岩石锚杆风电机组基础设计及应用

2015-12-12霍宏斌高建辉张文东

风能 2015年3期

文 | 霍宏斌，高建辉，张文东

风能是最具开发前景的清洁可再生能源，同时也是具有巨大市场前景的能源。风电行业中风电机组整机销售价格逐年下降，风电场建造过程中风电机组本身造价几乎没有可减低空间。随着我国风电装机容量的快速增长，风电机组大型化趋势加快，风电机组基础安全问题频出。因此，在风电场的建设过程中，风电机组基础的安全性、风电场建设的造价成本、风电场建设周期等已经严重地影响了风电场的经济性，昂贵的传统风电机组基础形式已经严重地制约了风电场的健康发展。

因此，新型的风电机组基础研发是风电行业发展的必然趋势。风电机组基础能使风电场建设过程更加节省成本造价，在减低建设成本的同时又要保证更高的安全系数，保证了风电机组在趋于大型化的过程中风电机组基础更安全，保证风电场建设周期更快，提前建成投产，减少风电机组建设征地面积，更有效达到环评要求。同时，将基础形式衍生到其他大型高速设备基础结构中，使其各种大型设备基础结构更具有经济性。

岩石锚杆基础理论

一、基础分类

传统重力式基础主要是由大直径钢筋混凝土承台作为一个主要的结构体。从受力角度来看，传统基础的受力形式主要是用基础自身的重力来消化风电机组上部的巨大弯矩，风电机组与基础连接部位采用了基础环连接方式。

风电机组基础主要分为两种基础形式，分别为无张力灌注桩基础和岩石锚杆基础。无张力灌注桩基础适用于软土地区，例如砂土、粉土、粘土、湿陷性黄土、膨润土等。岩石锚杆基础适用于岩石、山地地区。

本文主要对锚杆基础进行说明，岩石锚杆风电机组基础是一种后张法无粘结预应力，岩石锚杆基础支持单筒式风电机组和塔筒。

二、基础组成

岩石锚杆主要由外圈锚杆系统、承台系统、内圈螺杆笼组成。锚杆系统由高强锚杆、螺母、高强灌浆料组成。螺杆笼由高强螺杆、底环、高强灌浆料组成。承台系统由高标号混凝土及钢筋组成。

外圈高强锚杆上部为2.5m－3.5m，使用PE套管形成自由端无粘结，高强锚杆下部与高强灌浆料粘结，灌浆料与岩石产生粘结。承台使用C40混凝土将高强锚杆和高强螺杆连接为整体。内圈采用与塔筒底法兰数量一致的高强螺杆将承台与底法兰进行连接，高强螺杆底部和预埋在基础底部的钢制底环相连，底环是高强螺杆的锚固端，螺杆和混凝土之间由PE套管隔离无粘结。

在施工阶段预先施加压应力，使用阶段，预加压力可全部或者部分抵消由于荷载产生的拉应力。

三、设计与计算方法分析

（一）荷载分析

风电机组属于高耸结构，其自重相对较小，主要由风荷载产生的弯矩控制。一般陆上风电机组荷载包括极限工况荷载、正常使用工况荷载、疲劳荷载、地震荷载。若是海上风电机组还需考虑波浪荷载、洋流荷载、冰荷载等。

极限工况荷载是考虑50年一遇在风电机组轮毂高度处3s飓风产生的荷载，一般情况弯矩在45000kN-m－110000kN-m范围内。正常运行工况荷载为风电机组正常运行时产生的荷载，通常为风电机组极限荷载的40%－70%。疲劳荷载是依据风电机组20年使用寿命，在风电机组启动、停机等条件下风电机组运行的时间反应谱进行计算。

根据《风电机组地基基础设计规范》FD003－2007考虑风电机组塔架基础所受上部结构不确定性和荷载模型偏差等因素，荷载修正安全系数为1.35。

（二）地质分析

岩石应为颗粒间牢固联结，呈整体或具有节理裂隙的岩体。作为建筑物地基，除应确定岩石的地质名称外，尚应按条划分其坚硬程度和完整程度。根据《建筑地基基础设计规范》GB5007－2011岩块的饱和单轴抗压强度分为坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩。岩石的风化程度可分为未风化、微风化、中风化、强风化和全风化。岩石的参数性能影响高强锚杆应使用的长度、直径、等级等。

（三）主要稳定性分析

根据《风电机组地基基础设计规范》FD003－2007抗倾覆验算采用基本组合，但其分项系数均为1.0。

风电机组基础底部弯矩及竖向力值：

Mk＝ 1.35(Mxy＋ Fxy·h)

Nk＝ Fz＋ Gk＋T

Mk—承台底部作用弯矩；Nk—承台底部作用竖向力；Mxy—弯矩；Fxy—水平荷载；Fz—竖向荷载；Gk—有效混凝土重量；T—有效预应力和值；h—有效高度。

抗倾覆稳定计算，其最危险计算工况应满足下式：MR/Ms≥1.6

MR—抗倾力矩；Ms—倾覆力矩修正值。

抗滑稳定最危险滑动面上的抗滑力与滑动力应满足：

FR/FS≥1.3

FR—抗滑力；FS—滑动力修正值。

（四）锚杆系统分析

锚杆系统是基础中的重要结构，在基础中作为抗拔桩使用，是风电机组基础安全性的保障。

根据《风电机组地基基础设计规范》FD003－2007锚杆基础中单根锚杆所承受的拔力，应按下列公式验算：

式中

Fk——相应于荷载效应标准组合作用在基础顶面上的竖向力；Gk——基础自重及其上的土自重；Mxk，Myk——按荷载效应标准组合计算作用在基础底面形心的力矩值；xi，yi——第i根锚桩至基础底面形心的y、x轴线的距离；Nti——按荷载效应标准组合下，第i根锚杆所承受的拔力值；Rt——单根锚杆抗拔承载力特征值。

对设计等级为甲级的建筑物、单根锚杆抗拔承载力特征值Rt应通过现场试验确定。

根据霍宏斌、王尔贝、陈锐研究的《锚杆关键参数对锚杆重力式海上风电机组基础承载特性的影响》在选取锚杆时，在可行的情况下，应尽可能选取大直径锚杆。因为增加锚杆数量可以提高基础的承载力并减小单根锚杆轴力，但当数量增加到一定程度时，会使其间距过小，导致地基中受力重叠，引起应力叠加，降低锚杆群的承载效率，所以锚杆数量存在上限。而基础抗拔承载力几乎随锚杆直径的增加呈线性提高，故锚杆直径越大对基础越稳定。当时设计时，应综合考虑选取适合锚杆的锚杆参数。

根据冯自霞、郑卫锋、程永锋研究的《输电线路裂隙岩体地基锚杆抗拔模型试验研究》，锚杆的抗拔力是最重要的参数。锚杆的抗拔力主要由以下四个因素决定，锚杆的强度，锚杆和灌浆料的粘结力，灌浆料和岩石间的粘结力，岩石的抗拔能力。大量的试验以及工程实例表明，在锚杆失效的各种形式中，锚杆最常发生的失效形式为岩土体与灌浆体之间的界面上滑脱而使得锚杆失效。所以，岩土体与灌浆体之间的界面是整个锚固系统的关键环节，也是最薄弱的环节。

（五）地基承载力分析

根据《高耸结构设计规范》 GB50135－2006圆(环)形基础承受偏心荷载时，Pkmax＝Nk/ξr2

Αc＝ τ*r1

式中r1——基础底板半径(m)；r2——环形基础孔洞的半径(m)，当r2＝0时即为圆形基础；αc——基底受压面积宽度(m)；ξ、τ——系数，根据比值r2/r1及e/r1按本规范附录C确定。

e/r＝0.25查找规范附录C

基础底面的压力，应符合下式要求：

当轴心荷载作用时：pk≤fa (5.2.1－1)

式中

pk——相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值；fa——修正后的地基承载力特征值。

当偏心荷载作用时，尚应符合下式要求：

pkmax≤1.2fa

式中

pkmax——相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最大压力值。

（六）其他计算分析

除稳定性计算、锚杆抗拔力计算、地基承载力计算，还需按照规范要求对承台截面抗弯计算、截面抗剪计算、截面抗冲切计算、变形验算、疲劳强度验算、基础转动动态刚度计算、水平动态刚度计算、高强螺杆张拉力计算、锚杆及螺杆处应力计算、高强灌浆料局部承载力计算，底环抗拔计算等。

计算结果与分析

一、计算参数

本文以某风电场2.0MW风电机组为例，进行风电机组岩石基础设计。该风电场风电机组采用的荷载为：

50年极端风速工况载荷（不含安全系数）

Mxy＝54529KN·m，Fxy＝632.8 KN，Fz＝－2872.5KN

正常运行工况（不含安全系数）

Mxy＝28997KN·m，Fxy＝379 KN，Fz＝－2964.7KN

本工程[极端荷载工况]为控制工况。此处Fxy、Fz取Mxy最大工况下所对应的荷载值。

承台直径r＝11.5m，C15垫层底直径12m，基础埋深2.01m，承台厚度2m，垫层厚度0.4m，锚杆排布直径为10.5m，锚杆根数20根，长度18m，钻孔深度15.5m，钻孔直径0.2m。高强锚杆使用M56－10.9级，高强螺杆使用160个M42高强螺杆长度2.4m。

二、计算过程

（一）基本计算

C40混凝土底面积A＝ 103.87m2

C15混凝土底面积A1＝113.1 m2

基础混凝土体积V253m3

截面抵抗矩W＝149.3

Gk＝6324.4KN

张拉力＝16560KN

按照本规范附录M的试验方法经现场原位试验确定抗拔力特征值为1000KN。

（二）计算结果

（1）极限工况下抗倾覆满足要求，安全系数1.78。正常工况下抗倾覆满足要求，安全系数3.35。

（2）极限工况下抗滑移满足要求，安全系数6.29。正常工况下抗滑移满足要求，安全系数10.56。

（3）极限工况下锚杆拔力987.7KN，小于设计竖向抗拔承载力值1000KN，满足要求。正常工况下锚杆拔力309.2KN，小于设计竖向抗拔承载力值1000KN，满足要求。

（4）极限工况下群桩安全系数2.5。

（5）极限工况下地基压力小于地基承载力，预加应力将使得承台不会出现脱开。

（6）其他计算分析满足要求。

（三）施工过程

参考图1到图4。

图1 潜孔钻钻孔

图2 锚杆吊装及布置电缆管

图3 钢筋绑扎

图4 承台混凝土浇筑

（四）主要工程量

岩石风电机组基础主要工程量为挖方量为290m³，C40混凝土用量为207m³，C15混凝土用量45m³，高强锚杆6.48t，高强螺杆3.64t，普通钢筋17.8t。

三、有限元对比分析

采用FLAC3D有限差分软件对岩石风电机组基础进行建模模拟。由于在极限工况下，基础受到的偏心力较大，基础与垫层之间、基础与周围土层之间可能会出现脱离，故基础与周围土层、基础与垫层之间考虑接触面单元。其接触面都为库仑剪切接触面。垫层与土体之间不设接触。模型底部边界全部固定，而侧边界只固定其边界面的法向。通过FLAC3D特有的数值方法向外圈锚杆施加920kN的预应力，然后再进行静力平衡，平衡后预应力有少量损失。这样即可获得预应力施加后外荷载作用前土体及基础的初始应力状态，风电机组基础的外圈锚杆所受到的最大轴力小于1000kN，符合设计要求。基础发生了一定程度的整体倾斜，小于风电场机组地基基础设计规定要求的0.005，符合规范要求。各基础基底平均压力都小于地基承载力，根据转角相同原则，插值求出在复合弯矩、剪力、轴力、扭矩作用下的对应的等效单一弯矩，作为倾覆弯矩，再求抗倾覆安全系数。计算得安全系数大于规范规定的安全系数1.6。抗滑力FR是基础底面受到的摩擦力，滑动力FS是基础受到的水平荷载。在极限工况状况下，大于1.3，符合我国规范要求。在各种工况下风电机组基础地基承载力、锚杆受力、抗滑移和抗倾覆稳定性均满足我国设计规范要求。

四、施工方法

（一）基坑定位及开挖

设定基础中心位置，按照设计尺寸进行基坑开挖，基础开挖后按测量控制点验收基底尺寸及标高，并会同监理、勘察对基坑进行验槽。

（二）找平层混凝土浇筑

基础找平层混凝土的厚度要依据当地的地质条件和实际基坑底部开挖情况确定，水平度控制在±5cm以内。

（三）钻孔

找平层施工结束后，放线定位，标注出每个孔的中心位置，用高压潜孔钻机钻孔至设计深度，达到设计深度后用高压空气清除孔内余渣。

（四）锚杆注浆工作

将锚杆下入孔内，孔口使用夹具夹住锚杆，穿入PE套管，PE套管两头用PE胶带粘住。按照设计要求在锚杆上安装扶正器后将锚杆吊人孔内，使锚杆对中、垂直，测量并调整外露长度。将注浆管放入孔底处，一次性注入高强灌浆料，灌浆料浆自孔底向外灌注，随着水泥浆的灌入，注浆管根据注浆速度慢慢地向外拔，待粘稠（正常配合比）灌浆料从孔口溢出即可停止灌浆。

（五）混凝土垫层浇筑

安置聚乙烯苯板，放置穿线管，浇筑垫层混凝土。

（六）模板环、底环的安装

将模板环、底环整体吊入基坑，底环与垫层上所画边线位置重合，误差不大于5cm。在剩余高强螺杆涂抹锂基脂润滑油，套上PE套管。安装高强螺杆。

（七）钢筋绑扎

找平后按照设计要求焊接接地扁铁。按照设计图纸要求，绑扎普通钢筋。

（八）基础承台混凝土浇筑

浇筑混凝土,在混凝土浇筑到距上法兰下口1m－2m时，适当调节混凝土的塌落度160 mm－180mm，并时时检查模板下环的水平度。混凝土终凝以后或者24h后方可拆模，提取模板上下环，并按照规范养护。

（九）后续工作

回填土需要按照设计要求压实，并进行后张拉工序。