常秀端

(上海艾能電力工程有限公司，上海 200023)

中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)“碳中和”。風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)到12億kW以上。新能源應(yīng)將由補(bǔ)充能源逐步提升為替代能源、主流能源乃至主導(dǎo)能源。受到大型新能源基地電力消納和送出的限制，在國(guó)家“源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化”的政策引導(dǎo)下，位于用電負(fù)荷集中的城市工業(yè)、經(jīng)濟(jì)園區(qū)建設(shè)以自發(fā)自用為主、余電上網(wǎng)的小型風(fēng)光儲(chǔ)項(xiàng)目將會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)爆發(fā)式增長(zhǎng)。

目前針對(duì)大型風(fēng)電的規(guī)范和研究較多，針對(duì)小型風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的資料和研究相對(duì)較少。由于小型風(fēng)機(jī)的特殊性，不能簡(jiǎn)單套用大型兆瓦級(jí)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，需要專(zhuān)門(mén)開(kāi)展針對(duì)性分析論證。本文以上海某智慧能源項(xiàng)目的小型千瓦級(jí)風(fēng)機(jī)為例，進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、方案比選及驗(yàn)證，可為后續(xù)類(lèi)似小型風(fēng)電項(xiàng)目開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供借鑒參考。

1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

一般風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，主要遵守及參考的規(guī)范包括：FD003—2007《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定(試行)》、GB 50135—2019《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》。

本文采用的 HY5-AD5.6 型小型風(fēng)機(jī)功率為5 kW，塔桿高度8 m，風(fēng)輪直徑5.6 m，輪轂中心高度8.3 m，與大型風(fēng)電場(chǎng)兆瓦級(jí)存在較大的差異，不能簡(jiǎn)單套用大型風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)規(guī)范。

本項(xiàng)目中涉及的小型風(fēng)機(jī)塔桿高度、風(fēng)輪直徑都要小得多，在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，包括荷載工況組合、設(shè)計(jì)限制性條件等需要在參照FD003—2007《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定(試行)》情況下，結(jié)合GB 50135—2019《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)其中的系數(shù)進(jìn)行選擇判斷，盡量?jī)?yōu)化風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的工程量，降低項(xiàng)目工程造價(jià)，同時(shí)設(shè)計(jì)方案的承載力、抗傾覆、變形量等應(yīng)通過(guò)驗(yàn)證。

1.2 荷載組合工況

在FD003—2007《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定(試行)》中，在正常和極端工況下，考慮風(fēng)電機(jī)組荷載不確定性和荷載模型偏差等因素的荷載修正安全系數(shù)為1.35，荷載分項(xiàng)系數(shù)如下[1]：永久荷載分項(xiàng)系數(shù)(不利/有利)為1.2/1，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)(不利/有利)為1.5/0 ，疲勞荷載分項(xiàng)系數(shù)為1，偶然荷載分項(xiàng)系數(shù)為1，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1，荷載修正安全系數(shù)為1.35。

由于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)主要適用于大型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，對(duì)風(fēng)機(jī)的各種極端工況組合要求較高，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)工程量一般會(huì)比較偏大，不完全適用于小型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)。為了優(yōu)化風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，降低工程造價(jià)，在國(guó)內(nèi)規(guī)范的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目小型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的荷載工況組合參照了國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GL2010德國(guó)勞式船級(jí)社風(fēng)機(jī)認(rèn)證指南，荷載組合如表1所示。

表1 GL2010規(guī)范荷載安全系數(shù)表

1.3 基礎(chǔ)形式選擇

國(guó)內(nèi)陸上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)用較多的是重力式基礎(chǔ)(擴(kuò)展基礎(chǔ))和樁基礎(chǔ)。擴(kuò)展基礎(chǔ)的形式多樣，應(yīng)用較廣的是方形、八角形、圓形及圓形肋梁基礎(chǔ)。由于陸上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)承受巨大的彎矩荷載，豎向和水平荷載相對(duì)較小，與其他結(jié)構(gòu)擴(kuò)展基礎(chǔ)受力特性存在較大差異，擴(kuò)展基礎(chǔ)的基底反力分布對(duì)基礎(chǔ)的受力特性影響較大[2]。本項(xiàng)目風(fēng)機(jī)為小型風(fēng)機(jī)，輪轂中心高度為8.3 m，根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告結(jié)論，此項(xiàng)目采用擴(kuò)展基礎(chǔ)或樁基，經(jīng)兩種方案做經(jīng)濟(jì)性對(duì)比后，找出最優(yōu)的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。

1.4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)限制條件

1.4.1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)穩(wěn)定限制條件

按GB 50135—2019《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、FD003—2007《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定(試行)》要求，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行抗滑穩(wěn)定和抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算[3]，在最不利工況(極限風(fēng)速工況)抗滑和抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足：抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)1.3，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)1.6。

1.4.2 地基應(yīng)力限制條件

按GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50135—2019《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》、FD003—2007《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定(試行)》規(guī)定。

正常運(yùn)行工況下地基應(yīng)力應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

地基最大應(yīng)力應(yīng)小于地基允許壓應(yīng)力；

地基最小應(yīng)力應(yīng)大于零。

極限風(fēng)速工況下地基應(yīng)力應(yīng)滿(mǎn)足以下條件：

地基最大應(yīng)力應(yīng)小于1.2倍地基允許壓應(yīng)力；

地基最小應(yīng)力基礎(chǔ)脫離底面的面積應(yīng)小于1/4總面積。

1.4.3 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)傾斜限制條件

抗傾力矩設(shè)計(jì)值/傾覆力矩設(shè)計(jì)值的比值須滿(mǎn)足>安全系數(shù)1.6。

基礎(chǔ)傾斜方向?qū)嶋H受壓區(qū)域兩邊緣的最終沉降差與其實(shí)際受壓區(qū)域?qū)挾鹊谋戎淀殱M(mǎn)足<0.005。

1.5 基礎(chǔ)方案比選

該項(xiàng)目所處位置靠近海域，根據(jù)勘察報(bào)告，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)可做擴(kuò)展基礎(chǔ)或樁基礎(chǔ)，兩種基礎(chǔ)方案比選如表2所示。

表2 獨(dú)基與樁基技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

因獨(dú)基時(shí)，基礎(chǔ)持力層的地基承載力特征值比較低，僅有80 kPa，但獨(dú)基基底埋深較淺，開(kāi)挖及回填量不大，基礎(chǔ)混凝土及用鋼量合理，故獨(dú)基和樁基兩種方案經(jīng)比較后采用獨(dú)立基礎(chǔ)方案。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 基礎(chǔ)基本計(jì)算條件

風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)尺寸：

基礎(chǔ)底板半徑R=1.65 m；

基礎(chǔ)棱臺(tái)頂面半徑R1=1.2 m；

基礎(chǔ)臺(tái)柱半徑R2=1 m；

塔筒直徑B3=0.8 m；

基礎(chǔ)底板外緣高度H1=0.7 m；

基礎(chǔ)底板棱臺(tái)高度H2=0.3 m；

臺(tái)柱高度H3=0.5 m；

上部荷載作用力標(biāo)高Hb=0.1 m；

基礎(chǔ)埋深Hd=1.3 m。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)尺寸如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)尺寸

2.2 地基條件

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)持力層為②1層粉質(zhì)粘土層，地基土承載力特征值為80 kPa。

2.3 方案驗(yàn)證

2.3.1 基礎(chǔ)承載力復(fù)核

表3為地基承載力復(fù)核時(shí)不對(duì)地基持力層的承載力特征值進(jìn)行修正的數(shù)據(jù)。

表3 地基承載力復(fù)核時(shí)不對(duì)地基持力層的承載力特征值進(jìn)行修正的數(shù)據(jù) kPa

土壤與地基土之間要求的最小抗傾覆剛度為0。

地基土實(shí)際抗傾覆剛度：4.285E+08 Nm/rad，滿(mǎn)足要求。

應(yīng)當(dāng)注意：當(dāng)基礎(chǔ)與剛性地面相連時(shí)，抗彎剛度可分別乘以提高系數(shù)，系數(shù)可取1.0～1.4，軟弱地基土的提高系數(shù)可取1.4，其他地基土的提高系數(shù)可適當(dāng)減小。

2.3.2 基礎(chǔ)抗傾覆驗(yàn)算

基礎(chǔ)抗傾覆驗(yàn)算數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 基礎(chǔ)抗傾覆驗(yàn)算數(shù)據(jù) kNm

基礎(chǔ)抗滑驗(yàn)算數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 基礎(chǔ)抗滑驗(yàn)算數(shù)據(jù) kN

基礎(chǔ)抗剪驗(yàn)算數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 基礎(chǔ)抗剪驗(yàn)算數(shù)據(jù) kN

基礎(chǔ)抗沖切驗(yàn)算數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 基礎(chǔ)抗沖切驗(yàn)算數(shù)據(jù) kN

其余參數(shù)：沉降和傾斜變形驗(yàn)算、基礎(chǔ)底板懸挑根部裂縫寬度驗(yàn)算、臺(tái)柱正截面強(qiáng)度驗(yàn)算、基礎(chǔ)底板懸挑根部配筋計(jì)算等均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)圖

3 結(jié)語(yǔ)

以某項(xiàng)目小型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為例，通過(guò)對(duì)荷載工況組合分析、基礎(chǔ)形式比選、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)穩(wěn)定和應(yīng)力限制條件論證、設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證等過(guò)程的分析論證，優(yōu)化了小型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的工程量，節(jié)省了項(xiàng)目的工程投資?；A(chǔ)方案的設(shè)計(jì)，參照國(guó)內(nèi)風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，但某些參數(shù)的選擇不拘泥規(guī)范的要求，同時(shí)參考GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50135—2019《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，并引入國(guó)外GL2010德國(guó)勞式船級(jí)社風(fēng)機(jī)認(rèn)證指南中荷載組合進(jìn)行探討，為小型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供了一種可借鑒的方法，為今后類(lèi)型項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。