山区风电场的风电机组基础选型设计

文 | 肖晶晶



山区风电场的风电机组基础选型设计

文 | 肖晶晶

近年来，我国在风能资源利用方面发展迅速，据中国可再生能源学会风能专业委员会的统计，截至2014年中国风电累计装机容量已经突破1亿千瓦，继续稳居世界装机首位。但是，在这种以资源为导向的爆发式增长后，还以大规模的风电场开发建设的模式来发展必然不是长久之路。相反，如何更有效的利用风电场的风能资源和解决相关的配套因素才能保证我国的风电行业健康稳定发展。

目前国内的风电机组设备厂家已经开始通过增加轮毂高度以及叶片长度等措施以提高对风电场风能的利用率。与此同时，风电机组的上部载荷也越来越大，对风电机组的基础设计要求也越来越高。风电机组基础的型式以及相应的工程量也成为影响工程造价和风电场效益的重要因素之一，也是业主比较关心的问题。本文结合作者的工作经验，以国内某山区风电场为例，介绍了传统扩展基础、锚杆式基础以及新型梁板式基础的设计，对比了三种基础的优缺点，对类似风电场的工程建设提供一定的工程经验。

概述

国内某风电场总装机规模为48MW，安装单机容量为2MW的风电机组，数量为24台。风电机组机位位于各山头上，山头间高差较大，风电场场地内地基土主要分为如下四层：

1. 一层松散层不能作为风电机组天然地基持力层，须挖除。

2. 二层全风化花岗岩厚度不均匀，当厚度与埋深合适时，该层是风电机组天然地基的良好持力层。

3. 三层强风化花岗岩，承载力高，性状良好，埋深适中，该层也是风电机组天然地基的良好持力层，但开挖难度较大，需机械与爆破结合开挖。

4. 四层中等风化花岗岩，岩石较完整，承载力较高，但埋深较大，当二层与三层强风化花岗岩不能满足要求时，可考虑作为风电机组天然地基持力层。该层开挖难度大，多需爆破开挖。

岩土地质参数见下表1。

风电机组上部载荷

目前国内陆上风电机组的上部载荷主要还是由风电机组厂家提供。本工程风电机组的上部载荷坐标系见图1，荷载标准值见表2。

表1 岩土地质参数建议值表

荷载分项系数

目前对于陆上风电场的基础设计主要依据水规总院2007年发行的《风电机组地基基础设计规定》（试行）进行复核和验算。该规定主要采用极限状态的设计方法，稳定计算的相关荷载的分项系数见表3。

在风电机组基础设计中，由于考虑到风荷载的随机性较大，且不易模拟。在与地基承载力、基础稳定性有关的计算中，上部结构传至塔筒底部与基础环交界面的荷载应采用修正标准值，修正安全系数k0取1.35。修正后的上部荷载标准值见表4。

风电机组基础型式比选

风电机组基础的上部荷载主要是由风荷载以及塔架和设备本身的自重产生，再通过基础环传到风电机组基础。目前陆上的风电机组基础型式主要有扩展基础、桩基础和岩石锚杆基础，一般在软弱土层或高压缩性土层时优先采用桩基础。而山区风电场一般优先采用扩展基础或者岩石锚杆基础，本文还考虑近几年发展起来的一种新型梁板式的扩展基础，对这三种基础型式进行结构设计和技术经济比较。

表2 风电机组上部荷载标准值

表3 主要荷载的分项系数表

表4 风电机组上部荷载修正标准值

一、基础结构尺寸拟定和稳定计算

（一）方案一：传统扩展基础

传统的扩展基础主要利用基础本身的自重来满足风电机组的抗滑和抗倾覆要求。同时考虑到风电机组要承受360°的荷载，所以一般采用受力特性较好的圆形基础型式，基础结构一般分为上、中、下三节，其中上节和下节为圆柱体，中间为连接上下节的圆台体。

本工程扩展基础可置于二层全风化花岗岩或者三层强风化花岗岩上，拟定的圆形扩展基础为现浇C40钢筋砼结构，基础的总厚度为3.2m，上节顶部圆柱体半径为6.0m，厚度为1.2m，下节底部圆柱体半径为11.0m，厚度为1.0m，中间的连接圆台体的厚度为1.0m。基础台阶的坡面比为1：5.0，宽高比为1：2.5。此方案的单个风电机组基础的方量为749.4m3。

基础结构示意图见图2，结构计算结果见表5。

从表5可以看出，风电机组基础结构各项设计均满足规范要求，风电机组基础是安全的。

（二）方案二：岩石锚杆基础

岩石锚杆基础主要是在具有较好完整的岩石地基上利用锚杆将基础和岩石地基连成整体，这样既可以充分发挥岩石地基的承载力又可以利用锚杆来抵抗水平和上拔力，从而达到减少土石方开挖量和基础混凝土方量的目的。

本工程的四层中等风化花岗岩如果埋深较浅时可考虑使用岩石锚杆基础，拟定锚杆基础为现浇C40钢筋砼结构，由上部圆形基础和下部锚杆组成。基础的总厚度为3.0m，上部基础同扩展基础一样分为三节，上节顶部圆柱体半径为4.3m，厚度为1.0m；下节底部圆柱体半径为9.3m，厚度为1.0m；中间圆台体厚度为1.0m。基础台阶的坡面比为1：5.0，宽高比为1:2.5。基础下部锚杆共30根，以基础底部圆柱体的半径8.3m均匀布置，锚杆直径为36mm，锚杆孔直径为130mm，锚杆最小间距不小于0.8m，锚入岩石长度为2.0m。此方案的单个基础的混凝土方量为481.6m3，高强无收缩灌浆料方量为1.5 m3，锚杆1.1 t。

表5 风电机组基础结构计算结果表

基础结构示意图见图3，结构计算结果见表6。

从表6可以看出，风电机组基础结构各项设计均满足规范要求，风电机组基础是安全的。

表6 风电机组基础结构计算结果表

（三）新型梁板式基础

新型梁板式基础是在传统扩展式基础上优化而来的，主要是利用梁板式的结构替代原来的中间实体圆台，进而可以节省整个基础的混凝土的方量。

梁板式基础的梁、板对该类型的风电机组基础安全至关重要，因此拟定梁板式基础为现浇C40钢筋砼结构，由底部圆形底板，以基础环为中心的圆柱体，8根辐射状的肋梁，以及沿基础边缘连接肋梁的环梁共四部分组成。基础总厚度为3.5m，底部圆形底板半径为11.0m，厚度为0.6m；中部圆柱体半径为3.5m，底板以上厚度为2.9m；8根辐射状肋梁每根宽度1.0m，底板以上高度0.6m－2.6m，单根长度为5.7m，坡面比为1：2.8；沿基础边缘环梁的每根宽度0.8m，底板以上高度0.6m。此方案单个风电机组基础混凝土方量为517.5m3。

基础结构示意图见图4，结构计算结果见表7。

从表7可以看出，风电机组基础结构各项设计均满足规范要求，风电机组基础是安全的。

二、基础方案比选

（一）造价分析

由表8可知，单个基础造价，方案一为119.9万元，方案二为96.3万元，方案三为113.8万元，方案一的造价略高，方案二的造价最经济。

（二）施工技术与施工质量分析

方案一为传统扩展基础，基础型式简单，基础混凝土可一次浇筑完成，技术成熟、施工方便、施工质量容易控制、工期短。

表7 风电机组基础结构计算结果表

方案二为岩石锚杆基础，由于基础底部的直径较小，基础开挖量较少，但施工工艺复杂，需要增加锚杆的施工和相关试验，如钻孔、灌浆、施工前需进行锚杆基本试验、承台浇筑前需进行锚杆验收试验，工期较长，要求施工单位具有成熟的锚杆施工经验，施工质量保证方面难度较大。

方案三为新型梁板式基础，采用辐射状的肋梁、环梁和底板、中央圆台柱组成梁板柱结构受力，基础方量较小，但施工需要立模板最多，浇筑时需要有顺序浇筑混凝土，施工工艺较复杂，施工质量保证方面难度稍大。

（三）可靠性

方案一的传统扩展基础为重力式基础，对地基的适应能力强，施工方便、施工质量容易控制，基础可靠性较好。方案二的岩石锚杆基础对地基的风化程度和完整性要求高、施工工艺复杂、施工质量控制较难，对施工单位的要求较高，岩石锚杆基础在风电基础中工程实例较少，由于风电机组长期承受反复荷载作用，故基础可靠性相对较差。方案三的新型梁板式基础是在方案一的基础上优化而来，所以对地基的适应能力也较强，但基础的结构较复杂，施工时所需模板较多，施工工序和工艺较复杂，对施工单位的经验和管理水平要求较高，且肋梁的施工质量直接关系到整个风电机组基础的安全，施工可靠性一般。

综上所述，方案一：传统扩展基础在经济性上最差，但在施工质量、地层适应性以及可靠性上均比较好，因此是目前大多数风电机组基础采用的典型风电机组基础型式。

方案二：岩石锚杆基础在经济性上最好，但在其余方面都较另外两个方案略差，特别是在地质的适应性上对基础的地基要求最高。

方案三：新型梁板式基础在经济性上适中，对地基的要求也不高，仅仅是在施工质量控制以及可靠性上比方案一略差。随着采用此类型的风电机组基础型式越来越多，施工单位的施工水平和管理水平也会越来越好，此类型的风电机组基础型式的施工质量和可靠性上也会逐渐提高。

表8 风电机组基础方案经济比较汇总表

结语

（一）方案一的传统扩展基础可在风电机组单机容量较小、上部荷载也不大时，基础的工程量适宜，且相对另外两个方案经济性上相差不大的情况下，选择此方案。对加快施工进度，提前完成项目目标较有利。

（二）方案二的岩石锚杆基础可在地质岩石条件较好时，选择此方案。对减小基坑开挖难度，同时相对其他两个方案还可以减少基坑开挖，减少对原有山体的破坏，对保护环境也较有利。

（三）方案三的新型梁板式基础在单机容量大、上部荷载较大时，可选择此方案。对地基的适应性较好，同时对降低工程造价也比较有利。

（四）在地质条件复杂的风电场，也可考虑采用组合方案进行设计。

（作者单位：上海勘测设计研究院有限公司）