談風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)的設(shè)計要點

譚爭光

(中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院，湖南長沙 410014)

近年來，風(fēng)力發(fā)電在我國迅速發(fā)展，許多風(fēng)電場已相繼建成發(fā)電或正在建設(shè)。作為上部結(jié)構(gòu)的支撐，風(fēng)機基礎(chǔ)雖然在整個風(fēng)電場工程中所占的造價比重很小，但其安全性直接決定了整個結(jié)構(gòu)的安全，其重要性不言而喻。本文從個人設(shè)計工作經(jīng)驗總結(jié)，就陸上風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)的設(shè)計要點提出一些看法。

1 荷載工況的選擇

風(fēng)機基礎(chǔ)的設(shè)計與其他的工業(yè)建筑或民用建筑的設(shè)計不太一樣，上部結(jié)構(gòu)傳給基礎(chǔ)的荷載一般都是風(fēng)機制造廠商提供給設(shè)計院，不需要基礎(chǔ)設(shè)計人員自己計算。風(fēng)機制造廠商提供的荷載是根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)計算所得，其計算的載荷包括慣性力和重力載荷、空氣動力載荷、運行載荷和其他載荷(如波動載荷、尾流載荷、沖出載荷、冰載荷等)，計算工況包含七大類:發(fā)電、發(fā)電兼有故障、啟動、正常關(guān)機、緊急關(guān)機、停機(靜止或空轉(zhuǎn))、停機兼故障以及運輸、組裝、維護(hù)、修理。通常風(fēng)機制造廠商根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)計的需要，提供了十幾組載荷，這就要求基礎(chǔ)設(shè)計人員從中挑選出正確的載荷。根據(jù)FD003-2007風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定7.2.1條規(guī)定，地基基礎(chǔ)設(shè)計的載荷應(yīng)根據(jù)極端荷載工況、正常運行荷載工況、多遇地震工況、罕遇地震工況和疲勞強度驗算工況等進(jìn)行設(shè)計。這其中最主要的工況是極端荷載工況和正常運行荷載工況，規(guī)范規(guī)定兩種工況下都要進(jìn)行脫開面積計算、地基承載力復(fù)核、截面抗彎抗剪抗沖切驗算、穩(wěn)定驗算、裂縫驗算、變形驗算、疲勞驗算。實際上由于正常運行荷載工況的載荷一般只有極端荷載工況下的60%左右，故正常運行荷載工況下只需進(jìn)行脫開面積的計算。若場區(qū)位于地震區(qū)，還應(yīng)考慮地震荷載，多遇地震荷載和罕遇地震荷載應(yīng)分別與正常運行荷載相疊加。

2 地基持力層的選擇和地基處理

目前，國內(nèi)陸上風(fēng)電場運用比較多的風(fēng)機多為750 kW～2 000 kW，風(fēng)機上部結(jié)構(gòu)即風(fēng)電機組設(shè)備和塔架的重量一般在100 t～350 t之間。風(fēng)機基礎(chǔ)目前多采用大尺寸的重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)，基底的平均壓力一般在100 kPa～150 kPa。但由于風(fēng)機承受很大的水平風(fēng)荷載，傳到基礎(chǔ)底部的彎矩很大，其數(shù)值一般為30 000 kN/m～60 000 kN/m，而上部結(jié)構(gòu)傳到基礎(chǔ)底部的豎向力加上基礎(chǔ)自重一般為6 000 kN～20 000 kN，這樣基底的偏心率一般都大于3，造成基礎(chǔ)邊緣的最大壓力可以達(dá)到180 kPa～250 kPa，對地基承載力的要求也不低。特別是在平原地區(qū)和沿海地區(qū)，其土質(zhì)一般都達(dá)不到這個要求。此外，由于基底地基土長期處于主風(fēng)向上的大偏心受壓狀態(tài)，即基底在主風(fēng)向上長期處于不均勻受壓狀態(tài)，這樣勢必造成地基較大的不均勻沉降。所以，對于軟弱土質(zhì)地區(qū)的基礎(chǔ)應(yīng)進(jìn)行地基處理。需要引起注意的是，某些土質(zhì)地區(qū)，雖然土的地基承載力基本滿足了要求，但由于土的壓縮模量較低，土的壓縮變形較大，導(dǎo)致地基的不均勻沉降往往不能滿足上部結(jié)構(gòu)的要求，這種情況也必須進(jìn)行地基處理。地基處理的方法與其他工業(yè)建筑和民用建筑相似，需綜合考慮當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件、環(huán)境條件、施工條件、造價、工期等因素，選擇換填、置換、復(fù)合地基、樁基等處理方法。

另外，若場地內(nèi)地下水埋深較淺，在基礎(chǔ)埋深范圍內(nèi)存在地下水，則要引起特別注意。地下水的浮力會大幅減小基礎(chǔ)和覆土自重，造成基礎(chǔ)偏心率增大，基底脫開面積超出限制，故需要增加基底尺寸或增加基礎(chǔ)埋深。

3 確定基礎(chǔ)類型和形式

目前常用的基礎(chǔ)類型為擴(kuò)展基礎(chǔ)、肋梁基礎(chǔ)、巖石錨桿和樁基礎(chǔ)。地基持力層埋藏較淺的一般采用擴(kuò)展基礎(chǔ)，埋藏較深的需地基處理或采用樁基礎(chǔ)。基礎(chǔ)荷載較大時，擴(kuò)展基礎(chǔ)的工程量較大，此時可采用肋梁基礎(chǔ)減少部分混凝土量。在巖石比較完整、風(fēng)化程度較弱的場地可采用巖石錨桿基礎(chǔ)。

4 基礎(chǔ)底面脫開面積的驗算

基礎(chǔ)底面脫開面積的限制在很大程度上直接決定了基礎(chǔ)底面的尺寸。正常運行工況和極端荷載工況對基底脫開面積的限制不一樣:在正常運行荷載工況下，基底不允許有脫開現(xiàn)象發(fā)生，即基底應(yīng)全截面受壓;而在極端荷載工況下，基底允許脫開25%的面積。根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)正常運行工況的荷載小于極端運行工況的60%左右時，一般是由極端工況起控制作用;而當(dāng)正常運行工況的荷載大于極端運行工況的60%左右時，此時正常運行工況起控制作用。

5 地基變形的驗算

地基變形的驗算包括兩個方面:沉降值和傾斜率。沉降值指地基的最終沉降量。傾斜率的計算對風(fēng)機基礎(chǔ)十分關(guān)鍵，應(yīng)引起足夠的重視。在極端荷載工況下，基底脫開25%的面積，此時基底一側(cè)受壓，另一側(cè)由于基底脫開地基而沒有壓力，此時基礎(chǔ)兩側(cè)地基的變形值差異較大，有可能引起超出限制的傾斜率。

6 基礎(chǔ)配筋驗算

基礎(chǔ)配筋的驗算與GB 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范中關(guān)于擴(kuò)展基礎(chǔ)的配筋計算一樣，按照底板受彎計算彎矩來配筋。由于底板厚度較大(FD003-2007風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定要求底板邊緣高度應(yīng)不小于1 m)，還應(yīng)計算底板頂面的彎矩并相應(yīng)的計算配筋。經(jīng)驗表明，由于底板面積較大，通過計算所得的基礎(chǔ)底板底面和頂面配筋都較小，一般都小于最小配筋率的要求，所以一般按照單側(cè)縱向鋼筋0.2%的最小配筋率進(jìn)行配筋即可滿足要求。基礎(chǔ)底板配筋的方式有正交式和徑環(huán)向式兩種，一般圓形基礎(chǔ)宜采用徑環(huán)向配筋，其他基礎(chǔ)采用正交式配筋。采用徑環(huán)向配筋時，應(yīng)注意驗算各個不同半徑處的配筋。

基礎(chǔ)臺柱的配筋要特別注意確?；A(chǔ)環(huán)或地腳螺栓與混凝土的連接可靠穩(wěn)固，一般基礎(chǔ)環(huán)(法蘭筒)或地腳螺栓的底端易伸入基礎(chǔ)底板與擴(kuò)展基礎(chǔ)形成整體。若不能形成整體則應(yīng)在基礎(chǔ)環(huán)或地腳螺栓與基礎(chǔ)底板之間放置足夠的連接鋼筋使之共同工作。

7 結(jié)語

從以上六個方面闡述了風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計的要點，當(dāng)然風(fēng)機基礎(chǔ)的設(shè)計還有其他方面的工作，如截面抗剪驗算、抗沖切驗算、抗滑抗傾覆穩(wěn)定驗算、裂縫寬度驗算等。實踐證明，滿足以上六個方面要求和構(gòu)造要求的情況下，這些方面都容易滿足。

風(fēng)電機組基礎(chǔ)在整個風(fēng)機結(jié)構(gòu)中占有重要地位，它直接影響到風(fēng)機的安全運行及風(fēng)電場的投資效益，應(yīng)該引起設(shè)計人員的足夠重視。本文就一些關(guān)鍵問題談了自己的看法，供設(shè)計人員參考。

［1］ FD003-2007，風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定(試行)［S］.

［2］ GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］.