文 | 翟建軍

山地風(fēng)電機組基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計

文 | 翟建軍

隨著風(fēng)電行業(yè)的迅速發(fā)展，陸上風(fēng)電機組單機容量和塔架逐漸向超大、超高發(fā)展，單機重量和葉輪長度隨之加重、加長，基礎(chǔ)承受的豎向載荷較大而集中，葉輪承載的軸向風(fēng)荷載和地震作用引起的傾覆力矩成倍增長。因此，對風(fēng)電機組基礎(chǔ)的設(shè)計提出了更高、更嚴的要求。

內(nèi)蒙古某風(fēng)電場位于阿盟南部賀蘭山西側(cè)，場區(qū)地勢相對較為平坦，場內(nèi)交通亦較為方便。場區(qū)地貌為丘陵、荒草地，地形起伏不大，海拔高度1400m－1500m，交通方便，具有良好的風(fēng)電建設(shè)條件。

風(fēng)電機組載荷及地質(zhì)資料參數(shù)

一、風(fēng)電機組荷載及相關(guān)參數(shù)

本工程擬用金風(fēng)GW100/2000-80m機型，風(fēng)電機組廠家提供的作用于樁基礎(chǔ)環(huán)頂面荷載及主要機組參數(shù)見表1。

二、工程地質(zhì)資料

該地區(qū)根據(jù)建筑抗震設(shè)防分類為丙級，按結(jié)構(gòu)重要性分類安全等級為二級，地震動峰值加速度為0.15g，地震動反映譜特征周期為0.45s，相對應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。屬中等復(fù)雜場地、地基等級為中等復(fù)雜地基；場地環(huán)境類別為Ⅲ類，工程區(qū)屬構(gòu)造基本穩(wěn)定區(qū)。

場址區(qū)地基巖土層可分為五層。第一層粉細砂層，工程地質(zhì)性質(zhì)差，不宜作為持力層。第二層礫砂層，工程地質(zhì)性質(zhì)一般，埋深大于3m時，可作為地基持力層。第三層角（圓）礫層，力學(xué)強度較高，工程地質(zhì)性質(zhì)良好，是較好的地基持力層。第四層砂質(zhì)粘土層，力學(xué)強度較高，埋深較大，是良好的持力層或持力層下臥層。第五層砂巖，全、強風(fēng)化帶工程地質(zhì)性質(zhì)一般，弱風(fēng)化巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)較好，是良好的基礎(chǔ)持力層或持力層下臥層。

場址地基土對混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性；對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具中等腐蝕性；對鋼結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。地處西北干旱地區(qū)，巖土體常年處于干燥狀態(tài)，地下水埋深很大，不具有砂土液化的條件。多年標準凍土深度為1.22m。

各土層的地基承載力特征值見表2。

表1　基礎(chǔ)設(shè)計用柱腳載荷（不含安全系數(shù)）

表2　地基巖土體力學(xué)性質(zhì)建議值

三、風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計主要控制指標

風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計主要控制指標見表3。

風(fēng)電機組基礎(chǔ)體型設(shè)計

一、風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式選擇

目前國內(nèi)通行的風(fēng)電機組基礎(chǔ)形式主要有以下幾種：

機組基礎(chǔ)均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)。根據(jù)風(fēng)電場場址工程地質(zhì)條件和地基承載力以及基礎(chǔ)荷載、尺寸大小不同，從結(jié)構(gòu)的形式看，常用的可分為塊狀基礎(chǔ)和框架式基礎(chǔ)兩種(如圖1示)；根據(jù)基礎(chǔ)與塔架機身連接方式又可分為地腳螺栓式和法蘭式筒式兩種類型基礎(chǔ)。前者塔架用螺母與尼龍彈墊平墊固定在地肢螺栓上，后者塔架法蘭與基礎(chǔ)段法蘭用螺栓對接。地腳螺栓式又分為單排螺栓、雙排螺栓、單排螺栓帶上下法蘭圈等。

表3　設(shè)計主要控制指標表

表4　基礎(chǔ)體型尺寸表

根據(jù)本工程擬選用金風(fēng)GW100/2000-80m機型塔架設(shè)計安裝要求和風(fēng)電場實地地理地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件，風(fēng)電機組基礎(chǔ)確定為鋼筋混凝土埋筒型淺埋基礎(chǔ)，基本體型為圓形塊狀基礎(chǔ)。

二、風(fēng)電機組基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計計算

根據(jù)《風(fēng)電場機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定》（試行）FD003－2007，本階段主要對基礎(chǔ)進行地基承載力復(fù)核、沉降變形驗算、傾斜變形驗算、抗傾覆穩(wěn)定驗算和基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定驗算。

（一）地基抗壓計算

1. 圓形擴展基礎(chǔ)承受軸心荷載：

式中：pk—荷載效應(yīng)標準組合下，擴展基礎(chǔ)底面處平均壓力；

Nk—荷載效應(yīng)標準組合下，上部結(jié)構(gòu)傳至擴展基礎(chǔ)頂面豎向力修正標準值；Nk＝k0Fzk；

k0—荷載修正安全系數(shù)，取1.35；

Gk—荷載效應(yīng)標準組合下，擴展基礎(chǔ)自重和擴展基礎(chǔ)上覆土重標準值；

A—擴展基礎(chǔ)底面積，A＝bl；

bl—基底面寬度、長度；

2. 圓形擴展基礎(chǔ)在核心區(qū)（e≤b/6）內(nèi)，承受偏心荷載作用：

式中：pkmax—荷載效應(yīng)標準組合下，擴展基礎(chǔ)底面邊緣最大壓力值；

pkmin—荷載效應(yīng)標準組合下，擴展基礎(chǔ)底面邊緣最小壓力值；

Mk—荷載效應(yīng)標準組合下，上部結(jié)構(gòu)傳至擴展基礎(chǔ)頂面力矩合力修正標準值，Mk＝k0Mrk；

Hk—荷載效應(yīng)標準組合下，上部結(jié)構(gòu)傳至擴展基礎(chǔ)頂面水平合力修正標準值，Hk＝k0Frk；

e—合力作用點的偏心距；

W—基礎(chǔ)底面的抵抗矩；

hd—基礎(chǔ)環(huán)頂標高至基礎(chǔ)底面的高度。

3.當(dāng)擴展基礎(chǔ)在核心區(qū)（e＞b/6）以外承受偏心荷載，且基底脫開基土面積不大于全部面積的1/4 時，圓形擴展基礎(chǔ)單獨承受偏心荷載（圖2）時，擴展基礎(chǔ)底面壓力可按下列公式計算：

式中：Pmax為極端載荷基底壓力；F＋G為偏心荷載；R為基礎(chǔ)半徑；τ、ξ為與e/R有關(guān)的系數(shù)；ac為基底與土的接觸長度。

（二）地基沉降變形計算

計算地基沉降時，地基內(nèi)的應(yīng)力分布，可采用各向同性均質(zhì)線性變形體理論假定。其最終沉降值可按下式計算：

式中：s—地基最終沉降值；

s'—按分層總和法計算出的地基沉降值；

ψs—沉降計算經(jīng)驗系數(shù)；

n—地基沉降計算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

p0k—荷載效應(yīng)標準組合下，擴展基礎(chǔ)底面處的附加壓力，根據(jù)基底實際受壓面積（As＝bsl）計算；

（三）地基穩(wěn)定計算

1.抗滑穩(wěn)定最危險滑動面上的抗滑力與滑動力應(yīng)滿足下式要求：

表5　 基底最大壓力計算系數(shù)τ、ξ表

式中：FR－荷載效應(yīng)基本組合下，抗滑力；

FS－荷載效應(yīng)基本組合下，滑動力修正值；

其中：式（9）適用于正常荷載工況、極端荷載工況、多遇地震工況，式（10）僅適用于罕遇地震工況。

2.沿基礎(chǔ)底面的抗傾覆穩(wěn)定計算，其最危險計算工況應(yīng)滿足下式要求：

式中：MR—荷載效應(yīng)基本組合下，抗傾力矩；

MS—荷載效應(yīng)基本組合下，傾覆力矩修正值；

其中：式（11）適用于正常荷載工況、極端荷載工況、多遇地震工況，式（12）僅適用于罕遇地震工況。

（四）計算成果

通過計算，所選機型基礎(chǔ)計算成果見表6。

表6　金風(fēng)GW100/2000-80m的基礎(chǔ)設(shè)計計算成果表

結(jié)論

由表6可知，金風(fēng)GW100/2000-80m型機組塔架基礎(chǔ)工程量（單臺）：土石方開挖量1562m3、回填量898m3，基礎(chǔ)C40混凝土量549m3、基礎(chǔ)C20墊層混凝土量42m3、鋼筋量57.6t、防腐面積325m2；塔架基礎(chǔ)承載力、沉降變形和穩(wěn)定均滿足設(shè)計要求。

（作者單位：內(nèi)蒙古阿拉善銀星風(fēng)力發(fā)電有限公司）