陸上9度抗震設防烈度風電場風電機組基礎設計

文 | 遲洪明 李向輝 吳勇

陸上9度抗震設防烈度風電場風電機組基礎設計

文 | 遲洪明 李向輝 吳勇

隨著傳統能源的日趨枯竭，作為清潔、可再生的風能日益受到關注。據統計，我國風能資源總儲量為42.65億kWh，技術可開發量為2.98億kWh。 2012年，我國《風電發展“十二五”規劃》出臺，明確了未來風電發展的宏偉目標，到2015年并網裝機容量達到1億kW，到2020年裝機容量達到2億kW。“十二五”規劃中要加快內陸資源豐富區風能資源開發，其中就包括云南省，云南省是地震多發省份，從中國地震動峰值加速度區劃圖中可見，云南省地震加速度均高于0.1g，而風能資源較好的區域陸良、石林、劍川等地的地震加速度達到了0.3g，甚至0.4g。

風電機組基礎是風電場建設的重要環節，雖然在陸上風電場中風電機組基礎的成本只占整個風電場投資的5%左右，但是風電機組設備成本占到了整個風電場投資的70%以上，因此，風電機組基礎的重要性不言而喻，一旦風電機組基礎出現問題，將會產生摔塔等問題，整個風電機組設備將損壞，造成風電機組基礎成本百倍以上的經濟損失。

風電機組基礎設計時需要進行正常運行荷載工況、極端荷載工況、多遇地震工況、罕遇地震工況和疲勞強度驗算工況進行設計。一般情況下，在6度抗震設防烈度情況下，風電機組基礎設計的控制工況為極端工況；7度及以上抗震設防烈度下，風電機組基礎控制工況為地震工況。抗震設防烈度為9度及以上的風電場，其地基基礎設計應進行專門研究。

設計模型

風電機組基礎進行抗震設計時，應進行地震工況下的基礎設計，地震工況包括多遇地震工況和罕遇地震工況。多遇地震工況為上部結構傳來的正常運行荷載效應疊加多遇地震作用和基礎所承受的其他有關荷載；罕遇地震工況為上部結構傳來的正常運行荷載效應疊加地震作用和基礎所承受的其他有關荷載。多遇地震工況應進行基礎承載力、變形、穩定性計算。罕遇地震應進行抗滑和抗傾覆穩定驗算。

抗震設防烈度為9度的風電場的風電機組基礎設計專門研究中，應采用兩種以上的計算模型進行設計。目前，我國常用的陸上風電機組基礎計算模型為CFD－WTF軟件中模型，該軟件為水電水利規劃設計總院、北京木聯能軟件公司開發，經過了業內專家的評審。該軟件在陸上風電場的計算設計中得到了廣泛的應用。其地震荷載的計算是依據建筑抗震規范中的底部剪力法計算地震荷載的。另外一種計算模型就是采用有限元軟件進行有限元分析。有限元法是一種計算精度高，且能夠適應各種復雜形狀、行之有效的工程分析方法。目前常用的有限元軟件包括ANSYS、ABAQUS、FLAC等。

工程案例

一、工程概況

云南劍川百山風電區域，百山區域規劃風電總裝機容量約132MW，分3個片區開發建設。安裝88臺1500kW的發電機組，項目地處云南省大理州劍川縣境內，風電場區域西至金華鎮，東至黃蜂廠慶新公社，南至背馬廠村，北至玉皇山，場址以構造剝蝕作用形成的地貌為主，山體海拔較高，地形起伏變化大，地表植被以灌木為主。

二、基礎資料

（一）地質資料

根據地勘報告以及場區地震安全性評價報告，本場區位于青、藏、滇、緬、印尼“歹”字形構造體系東支中段東緣，處于北西走向的紅河斷裂帶與近南北走向的程海斷裂帶之交匯部位，紅河斷裂帶是由北西走向的洱海、喬巍等斷層組成，呈右旋剪切拉張活動，程海斷裂帶是由一系列北東走向的左旋走滑正斷層組成。工程區的地震烈度主要受外圍大理－彌渡7級、永平－魯史6級、云縣7級三個地震危險區的影響。工程區地震活躍，構造運動強烈。

根據現場調查及勘探結果，工程區地表主要覆蓋新生界（代）第四系全新統人工堆積、殘坡積層粉質粘土、碎石土、紅黏土，出露基巖為三疊中系統北衙組及志留系中統賓川組灰巖、角礫狀灰巖。各層巖土設計參數如表1所示。

根據《中國地震動參數區劃圖（1∶400萬）》GB18306－2001及《建筑抗震設計規范》GB50011－2010，場區地震動反應譜特征周期為0.40s，地震動峰值加速度為0.40g，抗震設防烈度為9度，設計地震分組為第二組。

（二）風電機組資料

風電機組采用某廠商EN87－1500風電機組，輪轂高度70m。根據廠家提供的荷載以及風電機組各部件重量、尺寸等，最終確定的荷載如表2所示。

（三）風電機組基礎設計

1 木聯能軟件計算

通過采用木聯能軟件，分別對以上5種荷載工況進行計算，經計算確定的風電機組基礎底部平面采用邊長為8.119m的八邊形基礎，基礎底板外緣高度為1.1m，底板棱臺高度為1.6m，臺柱高度為0.5m，基礎埋深3.2m，基礎下設100mm厚C15素混凝土墊層。基礎中預埋連接塔筒的底法蘭段。混凝土設計強度等級為C35混凝土，計算成果如表3所示。

2 有限元計算

采用有限差分軟件FLAC3D建立風電機組基礎與土體共同作用的整體模型。為加快計算效率，取整體模型一半計算，模型尺寸： 38m×19m×13.8m，風電機組基礎尺寸同木聯能計算尺寸，如圖1所示。

表1 巖、土體設計參數一覽表

表2 荷載工況表

表3 計算成果表

圖1 FLAC3D有限差分模型

圖2 基礎外表面與土體接觸面

圖3 荷載邊界條件

圖4 正常工況基礎底面土體沉降

圖5 正常工況基礎底土體（soil2）豎向應力云圖

圖6 正常工況接觸面法向分離示意圖

圖8 極端工況基礎底土體（soil2）豎向應力云圖

圖9 極端工況接觸面法向分離示意圖

圖10 罕遇工況基礎底面土體沉降

圖11 罕遇工況基礎底土體（soil2）豎向應力云圖

圖12 罕遇工況接觸面法向分離示意圖

風電機組基礎（foundation）與周圍土體（soil1、soil2、soil3）之間建立interface接觸面，如圖2所示。

將上部結構傳至基礎頂面荷載折算為基礎臺柱頂面荷載邊界條件，如圖3所示。初始平衡后，分別計算正常荷載、極端荷載和多遇地震工況下基礎底面土體沉降（zdisp）、豎向應力（szz）以及基礎底面與土體脫開情況（interface normal separation）。

本構模型：土體采用Mohr－Coulomb本構模型，鋼筋混凝土基礎采用Elastic模型。

邊界條件：上表面（Z=0）自由和下表面（Z=－13.8）固定XYZ方向位移、側表面（X=－19、X=19）固定X方向位移、后表面（Y=19）固定X方向位移、前表面（Y=0）固定Y方向位移（對稱性要求）。

圖4－圖12分別為正常荷載工況、極端荷載工況、罕遇地震工況下的計算結果圖，正常工況下，基礎底面土體最大沉降1.4724mm，傾斜率tanθ=5.78×10－5，滿足要求。基礎底面土體最大豎向壓應力1.188×105pa，滿足承載力要求。基礎底面與土體接觸面節點沒有破壞，基礎底面未與土體脫開，滿足要求。極端荷載工況下基礎底面土體最大沉降2.1912mm，傾斜率tanθ=1.15×10－4，滿足要求。基礎底面土體最大豎向壓應力1.2438×105pa，滿足承載力要求。基礎底面與土體接觸面節點沒有破壞，基礎底面未與土體脫開，滿足要求。多遇地震工況下基礎底面土體最大沉降2.5448mm，傾斜率tanθ=1.34×10－4，滿足要求。基礎底面土體最大豎向壓應力1.3339×105pa，滿足承載力要求。基礎底面與土體接觸面節點沒有破壞，基礎底面未與土體脫開，滿足要求。

3結果對比

從有限元計算的風電機組基礎基底豎向應力圖來看，在三種工況下，基底都沒有出現零應力或負應力區，說明風電機組基礎底部沒有出現脫開，這和木聯能的計算結果一致。表4是木聯能軟件和有限元計算的基底壓應力和傾斜率對比。

表4 結果對比表

從上表可以看出有限元計算的最大壓應力稍小，傾斜率計算較為接近。基底壓應力的差別原因在于木聯能軟件地基承載力計算是依據《風電機組地基基礎設計規定》（試行）中計算公式得出，該計算中都是采用簡化方法，即假定基底壓力按直線分布的材料力學方法，而有限元計算中是采用Mohr－Coulomb本構模型進行計算的。兩種不同的計算理論導致結果的稍有不同，但是從總體上看結果接近，且都能滿足現行規范的要求。因此采用木聯能進行施工圖設計是可行的。

結論

本文在對云南百山風電規劃區域的風電機組基礎專題設計時，采用了兩種計算模型進行了計算，并對兩種模型計算成果進行了對比分析。兩種模型在9度抗震設防烈度下進行風電機組基礎設計是可行的。該專題的計算成果通過了由云南省發展改革委組織的專家評審。該規劃區域項目已經于2013年12月份全部投產發電，目前項目運行良好。

（作者單位：遲洪明、吳勇：龍源（北京）風電工程設計咨詢有限公司；李向輝：中廣核風電有限公司）