陆上风力发电机组受力性能及基础加固方案研究

2022-06-06李丽霞李润金刘文博邱国申

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2022年2期

李丽霞，李润金，刘文博，邱国申

（1.沈阳工程学院自动化学院，辽宁沈阳 110136；2.蒙东协合新能源有限公司，内蒙古通辽 028011）

近年来，我国陆上风电机组总装机规模逐年扩大，单机设计能力也有所提高。这就需要较大的叶片来捕获风能，增加塔的高度，同时在风机运行期间基础上的负载也增加。因此，许多风电场发生了风机基础损坏的事故，造成了巨大的经济损失。高压电塔载荷一部分来自塔身的重力，另外一部分是自然界的横向风载荷。横向风载荷的大小和方向受天气影响较大，这使得单机容量大的风机对电塔地基提出了很高的要求。当地基承载力不足时，需要对地基进行加固处理。

1 重力式基础加固方案

陆上风力发电机组的塔架基础主要有重力基础、岩锚基础、桩基础、预应力墩基础和梁板基础等5种形式。使用最广泛的是重力扩展基础。这种形式的原理是依靠基础和压载的重量来平衡风力涡轮机负载对塔架和自然环境载荷产生的倾覆力矩和滑动力，从而保证风力涡轮机基础和塔架结构的稳定性。

某风电场的风力机基础采用重力式基础结构，且均为圆形筏板基础，基础外接圆的直径为D，基础底板厚为H，风机基础混凝土的强度等级为C40，垫层混凝土的强度等级为C20。在风机基础顶面的基础环外2 m范围内铺设山皮石，如图1所示。

图1 原设计基础立面

风电机组发电量的增加会导致基础设计荷载的增加，因此采用增加截面的方法对基础进行加固。增加后的基础直径为D1，新增加的基础与原基础采用植筋方法连接，如图2所示。

图2 加固后的基础立面

2 风机基础计算方法

2.1 荷载

风机基础上的负荷可分为永久负荷、可变负荷和偶然负荷。永久负荷是指从上部塔架传递的垂直力、基础重量和回填重量；可变荷载是指上部塔架传递的水平力和力矩以及频繁的地震作用；偶然负荷是指罕遇地震等。此外，风机基础的设计荷载应考虑极端荷载、正常运行荷载、频繁地震荷载、罕遇地震作用和疲劳强度验算。

2.2 基础计算方法

2.2.1 地基抗压计算

根据《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》，在荷载效应的标准组合下，圆形基础承受的轴心荷载为

式中，Pk为风力机基础建基面的平均应力；Nk为从支撑结构传递到基础表面的垂直力的标准值；Gk为基础自重和基础上覆土重力标准值；A为扩展基础底面面积，A=bl，b为基础底面宽度，l为基础底面长度。

当基础承受偏心荷载且基础在核心区（e≤b/6）内时：

式中，Pkmax为风力机基础底面边缘最大压力值，Pkmax≤1.2fa；Pkmin为风力机基础底面边缘最小压力值；Mk为上部结构传至基础底面合力矩标准值；Hk为上部塔架传至风机基础顶面水平力修正值；e为合力作用点的偏心距；hd为基础环顶到风力机基础底面的高度。

式中，a为合力作用点至风力机基础底面最大压力边缘的距离。

2.2.2 稳定性验算

在荷载效应基本组合下，风机基础抗滑稳定最危险滑动面上的抗滑力和滑动力应满足下式要求：

式中，FR为抗滑力；FS为滑动力修正值。

在进行沿风机基础底面的抗倾覆稳定计算时，最危险计算工况应满足下式要求：

式中，MR为抗倾力矩；MS为倾覆力矩修正值。

3 风机基础加固设计案例分析

3.1 基本参数

新增加荷载作用的基本参数如表1 和表2 所示。混凝土的强度等级为C40；混凝土的容重为25 kN/m3；基础底板底面混凝土保护层厚度为35 mm；基础底板顶面混凝土保护层厚度为65 mm；台柱侧面混凝土保护层厚度为35 mm；覆土容重为17.5 kN/m3；地下水埋深为20 m；偶然荷载分项系数为1；结构重要性系数为1.1。地震工况的计算参数：地区基本烈度为7度；基本地震加速度为0.1 g；风荷载组合值系数为1；风机塔筒节数为4。