大唐吉林向陽風(fēng)電場一期工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計分析

張巧，溫永利

（1.吉林省電力勘測設(shè)計院，長春 130022；2.大唐中電（吉林）新能源發(fā)電有限公司，長春 130022）

0 引言

大唐吉林向陽風(fēng)電場一期400MW工程為中國—丹麥政府風(fēng)能開發(fā)示范項目，風(fēng)電場位于吉林省洮南市向陽鄉(xiāng)境內(nèi)，風(fēng)電場中心西北距洮南市約26km，距白城市約48km。海拔高度142.78m—145.33m，風(fēng)電場工程規(guī)劃面積378.6km2，規(guī)劃裝機(jī)容量1000MW，分三期開發(fā)。一期場區(qū)內(nèi)占地面積152.3km2，安裝267臺1.5MW風(fēng)電機(jī)組，總?cè)萘抗灿?00MW。

1 地基巖土構(gòu)成概況

場區(qū)的地層巖性主要由粉土、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂等構(gòu)成。由上至下概述如下：

①粉土：層厚1.20m—13.00m；②粉砂：層厚0.50m—12.50m；③粉質(zhì)粘土：層厚1.00m—3.70m；③1粉質(zhì)粘土：厚度1.00m—4.00m；④粉質(zhì)粘土：厚度1.50m—3.60m；⑤粉土：層厚1.70m—8.30m；⑥粉質(zhì)粘土：層厚1.00m—1.70m；⑥1粉質(zhì)粘土：層厚度1.00m—10.00m。⑦粉土：層厚2.00m—4.20m；⑧粉質(zhì)粘土：層厚1.00m—1.20m，層底埋深15.5m—14.6m； ⑨細(xì)砂：厚度2.30m；⑩有機(jī)質(zhì)土：層厚度1.50m；⑾粉砂：厚度1.00m—14.00m；⑿粉土：厚度1.50m—8.90m；⒀粉砂：厚度1.60m—5.30m；⒁粉質(zhì)粘土：厚度1.50m—9.70m；⒂粉砂：層頂埋深24.008m—29.50m，層底高程113.88m—119.57m。

各層巖土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值見表1。

2 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的選型

根據(jù)以往工程的經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果來看，1.5MW風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)底面的地基承載力特征值至少應(yīng)大于200kPa以上，且基礎(chǔ)底面距室外設(shè)計地面小于4m時，采用獨立基礎(chǔ)比較經(jīng)濟(jì)[2]。本工程第④層土的壓縮系數(shù)較小、地基承載力特征值比較高fak=190kPa，用此層作為基礎(chǔ)的持力層，基礎(chǔ)有做成獨立基礎(chǔ)的可能。對267臺風(fēng)電機(jī)組的地質(zhì)情況進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果表明只有5臺機(jī)組下有該層土，該層土頂面與自然地面相距為5.6m、9.2m、10.05m、11.2m，13.4m，只有一臺風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)有做成獨立基礎(chǔ)的可能。⒁、⒀、⒂層的壓縮系數(shù)及地基承載力特征值雖然也具備獨立基礎(chǔ)的條件，但該層埋深均在自然地面以下20多米，深度過深無法實現(xiàn)獨立基礎(chǔ)。根據(jù)這種地質(zhì)情況，雖然有一臺風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)利用第④層土有做成獨立基礎(chǔ)的可能，但考慮數(shù)量少施工下料等因素，最后確定本期風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)采用單一的樁基礎(chǔ)形式。

3 樁類型的選擇

對于本工程的地質(zhì)構(gòu)造可以采用超流態(tài)混凝土灌注樁、預(yù)制鋼筋混凝土管樁、泥漿護(hù)壁鋼筋混凝土灌注樁。此三種樁型在吉林省風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)上都有所使用，它們各有特點，如表2所示。

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組廠家提供的機(jī)組底面的荷載，初步估算每臺風(fēng)電機(jī)組下需要樁24根左右，樁端到達(dá)粉砂層，樁長約在25m左右。267臺風(fēng)電機(jī)組共計6408根樁。受北方氣候及年底要投產(chǎn)運行的限制，7月份開始試樁，8月份樁基礎(chǔ)施工，樁基礎(chǔ)施工工期控制在一個月，10月末承臺澆筑完成。因此每天要施工完成214根樁，大約是9個風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)所需樁的數(shù)量。每臺風(fēng)電機(jī)組的間距在500m到600m，現(xiàn)場道路還沒有完全施工完成，勢必造成施工設(shè)備搬運時間較長，同時考慮一些不可預(yù)見的其他因素，預(yù)計至少需要配備10臺鉆機(jī)。為了便于管理，建設(shè)單位要求施工隊伍不能超過三個，因此初步按三個施工單位考慮，每個施工單位配備4臺鉆機(jī)。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

表2 三種樁型的特點

超流態(tài)混凝土灌注樁的單樁承載力較高，對于本工程是比較理想的樁型，但目前吉林省內(nèi)的大型施工企業(yè)樁機(jī)總數(shù)不足9臺，如果采用此種樁型，需要考慮從外省租用樁機(jī)，工程造價會有所增加。

預(yù)制鋼筋混凝土管樁對于本工程有兩點不利因素：第一，在吉林、遼寧、黑龍江三省廠家生產(chǎn)的樁長分別為9m、12m、15m、18m幾種長度。非標(biāo)準(zhǔn)長度樁的單位造價，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)長度的造價，且生產(chǎn)時間長，無法滿足本工程的數(shù)量需要。到其他省份采購成本將上升，運輸時間將延長，工期無法滿足。第二，預(yù)制鋼筋混凝土管樁打完樁后需要截樁頭、做樁端錨筋、樁上段做抗水平力的混凝土封堵，這些后期處理時間較長可能會影響工期。

綜上考慮，最后選擇泥漿護(hù)壁鋼筋混凝土灌注樁為本工程的樁型。

4 單樁承載力的確定

初步估算每個承臺下設(shè)樁24根左右，承臺高約3.3m，底部直徑約16m左右，單個基礎(chǔ)混凝土用量約為380m3，鋼材40t，承臺混凝土必須連續(xù)澆筑。工程要求年末投產(chǎn)送電，如此大的現(xiàn)澆混凝土量，已經(jīng)沒有單獨試樁的時間了。

我們搜集到了已經(jīng)運行的吉林省幾個風(fēng)電場的地質(zhì)及試樁報告，發(fā)現(xiàn)這些工程的試樁都是檢驗性試樁，反復(fù)研究其試樁的受力曲線，預(yù)感到樁的實際承載能力還有很大空間。經(jīng)過充分準(zhǔn)備，決定在此工程上采取一個大膽的做法，提出對單樁承載力高出理論值的試樁受力要求，為節(jié)省時間用工程樁試樁。其理論依據(jù)是建筑樁基技術(shù)規(guī)范JGJ94－94中豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值是沿用多年的傳統(tǒng)方法，廣泛應(yīng)用于各種樁型，規(guī)范中給出水下鉆（沖）孔灌注樁的經(jīng)驗公式，其樁側(cè)極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值，樁端極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值分別以表格的形式給出，規(guī)范中以GBJ7－89的預(yù)制樁側(cè)阻力為基本值，然后將各類土的對應(yīng)的參數(shù)分別乘以不同的修正系數(shù)，用最小二乘法得出該修正系數(shù)。由此求得側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值。同樣方法給出灌注樁的端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。目前正在執(zhí)行的建筑樁基技術(shù)是在《JGJ94－94》收集的試樁資料經(jīng)篩選得到的完整資料229根，（涵蓋了11個省市）又收集到水下鉆（沖）孔灌注樁184根，以JGJ94－94規(guī)范表qsik，qpk為基礎(chǔ)對新收集到的資料進(jìn)行調(diào)整，期間還參考了上海、天津、浙江、福建、深圳等省市地方標(biāo)準(zhǔn)給出的經(jīng)驗值，最終得到《JGJ94－2008》的qsik，qpk的取值[1]。其中大部分試樁資料為工程檢測性試樁，加荷未能達(dá)到極限承載力。規(guī)范中樁側(cè)阻力及樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，經(jīng)驗因素占了很大比例，且吉林省被收錄的數(shù)據(jù)不多。目前吉林省工程勘察報告中的樁側(cè)極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值，樁端極限阻力標(biāo)準(zhǔn)值都是根據(jù)土的狀態(tài)對照規(guī)范《JGJ94－2008》得出的。

選擇地質(zhì)斷面具有代表的85、60、16號風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)所在位置進(jìn)行抗壓試驗，80、55、22號風(fēng)電機(jī)組所在位置進(jìn)行抗拔試驗，75、65、26號風(fēng)電機(jī)組所在位置進(jìn)行水平承載力試驗?，F(xiàn)以60號風(fēng)電機(jī)組為例介紹樁承載力的理論值計算過程。巖土工程勘察報告給出的60號風(fēng)電機(jī)組的地質(zhì)斷面圖如圖1所示。

圖1 60號風(fēng)電機(jī)組的地質(zhì)斷面圖

樁的極限側(cè)阻力和極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值如表3所示。

樁直徑統(tǒng)一為1m，每臺風(fēng)電機(jī)組樁長根據(jù)具體的地質(zhì)情況確定，60號風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)樁長22.7m。按照建筑樁基技術(shù)規(guī)范《JGJ94-2008》及巖土工程勘察報告給出的樁極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值和樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值計算樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為：

QUK——樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值；

QSK——樁總極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

QPK——樁總極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

U——樁身周長；

AP——樁身截面積；

Li——樁周第i層土的厚度；

qsik——樁極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；

qpk——樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。

我們要求高于理論值1410kN，按5000kN的目標(biāo)進(jìn)行單樁抗壓承載力進(jìn)行試樁。2008年7月對16、60、85號風(fēng)電機(jī)組樁進(jìn)行了單樁靜載抗壓試驗。單樁豎向抗壓靜載試驗采用慢速維持荷載法。（下面對60號樁做重點介紹，其余從簡）

60號樁：當(dāng)試驗荷載加至5000kN時，樁頂沉降量僅為17.11mm，Q－S曲線呈緩變型，S－lgt曲線呈平行或亞平行排列；已達(dá)到設(shè)計最大加荷值，故停止試驗。綜合判定該樁單樁極限承載力Qu＞5000kN。

16、85號樁：綜合判定單樁極限承載力Qu＞5000kN。

綜上,三組試驗樁單樁豎向抗壓靜載試驗均未發(fā)生破壞，土阻力尚未發(fā)揮至極限。試驗詳細(xì)結(jié)果如表4所示。

單樁豎向抗拔靜載荷試驗采用慢速維持荷載法如表5所示。試驗樁配筋為16Ф22。

單樁水平靜載試驗采用慢速維持荷載法如表6所示。

試驗取得了我們滿意的結(jié)果。按此試驗結(jié)果進(jìn)行了施工圖設(shè)計，每臺風(fēng)電機(jī)組下布置18根直徑為1m的灌注樁。僅在樁上就節(jié)省投資25%左右，且未影響施工進(jìn)度。

5 結(jié)論

建筑樁基技術(shù)規(guī)程《JGJ94－2008》適用于全國，我國幅員遼闊，各個省份的地質(zhì)條件千差萬別[3]。積累本地區(qū)同類型樁基礎(chǔ)的試驗數(shù)據(jù)，在規(guī)范的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化本地區(qū)的樁基礎(chǔ)設(shè)計，將能取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

表3 樁的極限側(cè)阻力和極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值

圖2 （16#、60#、85#）抗壓試樁樁位圖

表4 單樁豎向抗壓靜載試驗結(jié)果匯總

表5 單樁豎向抗拔靜載試驗結(jié)果匯總

表6 單樁水平靜載試驗結(jié)果匯總

由于時間緊迫，本工程的樁靜載試驗采用的是工程樁檢驗性試樁。假如時間允許，靜載試驗可以采用單獨破壞性試樁，有可能單樁承載力會更高，經(jīng)濟(jì)效果會更顯著。

[1] JGJ94-2008.建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].中國國家標(biāo)準(zhǔn),2008.

[2]宋力兵,歐陽華.兆瓦級風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)環(huán)優(yōu)化設(shè)計[J].機(jī)械制造與自動化,2012(04).

[3]王志義,趙志民.某風(fēng)力發(fā)電場風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計[J].工程質(zhì)量,2009(09).