不同風機基礎在巖溶山區的對比及應用

李 明，李啟宏，胡俊杰，龐 波，李 超

（湖北省電力勘測設計院，湖北 武漢430040）

1 工程概況及工程地質條件

某風電場項目一、二期工程位于湖北恩施，一期工程共安裝58臺風機，單機容量為850kW，輪轂高度44m，總裝機容量為49.3MW；二期工程共安裝33臺風機，單機容量為1500kW，輪轂高度65m，總裝機容量為49.5MW。

風場區域為南偏西—北偏東走向山脈，地形地貌屬于中山區，海拔高度在1640～1830m之間，風機位多位于山頂及山脊，林木稀少，多為灌木林及油竹林，局部為人工開墾的旱地。

根據勘測成果，廠址內巖土層特征按剖面圖中編號順序由上而下有：可塑粘土層、軟塑粘土層、碎石粘土層、灰巖層等。

場區下伏地層巖性為灰巖，巖溶極發育。施工圖勘測過程中發現，每個機鉆孔的巖芯裂隙均可見小型的溶蝕凹槽。根據勘測結果，鉆孔遇洞率為22.7%，鉆孔線溶率為2.9%；溶溝、溶槽及溶蝕裂隙強烈發育，基巖面起伏較大。按《巖土工程勘察規范》（2009版）[1]（GB50021-2001）以及《火力發電廠巖土工程勘測技術規程》[2]（DL/T5074-2006）判定，風電場巖溶發育程度為強烈發育。

2 風機基礎選型及巖溶的處理辦法

對于一般山區風電場，常規可以選擇巖石錨桿基礎，巖石錨桿基礎適用于工程地質相對比較好的地區，要求巖石的整體性好、穩定性強、無滑移、巖石承載力較高。本工程鉆孔遇洞率、鉆孔線溶率都很高，溶溝、溶槽及溶蝕裂隙強烈發育，基巖面起伏較大，不適宜采用巖石錨桿基礎。對于其他的新型基礎，如P&H無張力灌注樁基礎，也受場地條件限制，無法實施。對此，本工程最終選擇天然地基基礎。

在本工程一期工程中，采用的獨立擴展式風機基礎，二期工程中，采用的梁板式風機基礎，持力層均為中風化灰巖。

對于巖溶地區風機基礎，在施工圖勘察階段，風機位中心布置控制性勘探點1個，沿風機位中心四周布置一般性勘探點4個，并輔以地質雷達、探井等勘測手段，在施工圖開展前對風機點位處地質情況進行有效勘察，特別是探明溶洞、溶溝、溶槽的分布情況。在風機基礎施工期間輔助必要的施工勘察，確保風機基礎地基的安全。

對地基穩定性有影響的巖溶洞穴，應根據溶洞的位置、大小、埋深、圍巖穩定性和水文地質條件綜合分析，因地制宜地，采取下列處理措施：對于規模較小的洞穴，如果洞口較小，宜采用鑲補、嵌塞等方法處理。如果洞口較大，采用低強混凝土、塊石混凝土、漿砌石等堵塞處理。對規模較大的洞穴，或者風機基礎下部存在巖溶洞穴頂板坍塌可能會導致基礎塌落失穩，或者溶蝕基巖面劇烈起伏、傾斜，可能會導致基礎滑移失穩的巖溶，在處理上難度很大，在風機點位選取時，宜調整基礎位置避開此類位置。

3 兩種風機基礎對比與分析

獨立擴展式風機基礎與梁板式風機基礎在設計、施工、經濟性方面都有所不同。

3.1 兩種風機基礎的設計

獨立擴展式風機基礎與梁板式風機基礎在地基承載力計算的原理上相同，都是假定基礎剛性，按照各工況下基礎的脫開面積和地基承載力計算基礎底面積，按照基底反力計算基礎的配筋，因此兩種風機基礎在相同工況下的基底面積相同。

在二期工程中，風機廠家規定了土壤與基礎的最小抗傾覆剛度及基礎扭轉剛度要求。設計采用有限單元數值仿真分析方法，建立塔筒、基礎和地基整體模型，實現結構和土體的全耦合，對基礎施加單位傾覆力矩（單位荷載）Mx=1000000Nm，基礎發生整體傾覆變位，產生了0.01283弧度的傾覆轉角。利用力-位移法原理，求出其傾覆剛度為7.793×1010Nm/弧度，同理求出基礎扭轉剛度5.71×107Nm/弧度，均滿足廠家要求。

極限荷載工況為單位荷載的46倍，在極限荷載下，基礎轉角為0.08809弧度，基礎變形表現出非線性特性，即荷載增大46倍，轉角僅增加8倍。

風機基礎在設計時，不能完全按照剛性基礎理論進行計算，應建立塔筒、基礎和地基的整體模型進行分析計算，確保結構的安全性與經濟性。

3.2 兩種風機基礎的施工

獨立擴展式風機基礎由于模板規則、鋼筋構造簡單，鋼筋模板施工比較容易；但由于混凝土量相對較大，在山區混凝土的運輸和澆筑都比較困難，且澆筑時間長，而山區天氣變化比較快，風機基礎要求一次性澆筑，不留施工縫，這些都嚴重影響風機基礎的施工質量和施工進度。從施工完成的風機基礎來看，部分風機基礎出現混凝土蜂窩、麻面的現象比較嚴重。

梁板式風機基礎在放射梁穿塔筒、邊梁與放射梁節點鋼筋綁扎、底板鋼筋穿邊梁、放射梁的施工過程中施工難度較大；但混凝土澆筑量相對較少，澆筑時混凝土分區比較明顯，施工質量相對較好。從施工完成的風機基礎來看，混凝土質量相對較好。

3.3 兩種風機基礎的經濟性

梁板式風機基礎相比較獨立擴展式風機基礎，其混凝土方量和鋼筋用量均比有比較大的優勢，但其鋼筋下料和綁扎速度較慢，整體施工進度較慢，對于單個基礎一般獨立式擴展較梁板式風機基礎要慢2個工作日左右，這一方面增加無形成本，另外一方面減少了風機投運帶來的收入。因此，不能純粹從風機基礎自身經濟性來探討風機基礎才選型，必須結合風電場全生命周期投資來計算兩種風機基礎的經濟性。

4 結論與建議

巖溶地區的風機基礎有其獨特性，在前期施工圖勘察階段應特別注意基礎下溶洞分布、巖層布置、邊坡穩定等因素，避免微觀選址不當給后期帶來巨大損失。在采用梁板式風機基礎時，應采用注意風機基礎的非線性特性，建議采用有限元進行深入分析。在風機基礎選型中宜采用全生命周期投資來判別，選用適當的風機基礎型式。

[1] 建設綜合勘察研究設計院.GB50021-2001 巖土工程勘察規范（2009版）[S].中國建筑工業出版社，2009.

[2] 中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T5074-2006 火力發電廠巖土工程勘測技術規程[S].中國電力出版社，2006.