某平原風電場風機基礎樁基方案比選

秦志江，李宇飛，何 杰

（1.國電電力山東新能源開發有限公司，山東 煙臺 264003；2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010）

風力發電塔筒屬高聳結構，風機基礎是結構的重要組成部分。基礎的受力具有隨機性和脈動性的特征，水平風荷載在基礎頂面產生的彎矩較大，該彎矩往往是風機基礎設計的控制荷載[1]。風機基礎承擔著將上部結構所承受的全部荷載、安全可靠地傳遞到地基，并保持結構整體穩定的作用。風機基礎的選型及布置與外部荷載和作用的類型、場地和地質條件均有密不可分的關系。合理的基礎選型對于降低工程造價、縮短建設周期和保證結構的安全性是至關重要的。

文章以某平原風電場項目為例，對風機基礎樁基選型進行比選分析，并提出推薦方案，可為類似工程項目提供參考借鑒。

1 工程概況

山東省夏津縣某陸上風電場工程，項目規模為100MW，擬安裝單機容量2MW風機50臺。項目場址地處魯西北黃泛沖積平原。地勢自西南向東北緩慢傾斜，坡降為1/5000～1/8000，最高海拔34m，最低海拔23.5m，高差10.5m。場地地震動峰值加速度為0.10g，對應抗震設防烈度為Ⅶ度區；設計地震分組為第二組，地震動反應譜特征周期為0.45s。

2 工程地質條件

①粉質黏土：深度2.2～2.8m，黃褐色，軟塑，巖芯呈短柱狀，土質不均，含粉土顆粒，黏性較好，可搓細條，干強度中等，韌性中等，無搖振反應。

②粉土：深度2.8～6.8m，黃褐色，呈稍密，飽和，巖芯短柱狀，土質不均，含粉砂顆粒。

③粉質黏土：深度6.8～8.2m，黃褐色，軟塑，巖芯呈短柱狀，土質不均，含粉土顆粒，黏性較好，可搓細條。干強度中等，韌性中等，無搖振反應。

④粉土：深度8.2～10.6m，黃褐色，呈稍密，飽和，巖芯短柱狀，土質不均，含粉砂顆粒。

⑤粉質黏土：深度10.6～13.1m，黃褐色，軟塑，巖芯呈短柱狀，土質不均，含粉土顆粒，黏性較好，可搓細條。干強度中等，韌性中等，無搖振反應。

⑥粉土：深度13.1～14.2m，黃褐色，呈稍密，飽和，巖芯短柱狀，土質不均，含粉砂顆粒。

⑦粉質黏土：深度14.2～16.9m，黃褐色，軟塑，巖芯呈短柱狀，土質不均，含粉土顆粒，黏性較好，可搓細條。干強度中等，韌性中等，無搖振反應。

⑧粉土：深度16.9～20.8m，黃褐色，呈稍密，飽和，巖芯短柱狀，土質不均，含粉砂顆粒。

⑨粉質黏土：深度20.8～30m，未揭穿該層。黃褐色，軟塑，巖芯呈短柱狀，土質不均，含粉土顆粒，黏性較好，可搓細條。干強度中等，韌性中等，無搖振反應。

3 樁基方案比選

風機基礎設計等級為甲級，結構安全等級為一級[2]。場區地質主要為粉質黏土、粉土互層分布，地基承載力較低，不宜作為天然地基基礎持力層。而樁基礎通過下設樁基將上部結構荷載傳導至下臥地基中，具有承載力高、適用范圍廣的優點。樁基礎主要適用于灘涂、平原等存在軟弱土層的地區。

一般工程上常用的有灌注樁、預制樁。灌注樁一般采用大直徑鉆孔灌注樁，適用于各種類型的土層，樁長、樁徑可根據設計靈活調整，單樁抗壓承載力高。其缺點是為防止塌孔需采用泥漿護壁措施，導致整個樁基施工周期較長；打樁過程易出現縮孔、樁底沉渣未清理干凈等現象，這對施工質量控制要求較高。預制樁為預應力混凝土管樁（PHC樁），在工廠預先制造PHC樁，然后運輸到現場，并通過錘擊或靜壓的方式沉樁[3]，不僅施工方便，施工工期還較短。不足之處在于PHC樁遇到密實砂層時，較難穿透。

從方案可行性角度分析，該工程場區的地質特點均適用于灌注樁與PHC管樁方案。以下從經濟、工期、環保等方面進行樁基方案比選。

（1）經濟方面。①灌注樁方案。鉆孔灌注樁樁徑800mm，在承臺范圍內采用環向布樁。由外到里依次布置2圈（距承臺中心8.3m、4m），其中外圈樁20根，內圈樁8根，總樁數為28根，有效樁長30m。上部承臺底面直徑為18.2m，埋深3.2m。灌注樁布置方案如圖1所示。②PHC樁方案。PHC樁為PHC-AB600-110型，在承臺范圍內采用環向布樁。依次布置3圈（距承臺中心8.5m、6m、3.5m），其中外圈樁22根，中圈樁11根，內圈樁3根，總樁數為36根，有效樁長25m。上部承臺底面直徑為18.2m，埋深3.2m。PHC樁布置方案如圖2所示。③經濟比選結果。由于上部承臺尺寸相同，因此僅比較灌注樁與PHC管樁的工程量及造價，灌注樁包括鉆孔長度、樁身混凝土、鋼筋等工程量，PHC樁包括樁長等工程量，灌注樁與PHC樁經濟比選如表1所示。由表1可知，單臺風機基礎PHC管樁比灌注樁造價低25.7萬元。

圖1 灌注樁布置方案

圖2 PHC樁布置方案

表1 灌注樁與PHC樁經濟比選

（2）工期方面。灌注樁的施工步驟包括鉆孔、泥漿置換、清孔、鋼筋籠制作、混凝土灌注等，施工工藝較復雜，工期較長[4]。PHC樁采用工廠預制，無須現場澆筑和養護。在連續施工的情況下，采用PHC樁預計比灌注樁施工工期節約10～20d。在項目工期較為緊張的情況下，PHC樁方案在工期方面更有優勢。

（3）環保方面。PHC管樁需打入持力層一定深度，一般采用錘擊式沉樁。風電項目場區范圍大，離居民區較遠，錘擊沉樁雖然會產生一定噪聲污染，但影響程度相對有限。鉆孔灌注樁的施工需要采用泥漿護壁措施，產生的大量廢泥漿和廢水如果隨意處理排放，會造成地下水的污染，干燥后形成粉塵污染。

（4）樁基方案比選推薦。通過樁基方案比選，PHC管樁在經濟、工期、環保等方面比灌注樁更具有優勢。經工程項目成本統計，采用PHC樁方案施工，能夠節約風機基礎工程造價18%，經濟效益與社會效益均達到良好效果。

4 結論

文章以某平原風電場為例，從地質條件角度分析了風機基礎采用樁基方案的必要性及可行性，并比較了灌注樁和PHC管樁的各自特點，最后對兩種樁基方案進行比選分析，得出以下結論：（1）由于該平原風電場具有粉質黏土、粉土互層分布的特點，地層地基承載力較低，壓縮性較高，不能作為天然地基持力層。風機基礎考慮采用灌注樁、PHC管樁等樁基方案。（2）PHC管樁在經濟、工期、環保等方面比灌注樁更具有優勢。PHC樁通過在基礎承臺下均勻環向布樁，且樁打入較硬的持力層，可以很好地解決風機基礎承載力及沉降問題，具有良好的經濟效益與社會效益，可在類似地質特點的平原風電場中應用。