執行《風電機組地基基礎設計規定》所遇到的問題

劉學新

(吉林省電力勘測設計院，吉林 長春 130022)

1 概述

隨著國家節能減排工作的深入，大力開發、建設和利用風力發電這種清潔、可持續能源，正在我國迅速發展。國家發展改革委在《可再生能源中長期發展規劃》中確定了我國風電在“十一五”末期及2020年底裝機容量達到500萬kW和3000萬kW的目標，風電建設已經到了快速發展時期。

由于我國發展風電還處在起步階段，各工程設計單位多是參照現有的相關規范和標準進行設計，在工程建設中難免出現這樣和那樣的不足和缺陷。經常把水電工程和火電工程以及現有的標準、變電所工程上的經驗和做法套搬到風電工程設計中。在2007年9月份，我國發布了FD003-2007《風電機組地基基礎設計規定(試行)》(以下簡稱《規定》)，經過幾年工程設計中的使用，覺得《規定》中的有些內容值得商榷。

2 基礎變形計算問題

在《規定》的表7.2.9中規定：基礎變形驗算使用標準荷載，荷載工況為：正常運行工況、極端荷載工況、多遇地震工況(僅當該荷載起控制作用時)。在《規定》的8.4.3條基礎沉降計算中，基底附加應力是包含有土的自重應力，見《規定》公式8.4.3-2。上述的這些規定，與《建筑地基基礎設計規范》(GB5007-2002)有著明顯的不同。

(1)在基礎變形驗算時，荷載工況取值，《建筑地基基礎設計規范》采用準永久組合，不計入風荷載和地震荷載組合。在《煙囪設計規范》(GB50051-2002)中規定，基礎的變形驗算采用準永久組合，一般情況下，不考慮風荷載，但對于風玫瑰圖呈嚴重偏心的地區，采用頻遇值系數0.4進行計算。《高聳結構設計規范》(GB50135-2006)中規定，基礎的變形驗算采用準永久組合，不考慮風荷載。風荷載是一種瞬時作用荷載，對基礎的沉降變形影響很小。在《規定》中計算風機基礎變形時，是全部考慮風荷載作用，使得計算結果偏大。筆者認為應借鑒上述規范，總結多年來在基礎沉降工作中的經驗，在風機基礎變形計算時，適當考慮風荷載，可參考煙囪規范的作法。

(2)多遇地震工況參與基礎沉降計算，不妥當，地震荷載屬于瞬時作用荷載，很難傳遞到幾十米以下的土層。用地震這組荷載計算基礎沉降，在《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)中也沒有這方面的規定。

(3)在《建筑地基基礎設計規范》中，沉降計算是采用基底的附加壓力，見《建筑地基基礎設計規范》公式5.3.5，附加壓力是指基礎自重和基礎上的土重減去基礎底面處土的自重壓力(見下公式(1))。而風機《規定》公式8.4.3-2是不減基礎底面處土的自重壓力的(見下公式(2))。這部分荷載對基礎沉降計算影響很大，如一個埋深3m的風機基礎，土容重一般取18KN/m3，計算后土的自重壓力值為54KN/m2，是不可忽視的。從物理意義上講，這是同體積取代，基礎承臺已經取代同體積土的位置。

(4)在《規定》中，采用風機的極端荷載進行基礎變形驗算。極端荷載是一種瞬時荷載，風機設備廠商所提供的極端荷載是在最大荷載上乘以安全系數得來的，用這個值去計算基礎沉降顯然是沒有道理的。而且，這種極端荷載工況在風機的整個壽命期也只有幾次。

風機基礎的變形計算，在風機基礎設計中有時起到控制作用。在吉林省的西北和北部地區，地層基本是粉土、粉質粘土和份細砂土，土層交互，沒有明顯的硬層。基礎沉降、傾斜計算起到控制作用，目前這部分地區的基礎大都采用樁基礎。如將《規定》中過于安全的部分進行篩減，將有部分風機基礎可以采用天然地基。按一臺風機塔位計算，就可節省25萬元左右的投資，按一個50MW風場計算，可節省投資600～800萬元左右，工期可提前1.5～2個月。

3 基礎設計問題

目前國內各個設計院所設計的風機基礎，大致為兩種形式：圓形和多邊形(六邊形或八變形)。但《規定》中給出的基礎算例中卻是正方形，所有計算都是按照正方形提出的條件。如《規定》中表8.1.4條，在極端荷載工況下基礎脫離面積與基底面積的比為25%。這是在正方形的算例中提出的，對于圓形和多邊形是否還是25%的比例呢？目前有兩個解釋方法。其一，還是按面積的比，取25%。其二，取直徑的1/4。在樁基礎計算中，就更沒有依據了，仍是極端荷載工況下基礎脫離面積與基底面積的比，樁基礎怎么取？取1/4的上拔樁嗎？顯然不對，各個設計院的取法各不相同，《規定》沒有起到規定的作用。

《規定》表8.1.4條，要求正常荷載工況、多遇地震工況，基底不允許脫開。但在樁基礎設計中，除非所有的樁都布置在外圈，只要有一個樁布置在內圈，就一定有上拔樁，只是上拔力大小的問題。所有的樁都布置在外圈，這種設計方案是最費材料的，要求基礎承臺的剛度絕對大。前些年，有些設計院做過這種基礎承臺，效果不好，個別基礎出現問題，由于基礎剛度不夠，承臺和上部塔筒產生共振。目前的樁基礎承臺還是布置幾圈樁。這樣《規定》在樁基礎設計中又起不到規定的作用。

4 風機基礎疲勞計算問題

風機基礎的疲勞計算，在《規定》表7.2.9中提到，如何計算，整個規范沒有解釋，也沒有條紋說明，給風機基礎設計帶來很大困難。

目前的計算方法也很多：其一，采用《混凝土設計規范》(GB50010-2002)第7.9節和第4.2.5條。是計算吊車梁的公式，用在風機基礎上如何計算、是否合適，還需商榷。其二，適當加大受力鋼筋和混凝土的應力余量。其三，參考國外規范的計算方法。

5 結語

《風電機組地基基礎設計規定(試行)》作為我國第一本風機基礎設計規范，對風電建設做出了巨大貢獻。但在幾年的使用中，也暴露出一些問題。在《規定》的制定初期，可能對風機的荷載、運行工況不太了解，采用了一些安全保守的做法。雖著風電工程的快速發展，計算手段的不斷改進，科技現代化水平的不斷提高，工程中積累了很多經驗，修訂和完善風機基礎設計規范的工作勢在必行。