(fēng)電機組天然地基持力層，須挖除。

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

3. 三層強風(fēng)化花崗巖，承載力高，性狀良好，埋深適中，該層也是風(fēng)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(fēng)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(fēng)化花崗巖不能滿足要求時，可考慮作為風(fēng)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(fēng)電機組上部載荷

目前國內(nèi)陸上風(fēng)電機組的上部載荷主要還是由風(fēng)電機組廠家提供。本工程風(fēng)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(fēng)電場的基礎(chǔ)設(shè)計主要依據(jù)水規(guī)總院2007年發(fā)行的《風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定》（試行）進行復(fù)核和驗算。該規(guī)定主要采用極限狀態(tài)的設(shè)計方法，穩(wěn)定計算的相關(guān)荷載的分項系數(shù)見表3。

在風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計中，由于考慮到風(fēng)荷載的隨機性較大，且不易模擬。在與地基承載力、基礎(chǔ)穩(wěn)定性有關(guān)的計算中，上部結(jié)構(gòu)傳至塔筒底部與基礎(chǔ)環(huán)交界面的荷載應(yīng)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(fēng)電機組基礎(chǔ)型式比選

風(fēng)電機組基礎(chǔ)的上部荷載主要是由風(fēng)荷載以及塔架和設(shè)備本身的自重產(chǎn)生，再通過基礎(chǔ)環(huán)傳到風(fēng)電機組基礎(chǔ)。目前陸上的風(fēng)電機組基礎(chǔ)型式主要有擴展基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和巖石錨桿基礎(chǔ)，一般在軟弱土層或高壓縮性土層時優(yōu)先采用樁基礎(chǔ)。而山區(qū)風(fēng)電場一般優(yōu)先采用擴展基礎(chǔ)或者巖石錨桿基礎(chǔ)，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(chǔ)，對這三種基礎(chǔ)型式進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)經(jīng)濟比較。

表2 風(fēng)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(fēng)電機組上部荷載修正標準值

一、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸擬定和穩(wěn)定計算

（一）方案一：傳統(tǒng)擴展基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的擴展基礎(chǔ)主要利用基礎(chǔ)本身的自重來滿足風(fēng)電機組的抗滑和抗傾覆要求。同時考慮到風(fēng)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(chǔ)型式，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(chǔ)可置于二層全風(fēng)化花崗巖或者三層強風(fēng)化花崗巖上，擬定的圓形擴展基礎(chǔ)為現(xiàn)澆C40鋼筋砼結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)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?；A(chǔ)臺階的坡面比為1：5.0，寬高比為1：2.5。此方案的單個風(fēng)電機組基礎(chǔ)的方量為749.4m3。

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，結(jié)構(gòu)計算結(jié)果見表5。

從表5可以看出，風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)各項設(shè)計均滿足規(guī)范要求，風(fēng)電機組基礎(chǔ)是安全的。

（二）方案二：巖石錨桿基礎(chǔ)

巖石錨桿基礎(chǔ)主要是在具有較好完整的巖石地基上利用錨桿將基礎(chǔ)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(chǔ)混凝土方量的目的。

本工程的四層中等風(fēng)化花崗巖如果埋深較淺時可考慮使用巖石錨桿基礎(chǔ)，擬定錨桿基礎(chǔ)為現(xiàn)澆C40鋼筋砼結(jié)構(gòu)，由上部圓形基礎(chǔ)和下部錨桿組成。基礎(chǔ)的總厚度為3.0m，上部基礎(chǔ)同擴展基礎(chǔ)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(chǔ)臺階的坡面比為1：5.0，寬高比為1:2.5?；A(chǔ)下部錨桿共30根，以基礎(chǔ)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(chǔ)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(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖見圖3，結(jié)構(gòu)計算結(jié)果見表6。

從表6可以看出，風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)各項設(shè)計均滿足規(guī)范要求，風(fēng)電機組基礎(chǔ)是安全的。

表6 風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表

（三）新型梁板式基礎(chǔ)

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

梁板式基礎(chǔ)的梁、板對該類型的風(fēng)電機組基礎(chǔ)安全至關(guān)重要，因此擬定梁板式基礎(chǔ)為現(xiàn)澆C40鋼筋砼結(jié)構(gòu)，由底部圓形底板，以基礎(chǔ)環(huán)為中心的圓柱體，8根輻射狀的肋梁，以及沿基礎(chǔ)邊緣連接肋梁的環(huán)梁共四部分組成?；A(chǔ)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(chǔ)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(fēng)電機組基礎(chǔ)混凝土方量為517.5m3。

基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖見圖4，結(jié)構(gòu)計算結(jié)果見表7。

從表7可以看出，風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)各項設(shè)計均滿足規(guī)范要求，風(fēng)電機組基礎(chǔ)是安全的。

二、基礎(chǔ)方案比選

（一）造價分析

由表8可知，單個基礎(chǔ)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(shù)與施工質(zhì)量分析

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

表7 風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表

方案二為巖石錨桿基礎(chǔ)，由于基礎(chǔ)底部的直徑較小，基礎(chǔ)開挖量較少，但施工工藝復(fù)雜，需要增加錨桿的施工和相關(guān)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(chǔ)，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(gòu)受力，基礎(chǔ)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(fù)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(chǔ)為重力式基礎(chǔ)，對地基的適應(yīng)能力強，施工方便、施工質(zhì)量容易控制，基礎(chǔ)可靠性較好。方案二的巖石錨桿基礎(chǔ)對地基的風(fēng)化程度和完整性要求高、施工工藝復(fù)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(chǔ)在風(fēng)電基礎(chǔ)中工程實例較少，由于風(fēng)電機組長期承受反復(fù)荷載作用，故基礎(chǔ)可靠性相對較差。方案三的新型梁板式基礎(chǔ)是在方案一的基礎(chǔ)上優(yōu)化而來，所以對地基的適應(yīng)能力也較強，但基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，施工時所需模板較多，施工工序和工藝較復(fù)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(guān)系到整個風(fēng)電機組基礎(chǔ)的安全，施工可靠性一般。

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

方案二：巖石錨桿基礎(chǔ)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(yīng)性上對基礎(chǔ)的地基要求最高。

方案三：新型梁板式基礎(chǔ)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(fēng)電機組基礎(chǔ)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(fēng)電機組基礎(chǔ)型式的施工質(zhì)量和可靠性上也會逐漸提高。

表8 風(fēng)電機組基礎(chǔ)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(chǔ)可在風(fēng)電機組單機容量較小、上部荷載也不大時，基礎(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(yīng)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(fù)雜的風(fēng)電場，也可考慮采用組合方案進行設(shè)計。

（作者單位：上海勘測設(shè)計研究院有限公司）