陸上風機基礎設計中應注意的幾個問題

張楠

摘 要：近些年，我國風電事業發展迅猛。隨著風電建設的快速發展，風機基礎設計分析水平也顯著提高。風機基礎形式由最初的傳統重力式擴展基礎發展到梁板式基礎、高臺柱基礎等多種基礎形式。

關鍵詞：風機基礎;基礎設計

1 風機基礎形式分析

1.1 重力式擴展基礎

鋼筋混凝土重力式擴展基礎是目前國內陸上風電場最常采用的一種基礎形式。一般通過基礎環或預應力錨栓將上部荷載傳給基礎。基礎底面形狀一般有正方形、六邊形、八邊形以及圓形，目前最常用的是正方形和圓形。通過計算認為，盡管方形基礎混凝土用量比圓形基礎略大，但在相同工況下，方形基礎的基底壓力分布較為合理，基底脫開面積較小，并且鋼筋使用量較小，對于盛行風較為固定的地區，適合選用方形或多邊形基礎。

重力式擴展基礎采用極限狀態設計方法。首先根據輪轂高度、單機容量、風速、荷載水平及地質條件等確定基礎底板的尺寸和高度。然后分別計算基底反力、沉降、傾斜、基底脫開面積等。分別校核地基承載力、基礎變形及穩定性是否同時滿足規范以及風機廠家的要求。重力式擴展基礎施工較為簡便、工程經驗豐富、適用范圍廣，但是這種基礎形式抗壓能力有余，抗彎效率不高。由于整體剛度較大，基礎邊緣與地基脫開面積起到控制作用，尤其是對于大容量的風力發電機組，基礎的懸挑板長度過大，需要大量的混凝土，經濟性較差。

1.2 梁板式基礎

梁板式風機基礎是由基礎臺柱、基礎底板、從臺柱懸挑出的放射狀的主梁、封邊次梁組成。

主梁格間由素土夯實，底面通常為八邊形或圓形。上部荷載通過基礎環傳遞給主梁，再由主梁傳遞給次梁及地基。

這種風機基礎形式主要通過主梁的剛度抵抗基礎變形，通過基礎及梁格間的填土自重共同抵抗傾覆力矩。相對于重力擴展基礎，梁板式基礎偏“柔”，能夠充分發揮主梁的抗彎特性，使基地壓力分布更為合理，從而減小基地脫開面積。目前，梁板式風機基礎仍參考《風電機組地基基礎設計規定》中重力式擴展基礎的設計方法，對梁板式風機基礎的力學特性以及計算方法的深入分析未見報道。梁板式風機基礎已在我國陸上風電場中廣泛使用。由于梁格間采用素土夯實，相對重力式擴展基礎，這種基礎形式的混凝土用量大大減少，可適當改善大體積混凝土由于水化熱產生溫度應力對澆筑的不利影響，并且有較好的經濟性。以常見的1.5MW風機為例，采用梁板式風機基礎比傳統的重力式擴展基礎節約造價35%。但是，梁板式風機基礎土方開挖量較大、體型復雜、模板制作、安裝周期較長。并且主梁內鋼筋較密，混凝土澆筑、振搗困難，施工質量較難控制。

2 設計規范

由于風電是一個新事物，最近十幾年才得以商業化發展，風機基礎設計規范目前不很成熟。

我國以前也沒有專門的風機基礎設計規范，設計一般參照建筑、電力行業的相關規范。于2007年9月，我國發布了FD003-2007《風電機組地基基礎設計規定（試行）》，該規范適用于陸上風機。

3 設計計算驗算需包含的內容

風機基礎設計一般需包含以下內容：地基承載力驗算、基礎抗滑移驗算、基礎抗傾倒驗算、基礎底面脫開地基面積驗算、基礎沉降驗算、基礎動剛度驗算、基礎配筋及混凝土驗算、基礎混凝土抗局部壓力驗算、基礎混凝土抗沖切驗算、基礎混凝土裂縫驗算、基礎鋼筋和混凝土的抗疲勞破壞驗算。通常的民用建筑物基礎設計中，一般不需要基礎底面脫開地基面積驗算，不需要基礎動剛度驗算，也不需要基礎鋼筋和混凝土的抗疲勞破壞驗算。

4 基礎承受的荷載及其系數

從風機塔筒傳給基礎的荷載，一般由風機制造商提供，折算到基礎頂面，未含荷載系數，荷載系數一般按規范選取。荷載一般分三個工況：風機正常運行荷載工況、極端荷載工況、地震工況。荷載有循環振動特征，以豎直面內的彎矩為主。在通常的民用建筑物基礎設計中，荷載及荷載系數由結構設計人員根據有關規范，并結合業主對建筑物的使用要求確定;荷載一般無循環振動特征。

5 基底附加壓力分布

由于傳至風機基礎上的荷載，以豎直面內的彎矩為主，基底附加壓力的分布，可以近似為三角形，沿主導風向的下風口最大，沿主導風向的上風口最小（為0）。在通常的民用建筑物基礎設計中，基底附加壓力常假設為均勻分布或梯形分布。

6 基礎沉降控制標準

風機基礎允許的最大沉降，包括絕對沉降和傾斜率，一般由風機制造商確定，以保證風機的運行狀況及發電功率。作者參與的項目中，輪轂高度多數為100多米，基礎允許的最大傾斜率一般為0.003。在通常的民用建筑物基礎設計中，基礎允許的最大沉降，一般按建筑物的結構形式和高度，查規范確定。FD003-2007《風電機組地基基礎設計規定（試行）》中規定基礎的最大傾斜率為0.006～0.003，對應的輪轂高度為60m以下至100m以上;對60～80m范圍內的輪轂高度，規定基礎的最大傾斜率為0.005，這比作者參與的項目中，類似輪轂高度下風機基礎的最大傾斜率（0.003），寬松很多。

7 基礎動剛度計算及控制標準

風機基礎的設計中，通常需驗算基礎的動抗彎剛度和動抗剪剛度。基礎需達到的最小抗彎剛度和抗剪剛度，由風機制造商確定，以保證風機的運行狀況及發電功率。在通常的民用建筑物基礎設計中，一般不需要基礎動剛度驗算。

8 基礎底面脫開地基面積的控制標準

風機基礎底面脫開地基面積的最大允許值，一般由風機制造商提供，以保證風機的運行狀況及發電功率。該允許值，隨工況和方向而不同（沿基礎軸線方向、沿基礎對角線方向）。在通常的民用建筑物基礎設計中，一般不需要基礎底面脫開地基面積的驗算。

9 基礎鋼筋和混凝土的抗疲勞破壞驗算

由于風機基礎承受的荷載是循環荷載，需要進行基礎內鋼筋和混凝土的抗疲勞破壞驗算，以保證在服務期內，基礎不發生疲勞破壞。在通常的民用建筑物基礎設計中，一般不需要鋼筋和混凝土的抗疲勞破壞驗算。

10 基礎內預埋件

風機塔筒與基礎的連接，常采用兩種形式，即預埋在基礎中的預應力錨栓或基礎環，都由風機制造商選定。每種形式具體的規程、尺寸、材料、安裝要求等，也都由風機制造商提供。設計中，需將這些信息在圖紙上適當注明，以方便施工。根據風機制造商的要求，基礎中可能還需要預埋電纜導管、防雷接地線、排水管等。

11 地質條件差異

相對于通常的民用建筑工程的場地面積，風電場范圍很大，因為風機的有關安裝要求是，風機的間距至少約為500m;風電項目每期工程一般安裝約30臺風機。在這種情況下，從一個風機到另一個風機，即使是臨近的風機，地質條件可能發生較大變化。如果變化不是很顯著，而且風機個數也不是很多，可根據最不利的地質條件進行設計，使所有的風機都采用一個基礎設計，以方便管理。如果變化很顯著，而且風機個數也很多，可將地質條件分組，條件相近的劃為一組;然后針對每一組地質條件，設計一個基礎。這樣，可避免所有的風機采用一個設計的局面（基于最不利地質條件的設計，通常造價最高），降低整個項目的風機基礎造價。

12 服務年限

風機基礎的設計服務年限一般為20年，與風機的服務年限一致。通常的民用建筑物基礎，其設計服務年限一般為50年，與其上部結構的服務年限一致。

13 結語

風機基礎是保證風力發電機組正常安全運行的關鍵因素，對風電場的安全起到至關重要的作用。

參考文獻

[1]薛桁，朱瑞兆，楊振斌，等.中國風能資源貯量估算[J].太陽能學報，2001，4（2）：167-170.

[2]王民浩，陳觀福.我國風力發電機組地基基礎設計[R].海南三亞，2008中國風電技術發展研究報告，2008.

[3]水利水電規劃設計總院.風電機組地基基礎設計規定[M].北京：中國水利水電出版社，2007，9.