風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算

張 寧 郭春雷 孫建勛

1 風(fēng)機基礎(chǔ)簡介

風(fēng)電是一種清潔、綠色可再生能源，作為新興能源，近幾年在我國得到迅猛發(fā)展，是新能源領(lǐng)域中技術(shù)開發(fā)最為成熟的發(fā)電方式。

風(fēng)電機組基礎(chǔ)作為風(fēng)力機組的固定端，與塔筒一起將風(fēng)機樹立在60～100 m高空，是保證風(fēng)機正常發(fā)電的組成部分。與一般高聳結(jié)構(gòu)不同，由于風(fēng)力發(fā)電機組輪轂高度大，頂部質(zhì)量大，對傾斜度要求嚴格，并且在極端風(fēng)速情況下承受較大的水平荷載，從而使風(fēng)機基礎(chǔ)具有承受360°方向重復(fù)荷載和大偏心受力的特點，因此，對地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性要求較高。風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計應(yīng)貫徹國家技術(shù)經(jīng)濟政策，堅持因地制宜、保護環(huán)境和節(jié)約資源的原則，充分考慮結(jié)構(gòu)的受力特點，做到安全適用、經(jīng)濟合理、技術(shù)先進。

風(fēng)力發(fā)電機組基礎(chǔ)設(shè)計及計算通常包括以下5個方面：基礎(chǔ)幾何尺寸的擬定、混凝土質(zhì)量、基地應(yīng)力計算、抗滑抗傾穩(wěn)定計算、設(shè)計配筋、抗沖切強度校核?；A(chǔ)設(shè)計一般采用極限狀態(tài)設(shè)計方法，荷載和有關(guān)分項系數(shù)的取值應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定，以保證在規(guī)定的外部條件、設(shè)計工況和荷載條件下，使風(fēng)力發(fā)電機組基礎(chǔ)在設(shè)計使用年限50年內(nèi)安全、正常工作。

2 風(fēng)機基礎(chǔ)形式

風(fēng)機基礎(chǔ)分為陸上風(fēng)機的基礎(chǔ)及海上風(fēng)機基礎(chǔ)，陸上風(fēng)機基礎(chǔ)形式主要包括重力式基礎(chǔ)、梁樁基礎(chǔ)、板式基礎(chǔ)及箱變風(fēng)機復(fù)合式基礎(chǔ)等；海上風(fēng)機基礎(chǔ)形式主要包括重力式基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、角架基礎(chǔ)、浮動式箱基礎(chǔ)及吸力式沉箱基礎(chǔ)。

貴州竹山風(fēng)電場為山地風(fēng)電場，采用擴展式重力基礎(chǔ)，結(jié)合該項目的設(shè)計，探討風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)的設(shè)計要點及方法。

3 風(fēng)機基礎(chǔ)計算

風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計計算流程如圖1。

圖1 風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計流程圖

3.1 風(fēng)機基本資料

貴州竹山風(fēng)電場工程總裝機容量50 MW，該風(fēng)電場選用的風(fēng)機為XE105D-2000型風(fēng)機，輪轂高度80m?；A(chǔ)墊層混凝土的設(shè)計強度等級為C15，基礎(chǔ)主體混凝土強度等級為C40。風(fēng)機基礎(chǔ)所處山脊表層為殘積土組成的覆蓋層，覆蓋層厚度一般0.20～1.00 m，下部基巖以凝灰質(zhì)板巖、變余凝灰?guī)r為主。由于風(fēng)機基礎(chǔ)所處地質(zhì)條件良好，均作用于強風(fēng)化下部或弱風(fēng)化凝灰質(zhì)板巖或變余凝灰?guī)r上，地基承載力均不小于600 kPa，本地區(qū)地震基本烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度0.05g。因此風(fēng)機基礎(chǔ)采用擴展混凝土基礎(chǔ)形式。

由廠家提供的風(fēng)機基礎(chǔ)荷載見表1、2。

表1 極限荷載（包含安全系數(shù)）

表2 正常運行荷載（包含安全系數(shù)）

表中數(shù)據(jù)不僅包含載荷工況外部條件的影響，還包括了：空氣動力、自重、旋轉(zhuǎn)慣量和動態(tài)慣量的作用。動態(tài)響應(yīng)包括塔架、葉片、驅(qū)動鏈、電氣和控制系統(tǒng)模態(tài)的相互響應(yīng)。

3.2 風(fēng)機基礎(chǔ)尺寸擬定

鋼筋混凝土擴展基礎(chǔ)是目前陸地風(fēng)電場最為常見的風(fēng)機基礎(chǔ)型式。一般通過基礎(chǔ)環(huán)或地錨籠將上部荷載傳至基礎(chǔ)?；A(chǔ)底面形狀一般有正方形、多邊形以及圓形。由于，風(fēng)向的不確定性，風(fēng)機基礎(chǔ)承受的荷載方向也不固定，且經(jīng)常處于大偏心受壓狀態(tài)，因此對基礎(chǔ)穩(wěn)定性的要求較高。根據(jù)這一特點，風(fēng)機基礎(chǔ)一般按大塊體結(jié)構(gòu)設(shè)計，基礎(chǔ)的底面宜設(shè)計成軸對稱形，如正多邊形或圓形，充分發(fā)揮材料的強度，節(jié)省工程投資。本工程基礎(chǔ)底面形狀選用圓形。

重力式擴展基礎(chǔ)的底寬或直徑宜控制在輪轂高度的1/5～1/3范圍內(nèi)（例如，80 m，控制在16～26.7 m范圍），基礎(chǔ)高度宜控制在輪轂高度的1/30～1/20范圍內(nèi)（例如，80 m，控制在2.7～4.0 m范圍內(nèi)），基礎(chǔ)邊緣高度宜為底寬或直徑的1/20～1/15，且應(yīng)不小于1.0 m。根據(jù)風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范的要求，基礎(chǔ)下部宜設(shè)置墊層，軟弱地基上的墊層混凝土厚度宜大于200 mm。

根據(jù)經(jīng)驗取值范圍，本工程基礎(chǔ)尺寸擬定：采用圓形擴大基礎(chǔ)，直徑18.5 m，基礎(chǔ)邊緣高度為1 m，總基礎(chǔ)高度取3.2 m，墊層厚度取0.2 m。

3.3 荷載工況及分項系數(shù)取值

地基基礎(chǔ)設(shè)計的荷載應(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行設(shè)計。

根據(jù)GB 18451.1—2001《風(fēng)力發(fā)電機組安全要求》第7.6.1.1條款的規(guī)定，空氣動力學(xué)荷載應(yīng)計入荷載安全系數(shù)，這是因為空氣動力學(xué)“荷載的實際值不容易估計出”并且考慮“荷載實際值出現(xiàn)不理想偏差的可能性和荷載模型的誤差”等因素而引入的。風(fēng)機制造廠要求在最大運行工況計入安全系數(shù)1.0，極限荷載工況計入系數(shù)1.50。

結(jié)合風(fēng)機制造廠要求的荷載安全系數(shù)，根據(jù)國標GB 18451.1—2001《風(fēng)力發(fā)電機組安全要求》的有關(guān)規(guī)定，本工程空氣動力學(xué)荷載在最大運行工況計入安全系數(shù)1.0，極限荷載工況計入系數(shù)1.50。

根據(jù)FD003—2007《風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定》的規(guī)定，荷載修正安全系數(shù)K0=1.35（此系數(shù)是考慮了風(fēng)電機組主要荷載——風(fēng)荷載的隨機性較大，且不易模擬，在與地基承載力、基礎(chǔ)穩(wěn)定性有關(guān)的計算中，上部結(jié)構(gòu)傳至塔筒底部與基礎(chǔ)環(huán)交界面的荷載而設(shè)定的）。

荷載分項系數(shù)取值如下：

基礎(chǔ)自重、土體自重的荷載分項系數(shù)：1.2/1.0。風(fēng)荷載和其它活荷載分項系數(shù)：1.5/1.0。在計算結(jié)構(gòu)強度時計入上述荷載系數(shù)。

3.4 基底應(yīng)力及允許脫開面積

3.4.1 正常運行工況與多遇地震工況

正常運行工況乘以荷載修整安全系數(shù)1.35+多遇地震的標準組合應(yīng)滿足基礎(chǔ)不脫開狀態(tài)：

滿足基底應(yīng)力及不允許脫開要求。

3.4.2 極端荷載工況

極端荷載工況應(yīng)滿足基底脫開面積小于25%的要求：

滿足基底應(yīng)力及基底脫開面積指標要求。

3.5 抗滑、抗傾計算

正常運行工況+罕遇地震的偶然組合應(yīng)分別滿足抗滑、抗傾穩(wěn)定計算。

抗滑穩(wěn)定計算：

抗傾穩(wěn)定計算：

滿足抗傾穩(wěn)定要求。

3.6 風(fēng)機基礎(chǔ)配筋計算及抗沖切驗算

對圖2所示1、2截面分別進行配筋計算及裂縫寬度的驗算。

圖2 配筋計算截面位置

對圖3所示3、4截面分別進行抗沖切驗算。

圖3 抗沖切計算截面位置

基礎(chǔ)臺柱鋼筋和基礎(chǔ)底板頂面鋼筋的計算應(yīng)符合GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定。其中，單側(cè)縱向鋼筋的最小配筋率不應(yīng)小于0.20%，且每米寬度內(nèi)的鋼筋截面面積不得小于2 500 mm2。

4 風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計及施工中的注意事項

（1）滿足規(guī)范強條要求，如：正常運行工況與多遇地震工況不允許脫開；極端工況脫開面積不超過25%；正常運行工況最大裂縫寬度不得超過0.2 mm，極端工況最大裂縫寬度不得超過0.3 mm；基礎(chǔ)邊緣高度宜為底寬或直徑的1/20～1/15，且不應(yīng)小于1 m等。

（2）承載力較低的土質(zhì)地基，基礎(chǔ)變形應(yīng)驗算沉降值和傾斜率，計算值應(yīng)滿足規(guī)范的要求。《風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定》，規(guī)定基礎(chǔ)的最大傾斜率為0.006～0.003，對應(yīng)的輪轂高度為60～100 m。

（3）基礎(chǔ)配筋應(yīng)優(yōu)先選用大直徑的鋼筋，這樣鋼筋總數(shù)少，利于振搗棒振搗和混凝土澆筑?；A(chǔ)配筋還應(yīng)注意基礎(chǔ)環(huán)里外都要配成環(huán)筋，形成環(huán)梁。

（4）基礎(chǔ)混凝土強度等級不應(yīng)低于C25，宜采用標號不低于42.5的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥?；炷林袘?yīng)摻入引氣劑和減水劑，并且要求外加劑對混凝土性能無不良影響、減水劑氯離子含量不大于水泥質(zhì)量的0.02%。外加劑摻量應(yīng)通過配合比試驗確定。

（5）澆筑混凝土?xí)r，應(yīng)注意防止混凝土的分層離析，混凝土自由傾落高度不應(yīng)超高，否則，應(yīng)采用串筒、斜槽、溜管等下料?；炷料铝宵c距澆筑面不得超過1.5 m，下料混凝土應(yīng)充分振搗。單個風(fēng)電機組基礎(chǔ)澆筑時不少于4個振搗器同時振搗，振搗間距無鋼筋處采用60 cm，有鋼筋處采用40 cm，振搗器必須插入下層混凝土10 cm以上。嚴禁振搗器僅在混凝土表面振搗，振搗器不得作為攤平混凝土層面的輔助工具。嚴禁振搗器直接碰撞模板、鋼筋及預(yù)埋件。在預(yù)埋件周圍及基礎(chǔ)環(huán)底部，應(yīng)細心振搗以排除氣體，必要時輔以人工搗固密實。澆筑過程中應(yīng)隨即（干燥或初凝前）清理落在上層鋼筋上的混凝土料渣，以免污染鋼筋。鋼筋網(wǎng)進人孔位置及尺寸大小根據(jù)現(xiàn)場施工實際情況確定，使用結(jié)束后應(yīng)及時綁扎搭接封閉。在澆筑過程中，應(yīng)控制混凝土的均勻性和密實性，不應(yīng)出現(xiàn)露筋、空洞、冷縫、夾渣、松頂?shù)痊F(xiàn)象，特別對構(gòu)件棱角處，應(yīng)采取有效措施，使接縫嚴密，防止在混凝土振搗過程中出現(xiàn)漏漿。單個風(fēng)機基礎(chǔ)應(yīng)確保連續(xù)澆筑，在14～18 h內(nèi)一次性澆筑完成，不留施工縫。

5 結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電具有既能保證能源的有序利用，又能戰(zhàn)勝全球氣候變化，更有利于全球的環(huán)境資源保護的優(yōu)點，作為新能源重要發(fā)展方向之一，近幾年在我國得到大力推廣，給國家?guī)砜捎^的經(jīng)濟和社會效益。明確風(fēng)機基礎(chǔ)在設(shè)計過程中的受力情況，對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行全面的力學(xué)性能分析，優(yōu)化設(shè)計方案，是降低風(fēng)機基礎(chǔ)造價的關(guān)鍵，具有重要的理論意義和工程價值。