楊丹萍，于 瑩，尹鐘霄

（吉林建筑科技學院 土木工程學院，吉林 長春 130114）

中國地域遼闊，自然資源豐富，風能的有效開發(fā)及利用具有良好的社會前景。我國風能開發(fā)利用較晚，但發(fā)展迅猛。風電發(fā)展“十三五” 規(guī)劃指出，風電已在全球范圍內實現(xiàn)規(guī)?；瘧?，截止至2020 年底，風電累計并網(wǎng)裝機容量確保達到2.1 億KW 以上，其中海上風電并網(wǎng)裝機容量達到500 萬KW 以上；風電年發(fā)電量確保達到4200 億KW 時，約占全國總發(fā)電量的 6%。近年來，大量學者和企業(yè)投入到風能的開發(fā)中來，陸地風電以及海上風電技術的不斷發(fā)展也對風電基礎提出了更高的要求。選取合適的基礎結構形式，并將結構體系做到布置合理、傳力明確，需要加強的地方重點處理，次要的構件避免浪費，風電基礎結構設計應做到 “體系優(yōu)化”，而不僅僅拘泥于 “構件” 這個層面。

1 風電基礎概述

風電基礎是風力發(fā)電塔的重要結構部分，不僅需要承受全部的上部荷載以及作用，還需要其在保證結構安全可靠的情況下進行傳遞。與此同時，其穩(wěn)定性也是整體結構設計時需要考慮的關鍵點，使其最大化的發(fā)揮其力學性能、有效的控制工程成本、提高施工的便捷性等方面具有很好的前景。我國風電基礎設計的歷程大致可以分為三個階段：基礎開發(fā)階段、設計學習階段、創(chuàng)新設計階段。第一階段（2003年以前），截止2003 年，我國具備小型風電基礎的開發(fā)能力，在此之前我國風電基礎研究處于萌芽階段，清潔能源、節(jié)能減排未受到重視，風電場規(guī)模較小，風電基礎設計多由建筑設計院完成，沒有相應的基礎設計規(guī)范；第二階段（2003 年～2007 年），我國引入大型風電基礎，并開始嘗試設計開發(fā)，隨著國家對風電行業(yè)的重視，風電基礎的研究也得到了快速發(fā)展，我國2005 年開始了風電基礎規(guī)范的制定工作，并于2007 年發(fā)布。與此同時，相關的設計軟件也投入使用；第三階段（2007～至今），我國已經(jīng)具備大型基礎設計能力，并開始創(chuàng)新型風電基礎的設計研究[1]。

2 風電基礎的主要形式

2.1 陸上風電基礎

我國陸上風電基礎形式主要包括擴展基礎、樁基礎、巖石錨桿基礎、預應力墩式基礎、梁板基礎 。其中擴展基礎、樁基礎、巖石錨桿基礎應用較多。

擴展基礎又稱為重力式擴展基礎，該基礎形式是陸上風電基礎的常見形式，其通過將基礎面積進行擴展，使上部荷載和作用得到一定的擴散，從而滿足設計要求 。它具有良好的抗彎與抗剪性能，施工過程中不需要大開挖，結構的整體性好，力學模型建立簡單且收斂性好，使用過程中安全可靠，適用范圍廣。但是，其基礎工程量較大，增加了工程造價，且對于土層要求較高，地基軟硬不均以及土質較差的情況并不適用。

樁基礎通常采用灌注樁和預應力混凝土樁，該基礎形式主要適用于地基軟硬不均以及土質較差的情況。這種情況下上部結構對變形的要求不能被滿足，通常會采用此基礎形式。該基礎形式具有承載力以及穩(wěn)定性好，基礎不均勻沉降小，抗震性以及抗爆性好，能適應不良地質災害以及周邊的荷載變化等優(yōu)點。但是樁基礎在工程成本方面造價較高，其施工也較為復雜，并且在設計方面計算難度大。郭文文等[2]采用ABAQUS 有限元軟件進行單樁基礎、圓盤式混合單樁基礎以及重力式圓盤基礎的模擬，模擬采用真實的環(huán)境設定，考慮土體與樁體的相互影響以及土體自身的彈塑性性能，并對其進行承載力、剛度以及強度驗算。模擬研究表明采用圓盤式混合單樁基礎的穩(wěn)定性及其各項承載能力都顯著提高。

巖石基礎包括巖石錨桿基礎和樁錨桿基礎，常用于大兆瓦風機類型（大于1500KW），巖石層整體性較好的情況。當巖石層分布不均勻時，不可采用此基礎類型。樁錨桿基礎可適用于地質條件惡劣。例如，灘涂、淤泥層等地質條件，但是當土層塌陷性較大時會對樁成孔造成影響，需要進一步技術處理。馬逸鵠等[3]提出了一種新型預應力自鎖頭錨桿，通過自鎖頭和巖石間壓緊摩擦錨固，并通過施加預應力減小錨桿的疲勞應力幅，其可代替?zhèn)鹘y(tǒng)巖石錨桿用作基礎和巖石間的錨固。通過4 組疲勞試驗和靜力試驗分析表明，其抗疲勞性能以及極限抗拔承載力顯著提高，可安全可靠的應用于工程中 。Salcher 等[4]針對悉尼地鐵西北隧道工程進行了巖石錨桿和錨索錨桿在砂巖和頁巖中的拉拔試驗研究，研究采用端錨防腐蝕鋼螺栓，樹脂灌漿纖維增強塑料螺栓，水泥灌漿錨桿和摩擦錨桿進行試驗，探討錨桿類型、注漿劑、巖性、錨桿材料和鉆孔直徑對其抗拉拔性能的影響，并針對于施工過程中的問題，例如灌漿部分密封，樹脂混合不足等提出了建議。

2.2 海上風電基礎

海上風電的基礎結構形式主要包重力式基礎、三角架基礎、單樁基礎、導管架基礎、筒型基礎、浮式基礎，最常用的形式為單樁基礎以及重力式基礎[5]。重力式基礎多為鋼筋混凝土結構，其設計簡單，穩(wěn)定性及可靠性好，但是體積較大，造價較高且抗腐蝕性差。通常適用于海水深度低于十米的土質較硬的淺海。單樁基礎通常是將一根鋼樁打入一定深度的海底，適用于深度不超過30m 的海域。其具有造價低的優(yōu)點，雖然單樁成本較低，但是隨著時間的增長，海水的腐蝕性會對其結構造成很大影響，特別是處于海底地震帶時，結構容易有倒塌風險。海上風電基礎的受力非常復雜，在承受上部結構傳遞的靜力荷載的同時，還要承受動荷載和偶然荷載的作用，在選型時，海水深度、海床及地質條件等是考量的關鍵。Byrne 等[6]針對于海上風電基礎的設計方法以及計算模型進行了研究，由于荷載由風荷載和波浪荷載組成，具有周期性。傳統(tǒng)的計算模型基于塑性理論，其二維加載以及單調加載兩方面仍然具有限制性，將傳統(tǒng)模型進行調整，得到符合結構構件和環(huán)境條件的計算模型。

3 風電基礎設計

3.1 風電基礎計算方法

目前根據(jù)風電基礎的特點，其在計算時主要考慮荷載工況、結構動力及靜力、結構沖刷及腐蝕等因素的影響。荷載工況主要包含風機荷載和環(huán)境荷載，風機荷載由葉輪靜風壓荷載、湍流荷載、尾流荷載、發(fā)電機偏引荷載和機組重力荷載等[7]組成，此部分目前由生產(chǎn)廠家提供數(shù)據(jù)。環(huán)境荷載通常在海上風電基礎設計時考慮，由波浪力產(chǎn)生的荷載以及海流力產(chǎn)生的荷載兩部組成。風電基礎的計算主要包括靜力計算以及動力計算兩部分，結構靜力分析需要進行基礎承載力、強度、變形以及穩(wěn)定性的計算；結構動力部分計算包括模態(tài)分析及疲勞分析等，主要考慮風荷載的動態(tài)特征。趙儉斌等[8]針對于風電基礎疲勞損傷的計算方法進行了分析比較，并以海上單樁風機基礎為例進行疲勞分析，運用全時域動力分析模型以及頻域疲勞損傷計算流程分析了阻尼比取值、風與波浪聯(lián)合作用、應力幅概率分布模型對基礎疲勞損傷的影響。遲洪明等[9]利用三維有限元計算方法進行了風電基礎受力狀態(tài)分析，并結合計算結果及已有破壞形態(tài)資料，分析得出其應力集中區(qū)域并對其采取有效的加固措施。王其標等[10]利用流函數(shù)波浪理論對近海風電樁基礎進行了分析，通過Morison 方程與P-y 曲線法對不同水深情況下的水平向受力性能進行研究，分析風電基礎的受力特點及變形規(guī)律。研究表明水深對樁基的承載力有直接影響，波浪計算模型的準確有利于設計前期波浪力的有效估算，Morison 方程主要考慮了波浪作用，而對于海流與波浪的耦合作用需要進一步分析。

3.2 風電基礎優(yōu)化設計

風電基礎設計主要包括基礎體型設計、承臺設計、樁基設計等方面。“結構優(yōu)化” 指的是在安全、合理的結構形式下使結構做到最經(jīng)濟，而不是只要把鋼筋混凝土用量降下來就算是優(yōu)化。在基礎體型設計時，根據(jù)風電基礎的荷載特性，通常采用中心對稱的圓形基礎。承臺設計需要考慮其半徑、埋深、厚度、配筋等影響因素，優(yōu)化承臺設計可有效減少工程量，保證結構的穩(wěn)定性，減少工程造價。練繼建等[11]提出了一種應用于海上風電系統(tǒng)的新型牽索錨固式基礎結構形式，該結構具有可適用于不同水深環(huán)境、結構簡單、剛度可調整等優(yōu)點。采用正常運行工況以及極端風況兩種工況進行研究，并以某工程為例，運用單因素分析的方法得出索纜根數(shù)、索纜牽拉位置、索纜夾角等參數(shù)對基礎結構的影響。王剛等[12]對基礎的抗冰設計進行了研究分析，寒區(qū)海上風電基礎處于結冰海域時，面臨諸多不確定因素，基于設計合理性驗證監(jiān)測要素分析，建立了海上風電基礎加錐抗冰分析現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)。通過在我國北黃海某風電場的工程應用，確定了海冰與風電基礎錐體結構作用破碎行為，驗證了結構抗冰性能與抗冰設計合理性。

4 結語

（1）目前，全世界對于能源的保護意識不斷增強，清潔能源的推廣和應用已成為一種必然的趨勢。風力發(fā)電作為可再生能源，是最具競爭力的能源之一，基于我國風電場建設的迅速發(fā)展，新型風電基礎的研究具有很好的研究與應用前景。

（2）風電基礎設計時，應綜合考慮其影響因素。海上風電基礎設計時，由于海水的腐蝕，還需要對結構的受腐蝕情況、海上土質的復雜性與含鹽量對基礎的作用以及海上風振對基礎的影響進行考慮。