天然地基上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架基礎(chǔ)設(shè)計(jì)研究

王相耀　吳建喜

摘 要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架基礎(chǔ)的合理設(shè)計(jì)關(guān)系到機(jī)組的安全運(yùn)行，即位于地基條件較好的基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，存在的隱患也很多。充分考慮具體的地質(zhì)條件、機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)，進(jìn)行可靠的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，在工程界形成共識(shí)。本文介紹了合理的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮的因素、參數(shù)、尺寸的取舍，并給出了具體過程、尺寸，設(shè)計(jì)出了實(shí)際工程的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)；天然地基；基礎(chǔ)沉降

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.080

風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架是一種聳結(jié)構(gòu)，葉片、輪轂、機(jī)艙位于塔架頂部，風(fēng)荷載使塔架基礎(chǔ)承受很大的傾覆力矩，這是機(jī)組塔架基礎(chǔ)不同于一般的高聳結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在傾覆彎矩作用下短基礎(chǔ)柱與基礎(chǔ)底板交界處著承受著較大的集中應(yīng)力，這一集中作用力可以達(dá)到應(yīng)力計(jì)算值的3～5倍，風(fēng)電場時(shí)因基礎(chǔ)這一部位的損壞產(chǎn)生倒塌事故。由于較大的傾覆彎矩，基礎(chǔ)底部產(chǎn)生較大的不均勻壓力，嚴(yán)控不均勻沉降和偏心距，保證機(jī)組的正常運(yùn)行，是有一特點(diǎn)。

1 塔架基礎(chǔ)概念設(shè)計(jì)

1.1 材料

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承受有風(fēng)帶來的低周疲勞荷載，材料應(yīng)符合疲勞要求，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不小于C30；鋼筋應(yīng)選用HRB400、HRB500高強(qiáng)鋼筋。

1.2 地質(zhì)條件

基礎(chǔ)地基持力層應(yīng)選擇穩(wěn)定性較好的土層上，未經(jīng)修正的地基承載力特征值應(yīng)大于150KPa，壓縮模量大于8MPa。塔基附近無沖溝、斷裂帶、崩塌等不良地質(zhì)條件。軟弱地基、不均勻地基、濕陷性黃土等應(yīng)采用合適的處理方式。

1.3 基礎(chǔ)體型

基礎(chǔ)環(huán)外圍混凝土厚度不小于1000mm，基礎(chǔ)底板外沿尺寸不小于1000mm，懸挑與根部厚度比值不大于2.5.基礎(chǔ)環(huán)深入基礎(chǔ)底板0.7m左右，電纜管位于基礎(chǔ)環(huán)下法蘭一定距離，從基礎(chǔ)外邊緣中部穿出。

1.4 基礎(chǔ)配筋

基礎(chǔ)環(huán)周圍配置鋼筋應(yīng)均勻，環(huán)向距離不應(yīng)大于400m，鋼筋之間的間距150m左右，鋼筋在基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)外周邊多圈均勻布置。底板鋼筋宜環(huán)向布置，輻射筋內(nèi)環(huán)間距不宜小于80mm，側(cè)輻射筋外環(huán)間距不應(yīng)大于300mm，環(huán)向筋間距宜為150～200mm。

2 天然地基風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)案例

錫林郭勒盟正鑲白旗哲里根圖風(fēng)電場風(fēng)電場，建設(shè)規(guī)模為49.5MW，安裝33臺(tái)1.5MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

2.1 工程地質(zhì)條件

ZK21鉆孔地層巖性。根據(jù)鉆探揭露ZK21鉆孔地層結(jié)構(gòu)為：

（1）0.00～3.50m為第四系上更新統(tǒng)洪沖積層（Q3pal）礫砂。巖性為淺黃色、黃褐色灰白色礫砂，密實(shí)、濕。最大可見粒徑2.00cm左右，磨圓度一般，呈次棱角狀，礫石成份較雜。本次勘探揭露層厚3.50m，層底高程1243.44m。地基承載力特征值f0=250 kPa

（2）3.50～20.00m為第三系上新統(tǒng)（N2）老粘土。巖性為老粘土，棕紅色、黃褐色，結(jié)構(gòu)致密，硬塑。局部含有鈣質(zhì)結(jié)核，為下部地層。本次鉆探揭露最大厚度16.50m，鉆孔未能揭穿該地層。其層底高程1243.44m。地基承載力特征值f0=300 kPa。

2.2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

根據(jù)《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》（試行）FD003-2007，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括基礎(chǔ)抗滑、抗傾覆安全系數(shù)、基底應(yīng)力、基礎(chǔ)沉降計(jì)算等。

2.2.1 主要構(gòu)造要求

（1）基礎(chǔ)埋深的確定：一般情況輪轂高度的1/30～1/20，綜合考慮凍深、持力層條件等因素；

（2）基礎(chǔ)底板直徑：一般情況輪轂高度的1/5～1/3。

（3）基礎(chǔ)邊緣高度：基礎(chǔ)直徑的1/20～1/30，且不應(yīng)小于1m。

（4）懸挑長度/懸挑根部高度≤2.5。

（5）混凝土：強(qiáng)度等級(jí)大于C40，抗凍等級(jí)根據(jù)氣候確定。

（6）混凝土保護(hù)層厚度：根據(jù)鋼筋部位和環(huán)境類別確定。

（7）最小配筋率：規(guī)范規(guī)定不小于0.2%，根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)建議取值在0.15%～0.2%之間。每米寬度內(nèi)的鋼筋截面面積不得小于2500mm2。

（8）基礎(chǔ)環(huán)應(yīng)深入至基礎(chǔ)或承臺(tái)底板一定深度，并與基礎(chǔ)或承臺(tái)結(jié)構(gòu)可靠連接。

（9）基礎(chǔ)回填土壓實(shí)度一般控制在0.94以上。

（10）基礎(chǔ)棍凝土應(yīng)一次澆筑成型。

（11）軟弱地基上的墊層混凝土厚度宜大于20cm。基礎(chǔ)混凝土澆筑前應(yīng)對墊層混凝土或基巖表面進(jìn)行鑿毛處理，并沖洗干凈。

2.2.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

通常根據(jù)機(jī)組容量大小基礎(chǔ)外形采用以下4方案

（1）鋼筋混凝土正方形擴(kuò)展基礎(chǔ)：850KW以下。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)計(jì)算簡單，鋼筋容易配置，施工方便；缺點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)性較差。

（2）長方形基礎(chǔ)： 850KW以下，長邊順主風(fēng)向布置。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)計(jì)算簡單，鋼筋容易配置，施工方便，經(jīng)濟(jì)性好；缺點(diǎn)：在主風(fēng)向側(cè)面風(fēng)力較大時(shí)容易出現(xiàn)倒塔事故。

（3）八邊形基礎(chǔ)：各種型號(hào)機(jī)組均有采用。優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)性較好，基礎(chǔ)底面鋼筋容易配置，施工方便；缺點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜，施工較復(fù)雜。適合于大容量機(jī)組。

（4）圓形基礎(chǔ)：優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)性好；缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜，施工較復(fù)雜。適合于大容量機(jī)組。

單機(jī)容量為1.5MW的風(fēng)電機(jī)組，輪轂高度為80m。根據(jù)設(shè)備廠家提出的風(fēng)機(jī)技術(shù)參數(shù)及地質(zhì)資料，風(fēng)機(jī)塔架基礎(chǔ)為圓形鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)，基礎(chǔ)底面直徑為17m，采用天然地基，埋深為2.8m。根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/T5057-2009）的相關(guān)規(guī)定，本工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土抗凍等級(jí)為F200。

3 結(jié)語

天然土基上的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，地基沉降是設(shè)計(jì)要考慮的關(guān)鍵因素，不能因基礎(chǔ)傾斜沉降造成較大二次彎矩，給風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行帶來隱患，實(shí)行較嚴(yán)格的基礎(chǔ)傾斜控制是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成功的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]鄭主平，吳啟仁.響水風(fēng)電場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)不均勻沉降原因及處理方法[J].水利水電技術(shù)，2009（09）.

作者簡介：王相耀（1978-），碩士研究生，工程師。