松軟地層某風電場風力發電機組基礎設計

侯彬

摘要：風力發電是最有競爭力的替代能源，已經成為全球能源領域的最佳投資方向之一。風力發電朝著高塔筒、大容量、長葉片的方向發展，對風力發電機組基礎的設計提出更高的要求。本文結合工程實例，探討了松軟地層中PHC預應力管樁承臺基礎的選擇、布置與計算，并通過樁基試驗與檢測，驗證了PHC預應力管樁承臺基礎的可行性，以期為以后同類工程的設計提供可借鑒的經驗。

關鍵詞：松軟地層;風力發電機組;基礎設計;預應力管樁

The Foundation Design of a Wind Farm in Soft Ground

HOU Bin

（Wuling Power Co.， Ltd.， Changsha， Hunan Province， 410004 China）

Abstract：Wind power is the most competitive alternative energy and has become one of the best investment directions in the global energy field. Wind power generation is developing towards the direction of high tower， large capacity and long blades， which puts forward higher requirements for the design of wind turbine foundation. Combined with engineering examples， this paper discusses the selection， layout and calculation of PHC prestressed pipe pile cap foundation in soft ground， and verifies the feasibility of PHC prestressed pipe pile cap foundation through pile foundation test and detection， which was expected to provide reference experience for the design of similar projects in the future.

Key Words： Soft ground; Wind turbine; Foundation design; Prestressed pipe pile

近年來，作為應對能源短缺和氣候變化雙重挑戰的重要手段，發展以風能、太陽能為代表的新能源得到了世界各國的普遍重視。2019年，全球新增風電裝機容量超過60 GW，同比增長19%，累計裝機達到650 GW。中國作為全球最大的風電市場，2019年僅陸上風電新增投產容量就達23.8 GW，累計并網容量達230 GW。隨著風電平價上網的實施，風電設備也朝著高塔筒、大容量、長葉片的方向發展，風電設備的發展在提升風能利用效率的同時，風機基礎承受的上部荷載也越來越大，對基礎的設計也提出了更高的要求。本文以國內某平原風場為例，介紹了松軟地層風電場風力發電機組基礎的設計，對類似風電場的建設提供一定的借鑒。

1 概述

某風電場位于安徽省宿州市境內，總裝機規模49.5MW，安裝17臺單機容量為3MW的風力發電機組（其中一臺限發1.5MW），輪轂中心高度130m。風電場內自然地面以下40m范圍內各土層的埋藏條件及工程地質特性如下：

①₁層人工填土：灰黃、褐黃色，稍濕，可塑，性質不均。素填土，主要成分為粘性土，厚度變化較大，一般層厚1.0～2.0m。

①₂層粉質粘土：灰褐色、灰黃色，濕，可塑，混少量鈣質結核，含植物根莖，一般層厚0.5～1.9m。

②層粉質粘土：灰黃色，稍濕，硬可塑，局部硬塑，含氧化鐵錳質，干強度中等、韌性中等，層厚0.9～4.7m，一般層厚約2.5m。

③₁層粉砂：灰黃色，飽和，中密～密實，該層局部分布，層厚1.6～6.2m，一般層厚約4.0m。

③₂層粉質粘土：灰黃色，濕，可塑～硬塑，含少量氧化鐵錳質，性質不均，該層局部缺失，層厚0.9～6.4m，一般層厚約4.0m。

④層粉質粘土：肉紅色，稍濕，硬塑，含氧化鐵錳質，干強度中等、韌性中等，層厚1.7～6.6m，一般層厚約4.5m，可作為短樁的樁端持力層。

⑤層粉質粘土：灰黃色，稍濕，可塑～硬塑，性質不均，夾層狀、薄層狀中密～密實粉土，個別深度夾有30-40cm厚的粉土層，層厚2.3～10.3m，一般層厚約7.3m，可作為端承摩擦樁的持力層。

⑥₁層粉質粘土：灰黃色、褐黃色，稍濕，硬塑，局部堅硬，含少量氧化鐵錳質，層厚2.1～4.4m，一般層厚約3.2m，層頂深度約17.1～24.2m，是本工程風機基礎良好的樁端持力層。

⑥₂層粉質粘土：褐黃色、灰黃色，稍濕，硬塑～堅硬，含氧化鐵錳質，干強度中等、韌性中等，層厚6.3～9.1m，一般層厚約7.6m，層頂深度約21.5～26.0m，是本工程風機基礎良好的樁端持力層。

⑥₃層粉質粘土：灰黃色、灰白色，稍濕，硬塑～堅硬，含氧化鐵錳質，干強度中等、韌性中等，混少量鈣質結核，粒徑1～4cm，層頂深度約30.0～33.5m。

本風電場工程規模為中型，風電機組單機容量3MW，輪轂中心高度130m，風電機組地基基礎設計等級為甲級，抗震設防烈度為7°，根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015），風電場區場地基本地震動峰值加速度為0.15g，基本地震動加速度反應譜特征周期為0.40s，設計地震分組第一組，場地類別為Ⅱ類，按抗震設防烈度為7度時，判定擬建風電場區淺部③₁粉細砂不會發生液化 ^[1]。

2 荷載計算

目前，陸上風電機組的上部荷載主要還是由風電機組廠家提供，本工程風電機組的上部荷載標準值（不含安全系數）見表2。

風電機組基礎所受上部結構的荷載主要為垂直力、水平力、彎矩及扭矩，其中水平力和彎矩均很大，且變化復雜，同時考慮荷載模型偏差等因素，設計中應采用修正安全系數k₀，k₀值為1.35。

風電機組基礎嚴格按《風電機組地基基礎設計規定（試行）》（FD003-2007）等現行規程規范進行設計，基礎設計的荷載應根據不同荷載組合情況下的極端荷載工況、正常運行荷載工況、多遇地震工況、罕遇地震工況等各種工況進行計算。極端荷載工況包括上部塔架結構傳來的極端荷載效應，疊加基礎承受的其他有關荷載;正常運行荷載工況包括上部塔架結構傳來的正常運行荷載效應，疊加基礎承受的其他有關荷載;多遇地震工況包括上部塔架結構傳來的正常運行荷載效應，疊加多遇地震作用和基礎承受的其他有關荷載;罕遇地震工況包括上部塔架結構傳來的正常運行荷載效應，疊加罕遇地震作用和基礎承受的其他有關荷載^[2]。相關荷載分項系數見表3。

3 風機基礎設計

3.1 風機基礎設計的特點

風機塔架高130m，屬于高聳構筑物，其中上部結構包括風機塔架、發電機組和葉輪等。風力發電機組基礎設計時，主要荷載包括：慣性力、空氣動力荷載、運行荷載及其他荷載。風機塔架作用在風機基礎頂面的主要荷載為垂直力、水平力、彎矩及扭矩，其中水平力和彎矩均很大。一般情況下，風機塔架所受的靜力荷載較為明確，塔架對基礎造成的影響也比較容易確定，而風力發電機組葉輪旋轉及風機運行過程中產生的動荷載則比較復雜，對基礎的影響也要復雜的多。目前主流風機塔筒高度一般都超過90m，水平風荷載在基礎頂面產生的彎矩很大，同時風電機組對塔架的傾斜度十分敏感，水平風荷載往往是風機機組基礎設計的控制性荷載。由于風向的變化莫測，風機基礎所受到的彎矩作用方向也反復變化，風機基礎基底受到的拉壓作用也反復變化，很可能造成風機地基基礎的承載力的減損和位移的累積。風力發電機組基礎設計的這些特點，對設計工作提出了更高的要求，在滿足風機機組承載力的要求外，還要嚴格控制風機基礎的水平位移和不均勻沉降^[3-4]。

3.2 基礎選型

風電機組主要的基礎型式有：擴展基礎、樁基礎和巖石錨桿基礎，基礎型式的選擇一般應根據風電場建設場地的地基條件和風電機組上部塔架結構對基礎的要求綜合確定，必要時還需進行試算，為進一步提升項目經濟性，一般還要開展技術經濟性比選。當天然地基為軟弱土層或高壓縮性土層等承載力較低的地基時，天然地基不滿足上部結構物荷載作用下的強度、變形和穩定性的要求，采用樁基礎是技術經濟較優的技術方案。

根據本風電場場地工程地質條件，場地上覆第四系地層結構松散，主要為耕植土、粉質黏土，地基工程性質較差，強度較低，土層厚度較大，不能滿足重要建（構）筑物對其強度、變形和穩定性的要求，因此風機基礎宜優先考慮采用承臺樁基礎^[5-6]。

目前在風電場中應用較多且技術較成熟的樁基礎形式主要有預應力混凝土管樁（PHC預應力管樁）基礎及鉆孔灌注樁基礎。根據工程場地地基土的特性及分布情況，樁型可考慮采用PHC預應力管樁、灌注樁等。

3.3 風機基礎設計

（1）直徑0.8m灌注樁

初步擬定該型風機基礎采用28根直徑為800mm的鋼筋混凝土灌注樁，樁的混凝土強度等級為C30，樁長24m，分兩圈布置，從外往內，第一圈16根，第二圈12根。承臺采用C40混凝土，基礎分上、中、下三部分，上部為圓柱體，高1.0m，直徑為7.6m;中部為圓形臺柱體，頂面直徑7.6m，底面直徑19.0m，高1.4m;下部為圓柱體，直徑為19.0m，高1.0m，風機基礎承臺埋深為3.0m。單臺風機基礎混凝土方量為542.5m³。單根灌注樁混凝土方量為12.06m³，單個基礎灌注樁混凝土方量為337.78m³。

基礎布置圖見圖1。

（2）PHC預應力管樁

初步擬定該型風機基礎采用38根直徑為600mm的PHC預應力管樁，樁長22m，分兩圈布置，從外往內，第一圈22根，第二圈16根。承臺采用C40混凝土，基礎分上、中、下三部分，上部為圓柱體，高1.0m，直徑為7.6m;中部為圓形臺柱體，頂面直徑7.6m，底面直徑19.0m，高1.4m;下部為圓柱體，直徑為19.0m，高1.0m，風機基礎承臺埋深為3.0m。單臺風機基礎混凝土方量為542.5m³。

基礎布置圖見圖2。

3.4 樁基計算

風電機組樁基礎計算時，采用考慮承臺與樁協同工作的彈性抗力計算方法，計算時采用北京木聯能軟件技術有限公司開發的《CFD風電工程軟件-機組塔架地基基礎設計軟件》（V6.1）計算^[7]。

對直徑0.8m灌注樁單樁豎向抗壓、抗拔、水平承載力進行計算，單樁豎向承載力為2413.55kN，單樁抗拔承載力為1613.08kN，單樁水平承載力187.99kN，滿足規范要求。

對PHC預應力管樁單樁豎向抗壓、抗拔、水平承載力進行計算，單樁豎向承載力為2127.01kN，單樁抗拔承載力為908.14kN，單樁水平承載力57.64kN，滿足規范要求。

3.5 樁基方案比選

由于兩種樁型的風機基礎承臺都一樣，故只需對樁的工程量及造價進行比較。

從上表可以看出，同等條件下采用直徑PHC預應力管樁造價較低。

近年來，PHC預應力管樁在我國使用廣泛，PHC預應力管樁可對天然土體進行擠密，擠密可以提高淺層土質的承載力，同時可以充分利用淺層土體的側摩阻，單樁承載力有保證;PHC預應力管樁為工廠預制生產，產品化程度較高，質量容易保證;施工工序較為簡捷，打（壓）樁速度較快，成樁較為迅速，不需要進行泥漿護壁，施工場地整潔，不存在交叉作業，不需進行樁體養護，工程的質量和施工進度容易保證，可大幅度提高整體施工進度;樁身混凝土強度為C80，樁身混凝度密實性較好，并且施加預應力，按不出現裂縫進行設計，適應腐蝕性環境。

因此，本項目推薦采用直徑600mm PHC預應力管樁承臺基礎方案。

4 樁基試驗及檢測

根據地質鉆探資料，勘探深度內地基土層大部分均混有鈣質結核物，粒徑0.5～4cm，可能對PHC預應力管樁的沉樁造成困難。為確保成樁效果，確定風機基礎單樁承載力，本工程在風機基礎施工前，委托試樁單位進行了PHC預應力管樁試樁工作。

試樁選取10#、17#風機機位中心各打3根試驗樁（機位正中心1根、另2根在左右兩側間距2.0m處，3根樁在同一直線上）進行抗壓、抗拔、水平力靜載試驗。試驗樁類型為PHC 600 AB 130，十字型樁尖。允許接一次樁，上下兩段樁長相差不宜超過4m。考慮采用錘擊法沉樁，重錘輕擊，開始時采用較小落距，入土一定深度且樁身穩定后，再按設計要求落距進行錘擊。接樁采用鋼端板焊接法進行，樁段頂端距地面1m左右時進行焊接接樁，接樁一般在樁尖穿過較硬的土層后再進行，接樁時上下段樁的中心線偏差按照不大于2mm控制，節點彎曲矢高不得大于樁段長度的0.1%。停錘標準以標高控制為主，并按最后一陣10擊總貫入度達到50mm時即可停錘。

承載力檢測試驗在試驗樁沉樁完成后15天后進行。單樁水平靜載荷試驗采用單向多循環加卸載法，取預估水平極限承載力的1/10作為每級荷載的增量。每級荷載施加后，恒載4min后可測讀水平位移，然后卸載至零，卸載后等待2min測讀殘余水平位移，以上便為一個加卸載循環。循環5次，則完成一級荷載的位移觀測。

單樁抗拔靜載荷試驗采用慢速維持荷載法，每級加載量宜為預估極限荷載的1/10，每級荷載施加后按第5、15、30、45、60min測讀一次，以后每隔30min測讀一次。每一小時內的樁頂上拔量不超過0.1mm，并連續出現兩次時達到相對穩定。

單樁豎向抗壓靜載荷試驗采用慢速維持荷載法，，每級加載量宜為預估極限荷載的1/10，每級加載后，每第5、15、30、45、60min各測讀一次，以后每隔30min測讀一次。在每級荷載作用下，樁的沉降量每小時沉降小于0.1mm出現兩次可視為穩定。

樁基單樁承載力設計與試驗情況見表5。

綜上可知，采用PHC預應力管樁方案，粒徑1～4cm鈣質結核不影響沉樁施工，可以保證成樁效果，單樁承載力滿足設計和規范要求。

5 結語

根據以上工程實踐可以看出，在平原地區松軟地層厚度較大不適宜采用擴展基礎時，風力發電機組基礎采用PHC預應力管樁是經濟技術較為合適的方案。樁基沉樁試驗和檢測結果均表明，樁基承載力可以滿足各種工況下風機塔架上部結構的承載要求。通過本工程的設計探討，為以后松軟地層地區風電場風機機組的工程設計積累了一定的經驗，希望可為同類工程設計提供一些參考與借鑒。

參考文獻：

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