大唐吉林向陽風電場一期工程風電機組基礎優化設計分析

張巧，溫永利

（1.吉林省電力勘測設計院，長春 130022；2.大唐中電（吉林）新能源發電有限公司，長春 130022）

0 引言

大唐吉林向陽風電場一期400MW工程為中國—丹麥政府風能開發示范項目，風電場位于吉林省洮南市向陽鄉境內，風電場中心西北距洮南市約26km，距白城市約48km。海拔高度142.78m—145.33m，風電場工程規劃面積378.6km2，規劃裝機容量1000MW，分三期開發。一期場區內占地面積152.3km2，安裝267臺1.5MW風電機組，總容量共計400MW。

1 地基巖土構成概況

場區的地層巖性主要由粉土、粉質粘土、粉細砂等構成。由上至下概述如下：

①粉土：層厚1.20m—13.00m；②粉砂：層厚0.50m—12.50m；③粉質粘土：層厚1.00m—3.70m；③1粉質粘土：厚度1.00m—4.00m；④粉質粘土：厚度1.50m—3.60m；⑤粉土：層厚1.70m—8.30m；⑥粉質粘土：層厚1.00m—1.70m；⑥1粉質粘土：層厚度1.00m—10.00m。⑦粉土：層厚2.00m—4.20m；⑧粉質粘土：層厚1.00m—1.20m，層底埋深15.5m—14.6m； ⑨細砂：厚度2.30m；⑩有機質土：層厚度1.50m；⑾粉砂：厚度1.00m—14.00m；⑿粉土：厚度1.50m—8.90m；⒀粉砂：厚度1.60m—5.30m；⒁粉質粘土：厚度1.50m—9.70m；⒂粉砂：層頂埋深24.008m—29.50m，層底高程113.88m—119.57m。

各層巖土主要物理力學性質指標值見表1。

2 風電機組基礎的選型

根據以往工程的經濟比較結果來看，1.5MW風電機組基礎底面的地基承載力特征值至少應大于200kPa以上，且基礎底面距室外設計地面小于4m時，采用獨立基礎比較經濟[2]。本工程第④層土的壓縮系數較小、地基承載力特征值比較高fak=190kPa，用此層作為基礎的持力層，基礎有做成獨立基礎的可能。對267臺風電機組的地質情況進行了統計，結果表明只有5臺機組下有該層土，該層土頂面與自然地面相距為5.6m、9.2m、10.05m、11.2m，13.4m，只有一臺風電機組基礎有做成獨立基礎的可能。⒁、⒀、⒂層的壓縮系數及地基承載力特征值雖然也具備獨立基礎的條件，但該層埋深均在自然地面以下20多米，深度過深無法實現獨立基礎。根據這種地質情況，雖然有一臺風電機組基礎利用第④層土有做成獨立基礎的可能，但考慮數量少施工下料等因素，最后確定本期風電機組基礎采用單一的樁基礎形式。

3 樁類型的選擇

對于本工程的地質構造可以采用超流態混凝土灌注樁、預制鋼筋混凝土管樁、泥漿護壁鋼筋混凝土灌注樁。此三種樁型在吉林省風電機組基礎上都有所使用，它們各有特點，如表2所示。

根據風電機組廠家提供的機組底面的荷載，初步估算每臺風電機組下需要樁24根左右，樁端到達粉砂層，樁長約在25m左右。267臺風電機組共計6408根樁。受北方氣候及年底要投產運行的限制，7月份開始試樁，8月份樁基礎施工，樁基礎施工工期控制在一個月，10月末承臺澆筑完成。因此每天要施工完成214根樁，大約是9個風電機組基礎所需樁的數量。每臺風電機組的間距在500m到600m，現場道路還沒有完全施工完成，勢必造成施工設備搬運時間較長，同時考慮一些不可預見的其他因素，預計至少需要配備10臺鉆機。為了便于管理，建設單位要求施工隊伍不能超過三個，因此初步按三個施工單位考慮，每個施工單位配備4臺鉆機。

表1 土層物理力學指標

表2 三種樁型的特點

超流態混凝土灌注樁的單樁承載力較高，對于本工程是比較理想的樁型，但目前吉林省內的大型施工企業樁機總數不足9臺，如果采用此種樁型，需要考慮從外省租用樁機，工程造價會有所增加。

預制鋼筋混凝土管樁對于本工程有兩點不利因素：第一，在吉林、遼寧、黑龍江三省廠家生產的樁長分別為9m、12m、15m、18m幾種長度。非標準長度樁的單位造價，遠遠高于標準長度的造價，且生產時間長，無法滿足本工程的數量需要。到其他省份采購成本將上升，運輸時間將延長，工期無法滿足。第二，預制鋼筋混凝土管樁打完樁后需要截樁頭、做樁端錨筋、樁上段做抗水平力的混凝土封堵，這些后期處理時間較長可能會影響工期。

綜上考慮，最后選擇泥漿護壁鋼筋混凝土灌注樁為本工程的樁型。

4 單樁承載力的確定

初步估算每個承臺下設樁24根左右，承臺高約3.3m，底部直徑約16m左右，單個基礎混凝土用量約為380m3，鋼材40t，承臺混凝土必須連續澆筑。工程要求年末投產送電，如此大的現澆混凝土量，已經沒有單獨試樁的時間了。

我們搜集到了已經運行的吉林省幾個風電場的地質及試樁報告，發現這些工程的試樁都是檢驗性試樁，反復研究其試樁的受力曲線，預感到樁的實際承載能力還有很大空間。經過充分準備，決定在此工程上采取一個大膽的做法，提出對單樁承載力高出理論值的試樁受力要求，為節省時間用工程樁試樁。其理論依據是建筑樁基技術規范JGJ94－94中豎向極限承載力標準值是沿用多年的傳統方法，廣泛應用于各種樁型，規范中給出水下鉆（沖）孔灌注樁的經驗公式，其樁側極限阻力標準值，樁端極限阻力標準值分別以表格的形式給出，規范中以GBJ7－89的預制樁側阻力為基本值，然后將各類土的對應的參數分別乘以不同的修正系數，用最小二乘法得出該修正系數。由此求得側阻力標準值。同樣方法給出灌注樁的端阻力標準值。目前正在執行的建筑樁基技術是在《JGJ94－94》收集的試樁資料經篩選得到的完整資料229根，（涵蓋了11個省市）又收集到水下鉆（沖）孔灌注樁184根，以JGJ94－94規范表qsik，qpk為基礎對新收集到的資料進行調整，期間還參考了上海、天津、浙江、福建、深圳等省市地方標準給出的經驗值，最終得到《JGJ94－2008》的qsik，qpk的取值[1]。其中大部分試樁資料為工程檢測性試樁，加荷未能達到極限承載力。規范中樁側阻力及樁端阻力標準值，經驗因素占了很大比例，且吉林省被收錄的數據不多。目前吉林省工程勘察報告中的樁側極限阻力標準值，樁端極限阻力標準值都是根據土的狀態對照規范《JGJ94－2008》得出的。

選擇地質斷面具有代表的85、60、16號風電機組基礎所在位置進行抗壓試驗，80、55、22號風電機組所在位置進行抗拔試驗，75、65、26號風電機組所在位置進行水平承載力試驗。現以60號風電機組為例介紹樁承載力的理論值計算過程。巖土工程勘察報告給出的60號風電機組的地質斷面圖如圖1所示。

圖1 60號風電機組的地質斷面圖

樁的極限側阻力和極限端阻力標準值如表3所示。

樁直徑統一為1m，每臺風電機組樁長根據具體的地質情況確定，60號風電機組基礎樁長22.7m。按照建筑樁基技術規范《JGJ94-2008》及巖土工程勘察報告給出的樁極限側摩阻力標準值和樁極限端阻力標準值計算樁豎向極限承載力標準值為：

QUK——樁豎向極限承載力標準值；

QSK——樁總極限側阻力標準值；

QPK——樁總極限端阻力標準值；

U——樁身周長；

AP——樁身截面積；

Li——樁周第i層土的厚度；

qsik——樁極限側摩阻力標準值；

qpk——樁極限端阻力標準值。

我們要求高于理論值1410kN，按5000kN的目標進行單樁抗壓承載力進行試樁。2008年7月對16、60、85號風電機組樁進行了單樁靜載抗壓試驗。單樁豎向抗壓靜載試驗采用慢速維持荷載法。（下面對60號樁做重點介紹，其余從簡）

60號樁：當試驗荷載加至5000kN時，樁頂沉降量僅為17.11mm，Q－S曲線呈緩變型，S－lgt曲線呈平行或亞平行排列；已達到設計最大加荷值，故停止試驗。綜合判定該樁單樁極限承載力Qu＞5000kN。

16、85號樁：綜合判定單樁極限承載力Qu＞5000kN。

綜上,三組試驗樁單樁豎向抗壓靜載試驗均未發生破壞，土阻力尚未發揮至極限。試驗詳細結果如表4所示。

單樁豎向抗拔靜載荷試驗采用慢速維持荷載法如表5所示。試驗樁配筋為16Ф22。

單樁水平靜載試驗采用慢速維持荷載法如表6所示。

試驗取得了我們滿意的結果。按此試驗結果進行了施工圖設計，每臺風電機組下布置18根直徑為1m的灌注樁。僅在樁上就節省投資25%左右，且未影響施工進度。

5 結論

建筑樁基技術規程《JGJ94－2008》適用于全國，我國幅員遼闊，各個省份的地質條件千差萬別[3]。積累本地區同類型樁基礎的試驗數據，在規范的基礎上進一步優化本地區的樁基礎設計，將能取得顯著的經濟效益。

表3 樁的極限側阻力和極限端阻力標準值

圖2 （16#、60#、85#）抗壓試樁樁位圖

表4 單樁豎向抗壓靜載試驗結果匯總

表5 單樁豎向抗拔靜載試驗結果匯總

表6 單樁水平靜載試驗結果匯總

由于時間緊迫，本工程的樁靜載試驗采用的是工程樁檢驗性試樁。假如時間允許，靜載試驗可以采用單獨破壞性試樁，有可能單樁承載力會更高，經濟效果會更顯著。

[1] JGJ94-2008.建筑樁基技術規范[S].中國國家標準,2008.

[2]宋力兵,歐陽華.兆瓦級風電機組基礎環優化設計[J].機械制造與自動化,2012(04).

[3]王志義,趙志民.某風力發電場風電機組基礎的優化設計[J].工程質量,2009(09).