山地风电机组基础选型研究

王育新

（中广核新能源山东分公司 山东青岛 266000）

工程概况

山地风电场地形起伏较大，风机大部分沿山脊或山包分布，风机基础设计过程中，如何在保证结构安全的前提下降低成本成为关键。本文以某100MW山地风电项目为例，对重力式圆台基础和肋梁式基础分别进行了详细设计，并从技术、施工和工程造价等角度进行了比选分析。

1 工程设计条件

1.1 工程设计安全标准

工程设计安全标准主要包括以下几个方面：（1）工程等级和各建筑物级别、结构安全等级

本风电场装机容量为100MW，装机规模为40台单机容量2500kW的风力发电机组。根据《风电场工程等级划分及设计安全标准（试行）》（FD002-2007），按风电场工程规模、装机容量、升压站电压等级划分，本风电场工程等别为Ⅱ等，工程规模为大（2）型；按单机容量、轮毂高度和地基类型划分，本项目风电机组塔架地基基础设计级别为1级。

（2）建筑物洪水设计标准

根据《风电场工程等级划分及设计安全标准（试行）》（FD002-2007）的规定，本工程风电机组基础的洪水设计标准为50～30年。综合考虑本工程的规模、重要性及失事后的影响，并结合本工程实际地形特点，本工程风电机组基础洪水设计标准取50年一遇。

（3）建筑物抗震设计烈度

按《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008）、《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）、《风电场工程等级划分及设计安全标准（试行）》（FD002-2007）等有关规范，风机基础的抗震设防类别为标准设防类（丙类）。

1.2 地质条件

（1）地形地貌

拟建场区地貌类型成因类型为剥蚀丘陵，地貌类型为缓坡地。

（2）地层结构及地基土承载力特征值

拟建场区上覆地层以第四系含碎石粉质粘土，下卧层基岩为大理岩。

①含碎石粉质粘土：黄褐色，硬塑状态，稍湿。层厚一般为0.50m。承载力特征值fak=150～200kPa。

②大理岩，中等风化。承载力特征值fak=600～800kPa。

（3）地基评价

拟建场地内的②大理岩承载力较高，是较好的风机基础及拟建建构筑物的天然地基持力层。

1.3 风机设计荷载

本工程采用单机容量2.5MW的风力发电机组，根据风机厂家提供的作用于基础顶面荷载及主要风机参数参考数值见表1。

表1 基础顶面荷载及风机参数（不含安全系数）

2 风机基础设计

风机塔架为高耸构筑物，作用在风机基础顶面的主要基础荷载为垂直力、水平力、弯矩及扭矩，其中水平力和弯矩均很大。由于风电机组对塔架的倾斜度较为敏感，对基础稳定及不均匀沉降要求较高，所以风机基础对持力层的地基承载力特征值要求也较高。本工程地质条件稳定，强度高，是良好的天然地基持力层，故本项目拟全部采用陆上风电常用的扩展式基础。

2.1 风机基础类型简介

山地风电场常用的扩展式基础分为两大类：①重力式基础；②肋梁式基础。重力式基础在传统的风电场中应用广泛，依靠基础自重来平衡风荷载产生的弯矩，具有结构简单、施工方便的特点，但重力式基础也存在混凝土用量大、投资高的缺点。

肋梁式基础由中间台柱、梁和底板组成，中间台柱与风电机组塔筒相连，放射形布置的主梁用于传递塔筒传来的弯矩，梁和底板之间形成的空腔内填充土，肋梁式基础依靠基础混凝土自重及空腔内回填土的自重共同来平衡风荷载产生的弯矩，因此肋梁式基础较重力式基础混凝土能节省50～70m3，空腔内填土可以减少安装场地及基础开挖产生的挖方，降低弃土运输产生的费用。但施工难度较大，质量控制困难，给风机运行造成安全隐患，且施工周期长，现场管理费相应增加。

2.2 风机基础选型设计

根据初期地质资料及风机厂家提供的风机荷载资料，在工程量、结构安全性、受力性能、施工便利性等方面综合考虑，对重力式基础及肋梁式基础进行方案综合比较，择优选取。

（1）重力式基础

钢筋混凝土重力式基础体型拟定：经试算，初拟混凝土重力式基础基本体型为圆形，基础底部直径18.6m，埋深3.2m。基底铺150mm厚C15素混凝土垫层，其上部主体为C40钢筋混凝土。基础形式见图1，基础体型尺寸见表2。

图1 重力式基础体型图

表2 重力式基础体型尺寸表

（2）肋梁式基础

钢筋混凝土肋梁式基础体型拟定：经试算，初拟混凝土基本体型为圆形，基础底板直径19.2m，板底厚0.65m，8根基础主梁沿基础底板等分布置，主梁梁宽1.2m，梁高1.2～2.75m，基础埋深3.0m。基底铺150mm厚C15素混凝土垫层，其上部主体为C40钢筋混凝土。体型图详见图2，体型详见表3。

3 技术经济分析

3.1 工程量

根据上文所述内容，对两种基础形式，按土、石方开挖、土方回填、混凝土和钢筋用量等进行技术经济分析，对比表如表4所示。

3.2 施工周期

（1）重力式基础

钢筋安装3d，模板安装1d，浇注12h，拆模1d，合计6d。

（2）肋梁式基础

钢筋安装5d，模板安装2.5d，浇注28h，拆模1.5d，合计10d。

3.3 质量监控

肋梁式基础每个基础梁和底部基础、中间柱体形成四个阴角，混凝土在没有初凝之前，底部的砂浆特别容易流失，造成底部烂根、漏石子，此处的混凝土铺料厚度、坍落度、振捣时间是质量控制的难点，质量控制难度较大。

作为主要受力构件的8根拉梁最高处达3.2m，钢筋密集，振捣困难，混凝土质量控制较难。

图2 肋梁式基础体型图

表3 肋梁式基础体型尺寸表

表4 风机基础主要工程量比较表

4 结束语

重力式基础与肋梁式基础都属扩展基础，适用于地质条件较为良好的场地。重力式基础主要依靠基础自重来平衡风荷载产生的弯矩，具有结构简单、施工方便的特点；肋梁式基础依靠自重及上覆土平衡外部荷载，工程量较为节约。本工程肋梁式基础虽然在工程量上较重力式基础用量少，但施工难度增加，质量控制困难，给风机运行造成安全隐患，且施工周期增加近一倍，现场管理费相应增加，因此本工程建议采用简单易操作的常规钢筋混凝土重力式基础。未来工程基础设计选型，应综合考虑现场实际情况、施工技术水平和工程造价等，选取合适基础类型。