沙漠地區(qū)風機預應力管樁復合地基設計施工一體化研究

中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 陽東義 黃 婕 祁林攀 田永進 張亞偉

在國家政策鼓勵以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點，加快推進大型風電基地建設的大背景下，風力發(fā)電工程項目建設已愈來愈近的向沙漠及邊緣地區(qū)擴展。對于如何在當?shù)靥厥獾臍庀髼l件、地質特性和沙害等不利因素影響下，科學地進行風機地基及基礎進行設計選型，研究切實可行的施工技術，確保風機基礎的安全性和穩(wěn)定性，國內缺乏類似的工程實踐和理論研究，是亟待解決的工程技術問題。

本文的研究背景項目的場址位于內蒙古自治區(qū)阿拉善左旗敖倫布拉格鎮(zhèn)境內，是一個以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點的大型風電基地項目，本文的研究成功解決了沙漠區(qū)風機基礎的設計和施工難題，提高了設計方案的合理和施工方案的可施工性。促進了設計和施工過程的一體化化融合，經(jīng)濟效益顯著，極大的節(jié)省了工程建設成本，能為后續(xù)沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)的風機基礎的設計和施工提供經(jīng)驗參考[1-2]。

1 工程概況及設計施工一體化研究的目的和方法

本文研究項目位于內蒙古阿拉善盟阿拉善左旗，裝機容量為402.6MW，項目布置122臺3.3MW風機，新建一座220kV 升壓站以1回220kV 架空線路接入500kV 浩雅匯集站，再通過上海廟至山東±800kV 特高壓直流線路送入山東電網(wǎng)進行消納。風機機組型號為CWT3300-D165-H100，葉輪直徑為165m，輪轂高度為100m，機組類型為IEC IIIC。場址西側毗鄰巴丹吉林沙漠，分布有平緩沙地和南北向展布的沙丘，氣候干燥、風沙大、降雨量稀少、地表植被稀疏、低矮或無植被。

針對該400MW 風電項目沙漠區(qū)域的特殊地質和施工條件，本文對代表性砂層的力學特性進行了分析，研究風機基礎底部持力層位于沙漠地區(qū)代表性砂層時，如何克服其不利的力學特性，在傳統(tǒng)風機擴展基礎的型式上進行創(chuàng)新和改進，提出安全可靠的風機基礎設計方案。以此為依據(jù)，研究并提出適合沙漠地區(qū)的風機基礎的設計和施工關鍵技術，創(chuàng)造性的采用預應力管樁復合地基的方式來研究解決此棘手技術問題，試驗通過預應力管樁與砂層形成復合地基的可施工性和力學可行性，以滿足項目建設需要，形成沙漠地區(qū)的風機基礎的設計和施工關鍵技術研究成果[3]。

2 沙漠地區(qū)預應力管樁復合地基設計施工一體化的研究

2.1 基本條件

本項目沙丘區(qū)風機區(qū)域東側緊鄰巴丹吉林沙漠移動沙丘，場址區(qū)地勢有較小起伏，地面高程為1520～1580m，地貌為半固定沙丘，地形坡度一般1.0%～2.5%。根據(jù)《工程地質勘察報告》，工程地基巖土主要為第四系風積中細砂層，厚10～30m，第三系泥巖、砂礫巖。地基處理時，對厚度較大的砂層一般可采用換填處理，或采用樁端進入密實砂層一定深度的水泥攪拌樁、旋噴樁；但換填處理工程量過大，水泥攪拌樁地基當天然含水量小于30%時不宜采用粉體攪拌法，沙丘區(qū)地下水位總體埋藏深度較大，施工取水難度大。據(jù)地質調查與勘探揭露的地層，工程區(qū)地基土主要為第四系風積砂層，厚度10～30m 不等、中密-密實。

根據(jù)現(xiàn)場地質勘察和鉆芯取樣結果，項目場址區(qū)編號為SN13、SN14、SN15、SN16、SN41、SN42的風機機位處于沙漠區(qū)域。沙丘區(qū)沙層總體可分為兩層：一層稍密-中密中細砂。一般分布于沙丘淺表層，厚度2～4m 不等；二層為密實中細砂，標貫擊數(shù)一般30～50擊，最大擊數(shù)超過50擊，分布在稍密-中密的中細砂之下，形成年代較久。通過標貫貫入試驗，2m 以下砂層擊數(shù)均大于15擊（液化臨界擊數(shù)），不具液化特性。根據(jù)現(xiàn)場勘察，結合土工試驗成果資料，提出地基土物理力學參數(shù)建議值如表1所示。沙漠邊緣地帶典型機位地層自上而下分布有細砂和礫砂等，穩(wěn)定性、粘結性和承載力等力學性能較差[4]。

表1 地基巖土體物理上力學參數(shù)建議值

場址區(qū)地下水類型主要為第四系松散堆積層孔隙性潛水，孔隙性潛水主要賦存于風積砂層孔隙中。場址區(qū)地下水主要接受大氣降水和遠山地下水補給，排泄于沖溝及湖泊中。沙丘區(qū)地下水位總體埋藏深度較大，地下水位埋藏深度10～21m，調查地下水位的變化幅度3m。地下水位較深，對此次研究基本無影響。

2.2 初選方案

按傳統(tǒng)的風機基礎設計理念，將常規(guī)的風機擴展基礎底部持力層直接坐落在力學性能較差的細砂層上，從理論上講不能確保風機基礎的安全性和穩(wěn)定性，須在風機擴展基礎底部設計混凝土灌注樁群樁基礎，樁基穿透細砂層，打入下部基巖或其它適宜作為持力層的土層中。然而，沙漠地區(qū)往往砂層很厚（10～30m），灌注樁穿透至下部可持力地層的代價很高，一方面灌注樁混凝土施工工程量很大，另一方面由于樁長很長，灌注樁成孔困難往往需要泥漿護壁工藝，將導致工程成本飆升。

初選方案擬采用勁性復合樁基、又稱水泥土攪拌復合樁，對風機擴展基礎底部持力砂層進行加強形成復合地基。利用在大直徑水泥土樁中植入高強預應力管樁（PHC），使水泥土樁與管樁復合在一起形成一種新型基樁。根據(jù)相關工程經(jīng)驗，通過對樁徑的比選確定管樁選用PHC500AB100型號。

根據(jù)《水泥土復合管樁基礎技術規(guī)程》（JGJ/T 330-2014）對水泥土樁直徑與管樁直徑的要求，確定水泥土樁直徑為0.9m。水泥土樁水泥摻量不宜小于被加固土質量的20%，樁的布置需滿足基樁最小中心距的要求，根據(jù)《水泥土復合管樁基礎技術規(guī)程》（JGJ/T 330-2014）要求進行樁的布置設計。經(jīng)試算基礎在承臺底部需布設基樁28根，分兩圈布置，第一圈布置8根、分布半徑為5.6m，第二圈布置20根、分布半徑為8.4m。根據(jù)地勘報告，細砂層下部為強風化砂礫巖或者泥巖，承載力較高。因此以強風化砂礫巖或者泥巖為樁端持力層，樁端進入持力層2.5d。

以此方案進行現(xiàn)場樁基施工試驗，邊鉆孔邊旋噴水泥漿至設計深度后，進行高強預應力管樁沉樁作業(yè)。此時發(fā)現(xiàn)管樁沉樁困難，直至樁頭打爆樁頂標高仍遠未達到設計要求。經(jīng)研究分析，判斷由于注入水泥漿攪拌后，砂層下沉導致孔底沉渣過多形成阻塞效應，導致管樁沉樁越往下越困難，無法達到設計深度。另外，由于設計樁長為18m，預制管樁須分段打入和現(xiàn)場接樁，由于存在接樁時間影響，水泥土存在凝結硬化問題，無法執(zhí)行完整方案。初選方案即勁性復合樁基方案試驗不成功。

2.3 改進方案

初選方案的沉樁試驗情況表明，水泥土攪拌復合樁基并不適用于本課題項目沙漠區(qū)域的特殊地質條件，須對地質勘察結果重新進行分析，研究、判斷和提出新的解決方案。依據(jù)地勘結果，風機擴展基礎底部地層為細砂層，承載力特征值fak=120kPa，標貫擊數(shù)一般30～50擊，最大擊數(shù)超過50擊，不具液化特性。考慮初選方案沉樁困難的事實，并重新對砂層的力學性能進行研究，擬判斷初選設計方案對于沙漠區(qū)砂層的力學性能和地質特征估計過于保守。為了驗證這一猜想，在初選方案試樁機位的其它樁位，不進行水泥土攪拌、直接進行預應力管樁沉樁，發(fā)現(xiàn)預制管樁最深可以沉入8m左右。

經(jīng)過綜合分析和研判，決定采用取消水泥土攪拌樁、直接在風機擴展基礎底部布設預應力管樁群樁基礎的形式進行復合地基處理作為改進方案，亦即采用“預應力管樁復合地基”方案進行試驗。“預應力管樁復合地基”試驗方案采取直接在風機擴展基礎底部布設預應力管樁群樁基礎的型式進行復合地基處理，選用的高強預應力管樁型號為PHC-400-AB-95，樁長6m、強度C80，在風機基礎底部呈梅花形布置40根。通過計算復合地基承載力的特征值≥180kPa[4]，滿足風機基礎對地基承載力的要求。預應力管樁直接采用錘擊沉樁方式，柴油錘型選用D100，沖程1.8～2.3m，采用經(jīng)緯儀進行垂直度控制。

在SN13機位實施打樁試驗，按照設計方案，樁底須沉入地面以下9.55m。打樁試驗發(fā)現(xiàn)，樁底沉樁深度臨近5.5m 時樁頭打爆，距離設計要求的高程還差4.05m，試樁入土效果如圖1所示。由于樁基入土深度不夠，雖然達到了停錘標準，但可能單樁承載力無法滿足設計要求，須對打樁施工工藝進行改進。

圖1 試樁入土效果示意圖

綜合考慮砂層的力學特性，研究決定對打樁施工工藝增加預鉆孔沉樁的輔助措施，預鉆孔孔徑比樁徑小50mm，深度按樁長的1/2（3m）控制，隨鉆隨打。經(jīng)多方調查，確定采用長螺旋鉆進行改裝，5節(jié)2m 鉆桿（1根備用）、外徑350mm，護筒1個、木質蓋板1個。長螺旋鉆鉆孔，提升后反轉棄土，蓋板和護筒可以有效防止棄土滑落鉆孔，經(jīng)在SN13風機機位平臺下鉆3～4m，提鉆時全部存在孔內塌孔問題。更換SN16風機機位平臺再次進行試鉆，仍存在此類情況。分析判斷造預鉆孔塌孔是由于砂層的黏聚差，預鉆孔工藝未采取護壁措施造成，須對預鉆孔工藝進行改進。

考慮當?shù)丨h(huán)保要求和建設成本，研究決定采用清水護壁鉆孔。在SN16機位平臺重新進行試鉆。經(jīng)現(xiàn)場反復試驗摸索，當鉆孔提前1h 浸水有效護壁深度約4m，鉆孔至4m 深度后灌水10min 再往下鉆，可以有效避免塌孔。經(jīng)對預鉆孔工藝進行反復試驗和改進，并改裝長螺旋鉆機，采用分級（每級2m）灌水引孔時成孔效果最佳。預鉆孔直徑取350mm，順利成功后再就位預應力管樁，錘擊沉樁至設計高程。分級灌水護壁鉆孔打樁施工流程如圖2所示。

圖2 分級灌水護壁鉆孔打樁施工流程圖

2.4 地基試驗

針對沙漠區(qū)編號為SN16的風機機位進行試樁檢驗，采用預應力管樁PHC-400-AB-95，混凝土設計強度等級為C80、樁徑400mm、樁距為3200mm、排距為2772mm 的樁型，樁尖型式為開口型鋼樁尖，樁端進入持力層深度為6m。試樁主要為了驗證單豎向抗壓承載力特征值、復合地基承載力特征值的計算值與實際值是否一取，采用的試驗為單樁抗壓靜載荷試驗、復合地基靜載荷試驗。按低應變試驗—高應變試驗—單樁靜載試驗—復合地基靜載試驗，以獲得詳細可靠的承載力參數(shù)，以此為依據(jù)指導設計和施工。

根據(jù)地基試驗結果，單樁豎向抗壓承載力和復合地基承載力結果符合設計要求，“預應力管樁復合地基”設計方案+“長螺旋鉆機多級灌水引孔和錘擊”的施工方案試驗研究成功，也形成了指導設計和施工的關鍵數(shù)據(jù)和工藝參數(shù)，能夠滿足本研究課題項目沙漠地區(qū)的特殊自然環(huán)境和地質條件。

2.5 試驗檢驗結果

經(jīng)過試驗檢測，單樁豎向抗壓承載力滿足設計要求。樁身完整性I 類樁100%，沒有Ⅱ類、Ⅲ類樁。樁基進行了第三方沉降觀測，沉降速率及沉降值滿足要求。變形限制要求如表2所示。

表2 變形限制要求

2.6 最終方案

改進方案的現(xiàn)場成功試驗和預應力管樁復合地基的承載力試驗結果表明，“預應力管樁復合地基”設計方案+“長螺旋鉆機多級灌水引孔和錘擊”的施工方案可行，并取得了可靠的單樁豎向抗壓承載力和復合地基承載力數(shù)據(jù)。綜合考慮風機基礎上部結構的各類不利荷載情況及組合、沙漠區(qū)域的建設環(huán)境和運行維護需求，對群樁平面布置進行核算，最終驗算結果滿足要求，即以改進方案作為最終實施方案[5]。

風機基礎穩(wěn)定及結構計算采用“CFD 風電工程軟件-機組塔架地基基礎設計軟件WTF”進行計算[6]。根據(jù)《陸上風電場工程風電機組基礎設計規(guī)范》中擴展基礎穩(wěn)定及應力計算中基礎采用剛性假定，即擴展基礎需設計為剛性基礎，將基礎尺寸控制在剛性角（與基礎材料相關）限定的范圍內，一般由基礎臺階的寬高比控制。其中，鋼筋混凝土基礎臺階的寬高比不宜大于2.5。另外，根據(jù)《陸上風電場工程風電機組基礎設計規(guī)范》7.2.1的規(guī)定，擴展基礎半徑R宜為輪轂高度的1/12～1/8，基礎高度hs 宜為輪轂高度的1/40～1/25，基礎邊緣高度h1宜為半徑R的1/40～1/30，且應不小于0.6m。在滿足結構與構造要求及滿足地基承載力條件下，經(jīng)過反復試算，確定風機基礎體型。

2.7 一體化研究產生的經(jīng)濟效益的分析

本次研究提出的“預應力管樁復合地基”設計方案+“長螺旋鉆機多級灌水引孔和錘擊”的施工方案，每臺風機基礎綜合造價為16.9萬元。與大規(guī)模換填級配碎石的施工方案（每臺風機基礎綜合造價為31.7756萬元）對比，本次研究方案每臺風機基礎可節(jié)約成本14.8756萬元；比之長樁穿透細砂層的設計，考慮樁長將由6m 增加至20m（細砂層平均厚度按20m 考慮）左右，可節(jié)省成本39.4萬元以上。

3 結語

本文闡述了沙漠地區(qū)預應力管樁復合地基設計施工一體化研究，探索出一條基于沙漠地區(qū)的預應力管樁復合地基設計和施工的關鍵技術，并形成了相應實施流程，在工程中進行了運用。沙漠地區(qū)預應力管樁復合地基設計施工一體化，既避免了高代價的長樁穿透細砂層的設計、大規(guī)模的混凝土灌注樁現(xiàn)場澆筑，又降低了成本增加，能極大優(yōu)化工程量、縮短施工工期、提高工程成本的可控性。

“預應力管樁復合地基”設計方案+“長螺旋鉆機+多級灌水引孔+錘擊”的施工方案，對風機擴展基礎持力層進行復合地基處理，形成了一種由常規(guī)擴展基礎+預應力管樁+砂層組成的復合受力結構，更有利于環(huán)境保護和節(jié)約資源，更適宜沙漠地區(qū)的施工環(huán)境。本文研究了在以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為建設區(qū)域、解決沙漠地區(qū)的風力發(fā)電地基處理問題，提高了設計方案的合理和施工方案的可靠性，促進了設計和施工過程的一體化化融合，最后探討了一體化建設模式的實現(xiàn)途徑，為沙漠地區(qū)預應力管樁復合地基設計施工一體化研究提供了理論參考。