巖石錨桿風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

文 | 霍宏斌，高建輝，張文東

風(fēng)能是最具開(kāi)發(fā)前景的清潔可再生能源，同時(shí)也是具有巨大市場(chǎng)前景的能源。風(fēng)電行業(yè)中風(fēng)電機(jī)組整機(jī)銷售價(jià)格逐年下降，風(fēng)電場(chǎng)建造過(guò)程中風(fēng)電機(jī)組本身造價(jià)幾乎沒(méi)有可減低空間。隨著我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量的快速增長(zhǎng)，風(fēng)電機(jī)組大型化趨勢(shì)加快，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)安全問(wèn)題頻出。因此，在風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)過(guò)程中，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的安全性、風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的造價(jià)成本、風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)周期等已經(jīng)嚴(yán)重地影響了風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性，昂貴的傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式已經(jīng)嚴(yán)重地制約了風(fēng)電場(chǎng)的健康發(fā)展。

因此，新型的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)研發(fā)是風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)能使風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過(guò)程更加節(jié)省成本造價(jià)，在減低建設(shè)成本的同時(shí)又要保證更高的安全系數(shù)，保證了風(fēng)電機(jī)組在趨于大型化的過(guò)程中風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)更安全，保證風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)周期更快，提前建成投產(chǎn)，減少風(fēng)電機(jī)組建設(shè)征地面積，更有效達(dá)到環(huán)評(píng)要求。同時(shí)，將基礎(chǔ)形式衍生到其他大型高速設(shè)備基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中，使其各種大型設(shè)備基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)更具有經(jīng)濟(jì)性。

巖石錨桿基礎(chǔ)理論

一、基礎(chǔ)分類

傳統(tǒng)重力式基礎(chǔ)主要是由大直徑鋼筋混凝土承臺(tái)作為一個(gè)主要的結(jié)構(gòu)體。從受力角度來(lái)看，傳統(tǒng)基礎(chǔ)的受力形式主要是用基礎(chǔ)自身的重力來(lái)消化風(fēng)電機(jī)組上部的巨大彎矩，風(fēng)電機(jī)組與基礎(chǔ)連接部位采用了基礎(chǔ)環(huán)連接方式。

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)主要分為兩種基礎(chǔ)形式，分別為無(wú)張力灌注樁基礎(chǔ)和巖石錨桿基礎(chǔ)。無(wú)張力灌注樁基礎(chǔ)適用于軟土地區(qū)，例如砂土、粉土、粘土、濕陷性黃土、膨潤(rùn)土等。巖石錨桿基礎(chǔ)適用于巖石、山地地區(qū)。

本文主要對(duì)錨桿基礎(chǔ)進(jìn)行說(shuō)明，巖石錨桿風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)是一種后張法無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力，巖石錨桿基礎(chǔ)支持單筒式風(fēng)電機(jī)組和塔筒。

二、基礎(chǔ)組成

巖石錨桿主要由外圈錨桿系統(tǒng)、承臺(tái)系統(tǒng)、內(nèi)圈螺桿籠組成。錨桿系統(tǒng)由高強(qiáng)錨桿、螺母、高強(qiáng)灌漿料組成。螺桿籠由高強(qiáng)螺桿、底環(huán)、高強(qiáng)灌漿料組成。承臺(tái)系統(tǒng)由高標(biāo)號(hào)混凝土及鋼筋組成。

外圈高強(qiáng)錨桿上部為2.5m－3.5m，使用PE套管形成自由端無(wú)粘結(jié)，高強(qiáng)錨桿下部與高強(qiáng)灌漿料粘結(jié)，灌漿料與巖石產(chǎn)生粘結(jié)。承臺(tái)使用C40混凝土將高強(qiáng)錨桿和高強(qiáng)螺桿連接為整體。內(nèi)圈采用與塔筒底法蘭數(shù)量一致的高強(qiáng)螺桿將承臺(tái)與底法蘭進(jìn)行連接，高強(qiáng)螺桿底部和預(yù)埋在基礎(chǔ)底部的鋼制底環(huán)相連，底環(huán)是高強(qiáng)螺桿的錨固端，螺桿和混凝土之間由PE套管隔離無(wú)粘結(jié)。

在施工階段預(yù)先施加壓應(yīng)力，使用階段，預(yù)加壓力可全部或者部分抵消由于荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

三、設(shè)計(jì)與計(jì)算方法分析

（一）荷載分析

風(fēng)電機(jī)組屬于高聳結(jié)構(gòu)，其自重相對(duì)較小，主要由風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩控制。一般陸上風(fēng)電機(jī)組荷載包括極限工況荷載、正常使用工況荷載、疲勞荷載、地震荷載。若是海上風(fēng)電機(jī)組還需考慮波浪荷載、洋流荷載、冰荷載等。

極限工況荷載是考慮50年一遇在風(fēng)電機(jī)組輪轂高度處3s颶風(fēng)產(chǎn)生的荷載，一般情況彎矩在45000kN-m－110000kN-m范圍內(nèi)。正常運(yùn)行工況荷載為風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的荷載，通常為風(fēng)電機(jī)組極限荷載的40%－70%。疲勞荷載是依據(jù)風(fēng)電機(jī)組20年使用壽命，在風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)等條件下風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的時(shí)間反應(yīng)譜進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》FD003－2007考慮風(fēng)電機(jī)組塔架基礎(chǔ)所受上部結(jié)構(gòu)不確定性和荷載模型偏差等因素，荷載修正安全系數(shù)為1.35。

（二）地質(zhì)分析

巖石應(yīng)為顆粒間牢固聯(lián)結(jié)，呈整體或具有節(jié)理裂隙的巖體。作為建筑物地基，除應(yīng)確定巖石的地質(zhì)名稱外，尚應(yīng)按條劃分其堅(jiān)硬程度和完整程度。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB5007－2011巖塊的飽和單軸抗壓強(qiáng)度分為堅(jiān)硬巖、較硬巖、較軟巖、軟巖和極軟巖。巖石的風(fēng)化程度可分為未風(fēng)化、微風(fēng)化、中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化。巖石的參數(shù)性能影響高強(qiáng)錨桿應(yīng)使用的長(zhǎng)度、直徑、等級(jí)等。

（三）主要穩(wěn)定性分析

根據(jù)《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》FD003－2007抗傾覆驗(yàn)算采用基本組合，但其分項(xiàng)系數(shù)均為1.0。

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)底部彎矩及豎向力值：

Mk＝ 1.35(Mxy＋ Fxy·h)

Nk＝ Fz＋ Gk＋T

Mk—承臺(tái)底部作用彎矩；Nk—承臺(tái)底部作用豎向力；Mxy—彎矩；Fxy—水平荷載；Fz—豎向荷載；Gk—有效混凝土重量；T—有效預(yù)應(yīng)力和值；h—有效高度。

抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算，其最危險(xiǎn)計(jì)算工況應(yīng)滿足下式：MR/Ms≥1.6

MR—抗傾力矩；Ms—傾覆力矩修正值。

抗滑穩(wěn)定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面上的抗滑力與滑動(dòng)力應(yīng)滿足：

FR/FS≥1.3

FR—抗滑力；FS—滑動(dòng)力修正值。

（四）錨桿系統(tǒng)分析

錨桿系統(tǒng)是基礎(chǔ)中的重要結(jié)構(gòu)，在基礎(chǔ)中作為抗拔樁使用，是風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)安全性的保障。

根據(jù)《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》FD003－2007錨桿基礎(chǔ)中單根錨桿所承受的拔力，應(yīng)按下列公式驗(yàn)算：

式中

Fk——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用在基礎(chǔ)頂面上的豎向力；Gk——基礎(chǔ)自重及其上的土自重；Mxk，Myk——按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算作用在基礎(chǔ)底面形心的力矩值；xi，yi——第i根錨樁至基礎(chǔ)底面形心的y、x軸線的距離；Nti——按荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，第i根錨桿所承受的拔力值；Rt——單根錨桿抗拔承載力特征值。

對(duì)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)的建筑物、單根錨桿抗拔承載力特征值Rt應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

根據(jù)霍宏斌、王爾貝、陳銳研究的《錨桿關(guān)鍵參數(shù)對(duì)錨桿重力式海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)承載特性的影響》在選取錨桿時(shí)，在可行的情況下，應(yīng)盡可能選取大直徑錨桿。因?yàn)樵黾渝^桿數(shù)量可以提高基礎(chǔ)的承載力并減小單根錨桿軸力，但當(dāng)數(shù)量增加到一定程度時(shí)，會(huì)使其間距過(guò)小，導(dǎo)致地基中受力重疊，引起應(yīng)力疊加，降低錨桿群的承載效率，所以錨桿數(shù)量存在上限。而基礎(chǔ)抗拔承載力幾乎隨錨桿直徑的增加呈線性提高，故錨桿直徑越大對(duì)基礎(chǔ)越穩(wěn)定。當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮選取適合錨桿的錨桿參數(shù)。

根據(jù)馮自霞、鄭衛(wèi)鋒、程永鋒研究的《輸電線路裂隙巖體地基錨桿抗拔模型試驗(yàn)研究》，錨桿的抗拔力是最重要的參數(shù)。錨桿的抗拔力主要由以下四個(gè)因素決定，錨桿的強(qiáng)度，錨桿和灌漿料的粘結(jié)力，灌漿料和巖石間的粘結(jié)力，巖石的抗拔能力。大量的試驗(yàn)以及工程實(shí)例表明，在錨桿失效的各種形式中，錨桿最常發(fā)生的失效形式為巖土體與灌漿體之間的界面上滑脫而使得錨桿失效。所以，巖土體與灌漿體之間的界面是整個(gè)錨固系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是最薄弱的環(huán)節(jié)。

（五）地基承載力分析

根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50135－2006圓(環(huán))形基礎(chǔ)承受偏心荷載時(shí)，Pkmax＝Nk/ξr2

Αc＝ τ*r1

式中r1——基礎(chǔ)底板半徑(m)；r2——環(huán)形基礎(chǔ)孔洞的半徑(m)，當(dāng)r2＝0時(shí)即為圓形基礎(chǔ)；αc——基底受壓面積寬度(m)；ξ、τ——系數(shù)，根據(jù)比值r2/r1及e/r1按本規(guī)范附錄C確定。

e/r＝0.25查找規(guī)范附錄C

基礎(chǔ)底面的壓力，應(yīng)符合下式要求：

當(dāng)軸心荷載作用時(shí)：pk≤fa (5.2.1－1)

式中

pk——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值；fa——修正后的地基承載力特征值。

當(dāng)偏心荷載作用時(shí)，尚應(yīng)符合下式要求：

pkmax≤1.2fa

式中

pkmax——相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面邊緣的最大壓力值。

（六）其他計(jì)算分析

除穩(wěn)定性計(jì)算、錨桿抗拔力計(jì)算、地基承載力計(jì)算，還需按照規(guī)范要求對(duì)承臺(tái)截面抗彎計(jì)算、截面抗剪計(jì)算、截面抗沖切計(jì)算、變形驗(yàn)算、疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算、基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)態(tài)剛度計(jì)算、水平動(dòng)態(tài)剛度計(jì)算、高強(qiáng)螺桿張拉力計(jì)算、錨桿及螺桿處應(yīng)力計(jì)算、高強(qiáng)灌漿料局部承載力計(jì)算，底環(huán)抗拔計(jì)算等。

計(jì)算結(jié)果與分析

一、計(jì)算參數(shù)

本文以某風(fēng)電場(chǎng)2.0MW風(fēng)電機(jī)組為例，進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組巖石基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。該風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組采用的荷載為：

50年極端風(fēng)速工況載荷（不含安全系數(shù)）

Mxy＝54529KN·m，F(xiàn)xy＝632.8 KN，F(xiàn)z＝－2872.5KN

正常運(yùn)行工況（不含安全系數(shù)）

Mxy＝28997KN·m，F(xiàn)xy＝379 KN，F(xiàn)z＝－2964.7KN

本工程[極端荷載工況]為控制工況。此處Fxy、Fz取Mxy最大工況下所對(duì)應(yīng)的荷載值。

承臺(tái)直徑r＝11.5m，C15墊層底直徑12m，基礎(chǔ)埋深2.01m，承臺(tái)厚度2m，墊層厚度0.4m，錨桿排布直徑為10.5m，錨桿根數(shù)20根，長(zhǎng)度18m，鉆孔深度15.5m，鉆孔直徑0.2m。高強(qiáng)錨桿使用M56－10.9級(jí)，高強(qiáng)螺桿使用160個(gè)M42高強(qiáng)螺桿長(zhǎng)度2.4m。

二、計(jì)算過(guò)程

（一）基本計(jì)算

C40混凝土底面積A＝ 103.87m2

C15混凝土底面積A1＝113.1 m2

基礎(chǔ)混凝土體積V253m3

截面抵抗矩W＝149.3

Gk＝6324.4KN

張拉力＝16560KN

按照本規(guī)范附錄M的試驗(yàn)方法經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)確定抗拔力特征值為1000KN。

（二）計(jì)算結(jié)果

（1） 極限工況下抗傾覆滿足要求，安全系數(shù)1.78。正常工況下抗傾覆滿足要求，安全系數(shù)3.35。

（2） 極限工況下抗滑移滿足要求，安全系數(shù)6.29。正常工況下抗滑移滿足要求，安全系數(shù)10.56。

（3） 極限工況下錨桿拔力987.7KN，小于設(shè)計(jì)豎向抗拔承載力值1000KN，滿足要求。正常工況下錨桿拔力309.2KN，小于設(shè)計(jì)豎向抗拔承載力值1000KN，滿足要求。

（4） 極限工況下群樁安全系數(shù)2.5。

（5） 極限工況下地基壓力小于地基承載力，預(yù)加應(yīng)力將使得承臺(tái)不會(huì)出現(xiàn)脫開(kāi)。

（6） 其他計(jì)算分析滿足要求。

（三）施工過(guò)程

參考圖1到圖4。

圖1 潛孔鉆鉆孔

圖2 錨桿吊裝及布置電纜管

圖3 鋼筋綁扎

圖4 承臺(tái)混凝土澆筑

（四）主要工程量

巖石風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)主要工程量為挖方量為290m3，C40混凝土用量為207m3，C15混凝土用量45m3，高強(qiáng)錨桿6.48t，高強(qiáng)螺桿3.64t，普通鋼筋17.8t。

三、有限元對(duì)比分析

采用FLAC3D有限差分軟件對(duì)巖石風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)進(jìn)行建模模擬。由于在極限工況下，基礎(chǔ)受到的偏心力較大，基礎(chǔ)與墊層之間、基礎(chǔ)與周圍土層之間可能會(huì)出現(xiàn)脫離，故基礎(chǔ)與周圍土層、基礎(chǔ)與墊層之間考慮接觸面單元。其接觸面都為庫(kù)侖剪切接觸面。墊層與土體之間不設(shè)接觸。模型底部邊界全部固定，而側(cè)邊界只固定其邊界面的法向。通過(guò)FLAC3D特有的數(shù)值方法向外圈錨桿施加920kN的預(yù)應(yīng)力，然后再進(jìn)行靜力平衡，平衡后預(yù)應(yīng)力有少量損失。這樣即可獲得預(yù)應(yīng)力施加后外荷載作用前土體及基礎(chǔ)的初始應(yīng)力狀態(tài)，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的外圈錨桿所受到的最大軸力小于1000kN，符合設(shè)計(jì)要求?；A(chǔ)發(fā)生了一定程度的整體傾斜，小于風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定要求的0.005，符合規(guī)范要求。各基礎(chǔ)基底平均壓力都小于地基承載力，根據(jù)轉(zhuǎn)角相同原則，插值求出在復(fù)合彎矩、剪力、軸力、扭矩作用下的對(duì)應(yīng)的等效單一彎矩，作為傾覆彎矩，再求抗傾覆安全系數(shù)。計(jì)算得安全系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)1.6?？够R是基礎(chǔ)底面受到的摩擦力，滑動(dòng)力FS是基礎(chǔ)受到的水平荷載。在極限工況狀況下，大于1.3，符合我國(guó)規(guī)范要求。在各種工況下風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)地基承載力、錨桿受力、抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性均滿足我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

四、施工方法

（一）基坑定位及開(kāi)挖

設(shè)定基礎(chǔ)中心位置，按照設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行基坑開(kāi)挖，基礎(chǔ)開(kāi)挖后按測(cè)量控制點(diǎn)驗(yàn)收基底尺寸及標(biāo)高，并會(huì)同監(jiān)理、勘察對(duì)基坑進(jìn)行驗(yàn)槽。

（二）找平層混凝土澆筑

基礎(chǔ)找平層混凝土的厚度要依據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件和實(shí)際基坑底部開(kāi)挖情況確定，水平度控制在±5cm以內(nèi)。

（三）鉆孔

找平層施工結(jié)束后，放線定位，標(biāo)注出每個(gè)孔的中心位置，用高壓潛孔鉆機(jī)鉆孔至設(shè)計(jì)深度，達(dá)到設(shè)計(jì)深度后用高壓空氣清除孔內(nèi)余渣。

（四）錨桿注漿工作

將錨桿下入孔內(nèi)，孔口使用夾具夾住錨桿，穿入PE套管，PE套管兩頭用PE膠帶粘住。按照設(shè)計(jì)要求在錨桿上安裝扶正器后將錨桿吊人孔內(nèi)，使錨桿對(duì)中、垂直，測(cè)量并調(diào)整外露長(zhǎng)度。將注漿管放入孔底處，一次性注入高強(qiáng)灌漿料，灌漿料漿自孔底向外灌注，隨著水泥漿的灌入，注漿管根據(jù)注漿速度慢慢地向外拔，待粘稠（正常配合比）灌漿料從孔口溢出即可停止灌漿。

（五）混凝土墊層澆筑

安置聚乙烯苯板，放置穿線管，澆筑墊層混凝土。

（六）模板環(huán)、底環(huán)的安裝

將模板環(huán)、底環(huán)整體吊入基坑，底環(huán)與墊層上所畫邊線位置重合，誤差不大于5cm。在剩余高強(qiáng)螺桿涂抹鋰基脂潤(rùn)滑油，套上PE套管。安裝高強(qiáng)螺桿。

（七）鋼筋綁扎

找平后按照設(shè)計(jì)要求焊接接地扁鐵。按照設(shè)計(jì)圖紙要求，綁扎普通鋼筋。

（八）基礎(chǔ)承臺(tái)混凝土澆筑

澆筑混凝土,在混凝土澆筑到距上法蘭下口1m－2m時(shí)，適當(dāng)調(diào)節(jié)混凝土的塌落度160 mm－180mm，并時(shí)時(shí)檢查模板下環(huán)的水平度?；炷两K凝以后或者24h后方可拆模，提取模板上下環(huán)，并按照規(guī)范養(yǎng)護(hù)。

（九）后續(xù)工作

回填土需要按照設(shè)計(jì)要求壓實(shí)，并進(jìn)行后張拉工序。

結(jié)語(yǔ)

從計(jì)算分析結(jié)果，現(xiàn)有研究可以得出以下結(jié)論：

(一) 在相同的巖石地質(zhì)情況下的巖石錨桿基礎(chǔ)設(shè)計(jì)安全系數(shù)比傳統(tǒng)基礎(chǔ)更高，設(shè)計(jì)均可以符合國(guó)內(nèi)規(guī)范要求。

(二) 巖石基礎(chǔ)能充分利用巖石及鋼材抗拉強(qiáng)度高的特點(diǎn)，將預(yù)應(yīng)力技術(shù)應(yīng)用到風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，和傳統(tǒng)基礎(chǔ)相比減少混凝土裂縫，減少風(fēng)電機(jī)組的疲勞破壞，節(jié)省工程量，節(jié)約工程造價(jià)。

(三) 巖石錨桿基礎(chǔ)施工簡(jiǎn)單，比傳統(tǒng)基礎(chǔ)省去復(fù)雜的鋼筋綁扎、大體積混凝土澆筑等工序，節(jié)省工期。施工機(jī)械化程度高，相對(duì)節(jié)省人工成本，可加快施工進(jìn)度。

(四) 因基礎(chǔ)尺寸減少，節(jié)約永久征地面積，對(duì)環(huán)境破壞相對(duì)減少。

(五) 因中國(guó)和美國(guó)規(guī)范差異，巖石錨桿基礎(chǔ)仍有進(jìn)一步優(yōu)化空間。