山地風電機組基礎選型研究

王育新

（中廣核新能源山東分公司 山東青島 266000）

工程概況

山地風電場地形起伏較大，風機大部分沿山脊或山包分布，風機基礎設計過程中，如何在保證結構安全的前提下降低成本成為關鍵。本文以某100MW山地風電項目為例，對重力式圓臺基礎和肋梁式基礎分別進行了詳細設計，并從技術、施工和工程造價等角度進行了比選分析。

1 工程設計條件

1.1 工程設計安全標準

工程設計安全標準主要包括以下幾個方面：（1）工程等級和各建筑物級別、結構安全等級

本風電場裝機容量為100MW，裝機規模為40臺單機容量2500kW的風力發電機組。根據《風電場工程等級劃分及設計安全標準（試行）》（FD002-2007），按風電場工程規模、裝機容量、升壓站電壓等級劃分，本風電場工程等別為Ⅱ等，工程規模為大（2）型；按單機容量、輪轂高度和地基類型劃分，本項目風電機組塔架地基基礎設計級別為1級。

（2）建筑物洪水設計標準

根據《風電場工程等級劃分及設計安全標準（試行）》（FD002-2007）的規定，本工程風電機組基礎的洪水設計標準為50～30年。綜合考慮本工程的規模、重要性及失事后的影響，并結合本工程實際地形特點，本工程風電機組基礎洪水設計標準取50年一遇。

（3）建筑物抗震設計烈度

按《建筑工程抗震設防分類標準》（GB50223-2008）、《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）、《風電場工程等級劃分及設計安全標準（試行）》（FD002-2007）等有關規范，風機基礎的抗震設防類別為標準設防類（丙類）。

1.2 地質條件

（1）地形地貌

擬建場區地貌類型成因類型為剝蝕丘陵，地貌類型為緩坡地。

（2）地層結構及地基土承載力特征值

擬建場區上覆地層以第四系含碎石粉質粘土，下臥層基巖為大理巖。

①含碎石粉質粘土：黃褐色，硬塑狀態，稍濕。層厚一般為0.50m。承載力特征值fak=150～200kPa。

②大理巖，中等風化。承載力特征值fak=600～800kPa。

（3）地基評價

擬建場地內的②大理巖承載力較高，是較好的風機基礎及擬建建構筑物的天然地基持力層。

1.3 風機設計荷載

本工程采用單機容量2.5MW的風力發電機組，根據風機廠家提供的作用于基礎頂面荷載及主要風機參數參考數值見表1。

表1 基礎頂面荷載及風機參數（不含安全系數）

2 風機基礎設計

風機塔架為高聳構筑物，作用在風機基礎頂面的主要基礎荷載為垂直力、水平力、彎矩及扭矩，其中水平力和彎矩均很大。由于風電機組對塔架的傾斜度較為敏感，對基礎穩定及不均勻沉降要求較高，所以風機基礎對持力層的地基承載力特征值要求也較高。本工程地質條件穩定，強度高，是良好的天然地基持力層，故本項目擬全部采用陸上風電常用的擴展式基礎。

2.1 風機基礎類型簡介

山地風電場常用的擴展式基礎分為兩大類：①重力式基礎；②肋梁式基礎。重力式基礎在傳統的風電場中應用廣泛，依靠基礎自重來平衡風荷載產生的彎矩，具有結構簡單、施工方便的特點，但重力式基礎也存在混凝土用量大、投資高的缺點。

肋梁式基礎由中間臺柱、梁和底板組成，中間臺柱與風電機組塔筒相連，放射形布置的主梁用于傳遞塔筒傳來的彎矩，梁和底板之間形成的空腔內填充土，肋梁式基礎依靠基礎混凝土自重及空腔內回填土的自重共同來平衡風荷載產生的彎矩，因此肋梁式基礎較重力式基礎混凝土能節省50～70m3，空腔內填土可以減少安裝場地及基礎開挖產生的挖方，降低棄土運輸產生的費用。但施工難度較大，質量控制困難，給風機運行造成安全隱患，且施工周期長，現場管理費相應增加。

2.2 風機基礎選型設計

根據初期地質資料及風機廠家提供的風機荷載資料，在工程量、結構安全性、受力性能、施工便利性等方面綜合考慮，對重力式基礎及肋梁式基礎進行方案綜合比較，擇優選取。

（1）重力式基礎

鋼筋混凝土重力式基礎體型擬定：經試算，初擬混凝土重力式基礎基本體型為圓形，基礎底部直徑18.6m，埋深3.2m。基底鋪150mm厚C15素混凝土墊層，其上部主體為C40鋼筋混凝土。基礎形式見圖1，基礎體型尺寸見表2。

圖1 重力式基礎體型圖

表2 重力式基礎體型尺寸表

（2）肋梁式基礎

鋼筋混凝土肋梁式基礎體型擬定：經試算，初擬混凝土基本體型為圓形，基礎底板直徑19.2m，板底厚0.65m，8根基礎主梁沿基礎底板等分布置，主梁梁寬1.2m，梁高1.2～2.75m，基礎埋深3.0m。基底鋪150mm厚C15素混凝土墊層，其上部主體為C40鋼筋混凝土。體型圖詳見圖2，體型詳見表3。

3 技術經濟分析

3.1 工程量

根據上文所述內容，對兩種基礎形式，按土、石方開挖、土方回填、混凝土和鋼筋用量等進行技術經濟分析，對比表如表4所示。

3.2 施工周期

（1）重力式基礎

鋼筋安裝3d，模板安裝1d，澆注12h，拆模1d，合計6d。

（2）肋梁式基礎

鋼筋安裝5d，模板安裝2.5d，澆注28h，拆模1.5d，合計10d。

3.3 質量監控

肋梁式基礎每個基礎梁和底部基礎、中間柱體形成四個陰角，混凝土在沒有初凝之前，底部的砂漿特別容易流失，造成底部爛根、漏石子，此處的混凝土鋪料厚度、坍落度、振搗時間是質量控制的難點，質量控制難度較大。

作為主要受力構件的8根拉梁最高處達3.2m，鋼筋密集，振搗困難，混凝土質量控制較難。

圖2 肋梁式基礎體型圖

表3 肋梁式基礎體型尺寸表

表4 風機基礎主要工程量比較表

4 結束語

重力式基礎與肋梁式基礎都屬擴展基礎，適用于地質條件較為良好的場地。重力式基礎主要依靠基礎自重來平衡風荷載產生的彎矩，具有結構簡單、施工方便的特點；肋梁式基礎依靠自重及上覆土平衡外部荷載，工程量較為節約。本工程肋梁式基礎雖然在工程量上較重力式基礎用量少，但施工難度增加，質量控制困難，給風機運行造成安全隱患，且施工周期增加近一倍，現場管理費相應增加，因此本工程建議采用簡單易操作的常規鋼筋混凝土重力式基礎。未來工程基礎設計選型，應綜合考慮現場實際情況、施工技術水平和工程造價等，選取合適基礎類型。