山地風電機組基礎優化設計

文 | 翟建軍

山地風電機組基礎優化設計

文 | 翟建軍

隨著風電行業的迅速發展，陸上風電機組單機容量和塔架逐漸向超大、超高發展，單機重量和葉輪長度隨之加重、加長，基礎承受的豎向載荷較大而集中，葉輪承載的軸向風荷載和地震作用引起的傾覆力矩成倍增長。因此，對風電機組基礎的設計提出了更高、更嚴的要求。

內蒙古某風電場位于阿盟南部賀蘭山西側，場區地勢相對較為平坦，場內交通亦較為方便。場區地貌為丘陵、荒草地，地形起伏不大，海拔高度1400m－1500m，交通方便，具有良好的風電建設條件。

風電機組載荷及地質資料參數

一、風電機組荷載及相關參數

本工程擬用金風GW100/2000-80m機型，風電機組廠家提供的作用于樁基礎環頂面荷載及主要機組參數見表1。

二、工程地質資料

該地區根據建筑抗震設防分類為丙級，按結構重要性分類安全等級為二級，地震動峰值加速度為0.15g，地震動反映譜特征周期為0.45s，相對應的地震基本烈度為Ⅶ度。屬中等復雜場地、地基等級為中等復雜地基；場地環境類別為Ⅲ類，工程區屬構造基本穩定區。

場址區地基巖土層可分為五層。第一層粉細砂層，工程地質性質差，不宜作為持力層。第二層礫砂層，工程地質性質一般，埋深大于3m時，可作為地基持力層。第三層角（圓）礫層，力學強度較高，工程地質性質良好，是較好的地基持力層。第四層砂質粘土層，力學強度較高，埋深較大，是良好的持力層或持力層下臥層。第五層砂巖，全、強風化帶工程地質性質一般，弱風化巖體的工程地質性質較好，是良好的基礎持力層或持力層下臥層。

場址地基土對混凝土結構具有弱腐蝕性；對混凝土結構中的鋼筋具中等腐蝕性；對鋼結構具有微腐蝕性。地處西北干旱地區，巖土體常年處于干燥狀態，地下水埋深很大，不具有砂土液化的條件。多年標準凍土深度為1.22m。

各土層的地基承載力特征值見表2。

表1　基礎設計用柱腳載荷（不含安全系數）

表2　地基巖土體力學性質建議值

三、風電機組基礎設計主要控制指標

風電機組基礎設計主要控制指標見表3。

風電機組基礎體型設計

一、風電機組基礎結構型式選擇

目前國內通行的風電機組基礎形式主要有以下幾種：

機組基礎均為現澆鋼筋混凝土獨立基礎。根據風電場場址工程地質條件和地基承載力以及基礎荷載、尺寸大小不同，從結構的形式看，常用的可分為塊狀基礎和框架式基礎兩種(如圖1示)；根據基礎與塔架機身連接方式又可分為地腳螺栓式和法蘭式筒式兩種類型基礎。前者塔架用螺母與尼龍彈墊平墊固定在地肢螺栓上，后者塔架法蘭與基礎段法蘭用螺栓對接。地腳螺栓式又分為單排螺栓、雙排螺栓、單排螺栓帶上下法蘭圈等。

表3　設計主要控制指標表

表4　基礎體型尺寸表

根據本工程擬選用金風GW100/2000-80m機型塔架設計安裝要求和風電場實地地理地質結構條件，風電機組基礎確定為鋼筋混凝土埋筒型淺埋基礎，基本體型為圓形塊狀基礎。

二、風電機組基礎優化設計計算

根據《風電場機組地基基礎設計規定》（試行）FD003－2007，本階段主要對基礎進行地基承載力復核、沉降變形驗算、傾斜變形驗算、抗傾覆穩定驗算和基礎抗滑穩定驗算。

（一）地基抗壓計算

1. 圓形擴展基礎承受軸心荷載：

式中：pk—荷載效應標準組合下，擴展基礎底面處平均壓力；

Nk—荷載效應標準組合下，上部結構傳至擴展基礎頂面豎向力修正標準值；Nk＝k0Fzk；

k0—荷載修正安全系數，取1.35；

Gk—荷載效應標準組合下，擴展基礎自重和擴展基礎上覆土重標準值；

A—擴展基礎底面積，A＝bl；

bl—基底面寬度、長度；

2. 圓形擴展基礎在核心區（e≤b/6）內，承受偏心荷載作用：

式中：pkmax—荷載效應標準組合下，擴展基礎底面邊緣最大壓力值；

pkmin—荷載效應標準組合下，擴展基礎底面邊緣最小壓力值；

Mk—荷載效應標準組合下，上部結構傳至擴展基礎頂面力矩合力修正標準值，Mk＝k0Mrk；

Hk—荷載效應標準組合下，上部結構傳至擴展基礎頂面水平合力修正標準值，Hk＝k0Frk；

e—合力作用點的偏心距；

W—基礎底面的抵抗矩；

hd—基礎環頂標高至基礎底面的高度。

3.當擴展基礎在核心區（e＞b/6）以外承受偏心荷載，且基底脫開基土面積不大于全部面積的1/4 時，圓形擴展基礎單獨承受偏心荷載（圖2）時，擴展基礎底面壓力可按下列公式計算：

式中：Pmax為極端載荷基底壓力；F＋G為偏心荷載；R為基礎半徑；τ、ξ為與e/R有關的系數；ac為基底與土的接觸長度。

（二）地基沉降變形計算

計算地基沉降時，地基內的應力分布，可采用各向同性均質線性變形體理論假定。其最終沉降值可按下式計算：

式中：s—地基最終沉降值；

s'—按分層總和法計算出的地基沉降值；

ψs—沉降計算經驗系數；

n—地基沉降計算深度范圍內所劃分的土層數；

p0k—荷載效應標準組合下，擴展基礎底面處的附加壓力，根據基底實際受壓面積（As＝bsl）計算；

（三）地基穩定計算

1.抗滑穩定最危險滑動面上的抗滑力與滑動力應滿足下式要求：

表5　 基底最大壓力計算系數τ、ξ表

式中：FR－荷載效應基本組合下，抗滑力；

FS－荷載效應基本組合下，滑動力修正值；

其中：式（9）適用于正常荷載工況、極端荷載工況、多遇地震工況，式（10）僅適用于罕遇地震工況。

2.沿基礎底面的抗傾覆穩定計算，其最危險計算工況應滿足下式要求：

式中：MR—荷載效應基本組合下，抗傾力矩；

MS—荷載效應基本組合下，傾覆力矩修正值；

其中：式（11）適用于正常荷載工況、極端荷載工況、多遇地震工況，式（12）僅適用于罕遇地震工況。

（四）計算成果

通過計算，所選機型基礎計算成果見表6。

表6　金風GW100/2000-80m的基礎設計計算成果表

結論

由表6可知，金風GW100/2000-80m型機組塔架基礎工程量（單臺）：土石方開挖量1562m3、回填量898m3，基礎C40混凝土量549m3、基礎C20墊層混凝土量42m3、鋼筋量57.6t、防腐面積325m2；塔架基礎承載力、沉降變形和穩定均滿足設計要求。

（作者單位：內蒙古阿拉善銀星風力發電有限公司）