圓形擴(kuò)展式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)體型優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

王斯偉，白寶華，潘啟科，宋寧，王德智

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2.中國能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，昆明 650051)

0 前言

隨著高海拔山地風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)規(guī)模越來越大，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的安全性、經(jīng)濟(jì)性及適用性越顯重要。常見的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)包括擴(kuò)展基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)及巖石錨桿基礎(chǔ)[1]，在云貴川等西南省區(qū)高海拔山地風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)實(shí)踐中，大部分采用圓形擴(kuò)展式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式。

圓形擴(kuò)展式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)屬于傳統(tǒng)的重力式基礎(chǔ)，具有適用性強(qiáng)、施工技術(shù)成熟、安全度高的優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是混凝土及鋼筋的用量較大。對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的體型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，有利于減少工程量，降低工程造價(jià)，提高基礎(chǔ)的效用及安全性。

1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)體型初選

圖1 中：R-風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)底板半徑；R1-基礎(chǔ)上臺(tái)柱半徑；R2-風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)環(huán)半徑；h-風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)高度；h1-基礎(chǔ)底板邊緣高度；h2-基礎(chǔ)傾斜面部分高度；h3-上臺(tái)柱高度；h4-基礎(chǔ)環(huán)埋置深度。另定義：H-風(fēng)電機(jī)組輪轂高度。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)體型圖

上臺(tái)柱半徑結(jié)合塔筒底部法蘭尺寸確定，常規(guī)的2～2.5 MW 風(fēng)電機(jī)組底部法蘭直徑為4.2～4.4 m。另考慮在上臺(tái)柱能配3～4 圈豎向及環(huán)向鋼筋，故取臺(tái)柱的半徑R1=3.4～4.5 m。進(jìn)一步地，需要結(jié)合臺(tái)柱的配筋方式來確定。由于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)臺(tái)柱區(qū)域應(yīng)力最為集中，基礎(chǔ)與基礎(chǔ)環(huán)經(jīng)常出現(xiàn)界面脫開破壞的情況[2]，故建議臺(tái)柱尺寸不宜過小。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)初期應(yīng)先預(yù)設(shè)基礎(chǔ)尺寸，通過調(diào)整基礎(chǔ)底面半徑R 及調(diào)整剖面尺寸的設(shè)計(jì)，可以優(yōu)化風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)自重及抗傾覆的能力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般取基礎(chǔ)底板半徑（例 如H=90 m，R 取9～15 m）?；A(chǔ)高度例如H=90m，h 取3～4.5 m）。圓形擴(kuò)展式基礎(chǔ)底板邊緣高度（例如R=9 m，h1取0.9～1.2 m），且不應(yīng)小于1 m[1]?；A(chǔ)底板直徑對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)整體抗傾覆作用意義重大，但同時(shí)該數(shù)值對(duì)基礎(chǔ)的整體方量影響也較大，故要結(jié)合基礎(chǔ)埋深、寬高比等因素，對(duì)比分析優(yōu)化設(shè)計(jì)。以上為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)體型尺寸的經(jīng)驗(yàn)取值范圍，具體要根據(jù)荷載特性及具體工程特性試算后確定。過程中需要滿足承載力、抗傾覆及基礎(chǔ)底面積脫開比的要求。

2 圓形擴(kuò)展式基礎(chǔ)體型設(shè)計(jì)

2.1 與煙囪基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理念對(duì)比

加為防止風(fēng)機(jī)葉片與塔筒外壁之間的碰撞，塔筒直徑需滿足最大限值要求，根開尺寸較煙囪筒壁小。故相比常見的煙囪基礎(chǔ)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)具有“長(zhǎng)懸臂、小內(nèi)徑”的特點(diǎn)[3]。同時(shí)，為滿足基礎(chǔ)剛性平截面假定，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)底板的懸挑長(zhǎng)度與懸挑根部高度的比值必須滿足

圖2 常見煙囪圓形基礎(chǔ)體型圖

如上圖所示，β為煙囪基礎(chǔ)底板的懸挑系數(shù)，對(duì)于煙囪基礎(chǔ)，一般合理的β值應(yīng)介于1.2～1.8 之間，超過1.8 說明基礎(chǔ)體型不合理，需調(diào)整。

β=煙囪基礎(chǔ)，考慮煙囪基礎(chǔ)與風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的區(qū)別，取R2=R3，故一般均大于1.8，且大于2.5。

參考煙囪規(guī)范相關(guān)公式[4]，有：

參考混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[5]， 由MR,Mθ→α，ξ→As，再根據(jù)條文9.5.7 要求[1]，需要滿足單側(cè)縱筋最小配筋率不應(yīng)小于0.2%，且每米寬度范圍內(nèi)鋼筋面積不小于2500 mm2。以上為參考煙囪基礎(chǔ)對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行體型設(shè)計(jì)和配筋計(jì)算的基本過程。

但是對(duì)于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，β值一般大于2.5，因此參考煙囪基礎(chǔ)的彎矩及配筋計(jì)算方式對(duì)圓形擴(kuò)展式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算是否合適，值得進(jìn)一步研究。

2.2 h與基礎(chǔ)埋深影響關(guān)系研究

基礎(chǔ)埋置深度考慮的因素[1]：

1）基礎(chǔ)形式；

2）基礎(chǔ)上的荷載大小和性質(zhì)；

3）地層結(jié)構(gòu)和地下水埋深；

4）地基土凍脹和融陷的要求；擴(kuò)展式基礎(chǔ)需滿足地基承載力、變形和穩(wěn)定性的要求。對(duì)高海拔季節(jié)性凍土地區(qū)，埋深應(yīng)大于土體的標(biāo)準(zhǔn)凍深，查閱中國季節(jié)性凍土標(biāo)準(zhǔn)凍深線圖，西藏那曲、青海部分地區(qū)地區(qū)240 cm，其余未見超過200 cm 的情況。一般風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)埋深均大于3 m，故此條規(guī)定一般可以滿足。

在確定了基礎(chǔ)的埋深后，可取基礎(chǔ)高度h等同于基礎(chǔ)埋深，若考慮基礎(chǔ)上臺(tái)柱防滯水及排水的要求，h 可大于基礎(chǔ)埋深50～100 mm。過程中，應(yīng)結(jié)合風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)h1、h2、h3的初選試算進(jìn)行優(yōu)選組合。

2.3 偏心距e與R的影響關(guān)系研究

計(jì)算風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)底面尺寸，首先要初步確定基礎(chǔ)底板面積，也即R 的估算。

圖3 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)零米荷載示意圖

偏心荷載作用下風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的力學(xué)計(jì)算模型，其中G- 基礎(chǔ)自重，F(xiàn)z- 基礎(chǔ)頂面的豎向荷載，F(xiàn)r- 基礎(chǔ)頂面的水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值，Mr- 基礎(chǔ)頂面彎矩，Mz-基礎(chǔ)頂面扭矩，e-基礎(chǔ)頂面豎向荷載偏心距。

大偏心作用下的獨(dú)立基礎(chǔ)，基底脫開面積比一般是確定R 的控制性因素。一般圓形擴(kuò)展式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的底面直徑宜控制在輪轂高度的范圍內(nèi)，基礎(chǔ)高度宜控制在輪轂高度的范圍內(nèi)，基礎(chǔ)邊緣高度宜為底板直徑的且不小于1m。在進(jìn)行計(jì)算過程中，擴(kuò)展式基礎(chǔ)除應(yīng)滿足承載力、變形及穩(wěn)定性等要求，基礎(chǔ)底面積脫開比還應(yīng)滿足下表中要求。

表1 基底面積脫開比要求

圖4 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)偏心荷載作用下基底脫開示意圖

圓形基礎(chǔ)在偏心荷載作用下的基底反力[6]：

ξτ為計(jì)算系數(shù)，可由e/R 的比值，再根據(jù)高聳結(jié)構(gòu)規(guī)范的附表C 查得出。

e/R ＜0.25 時(shí)，認(rèn)為基底未脫開；

0.25 ≤e/R ≤0.43 時(shí)，認(rèn)為基底脫開，但脫開面積未超過25%；

e/R ＞0.43 時(shí)，基底脫開面積超過25%。

2.4 上臺(tái)柱影響研究

圓形擴(kuò)展式基礎(chǔ)分為有臺(tái)階式和無臺(tái)階式兩種形式，有臺(tái)階式即設(shè)置臺(tái)柱，h3是臺(tái)柱的高度。針對(duì)臺(tái)階式和無臺(tái)階式擴(kuò)展基礎(chǔ)，給出基底反力的計(jì)算公式：

分析得出[7]，含臺(tái)階式基礎(chǔ)在地耐力、節(jié)省混凝土方面有優(yōu)勢(shì)，無臺(tái)階式擴(kuò)展基礎(chǔ)的混凝土應(yīng)力具有優(yōu)勢(shì)。但風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)混凝土的應(yīng)力比較小，故一般采用有臺(tái)階式擴(kuò)展基礎(chǔ)。

圖5 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)有無臺(tái)階布置的示意圖

2.5 h3與h4的影響關(guān)系研究

基礎(chǔ)環(huán)的尺寸由廠家提供，一般對(duì)基礎(chǔ)環(huán)的埋深給出具體要求。設(shè)計(jì)院需要對(duì)基礎(chǔ)環(huán)的設(shè)計(jì)及埋深要求進(jìn)行復(fù)核。

h4與h3有相互影響制約關(guān)系，不同的搭配得出的計(jì)算結(jié)果不同。增加基礎(chǔ)環(huán)的埋置深度h4，降低上臺(tái)柱的高度h3可有效降低基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)澆筑混凝土的應(yīng)力以及混凝土的位移，對(duì)風(fēng)電基礎(chǔ)的抗傾覆有利。研究人員對(duì)基礎(chǔ)環(huán)區(qū)域混凝土的細(xì)部損傷機(jī)理進(jìn)行了研究[2]，得出：

1）基礎(chǔ)環(huán)埋置深度h4=（0.55～0.65） h，h4＞h3，保證基礎(chǔ)環(huán)及臺(tái)柱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；

2）建議取h3=（0.25～0.4） h，且不宜大于1.5 m；

3）基礎(chǔ)環(huán)外圍混凝土厚度不宜過小，R-R1≥1.5 m 是合適的，且R-R1與h3的差值在20%以上，防止局部沖切破壞。

3 山地風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)體型設(shè)計(jì)

目前，典型的山地風(fēng)電場(chǎng)多采用單機(jī)容量為2 MW～3 MW 的風(fēng)電機(jī)組，輪轂高度80～100 m。由于山地風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)多分布于山脊及山坡位置，覆蓋層較淺，故一般考慮天然地基加圓形擴(kuò)展式基礎(chǔ)[8]。采用圓形擴(kuò)展式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，則體型初步設(shè)計(jì)如下：

取基礎(chǔ)埋深3～4 m，由單機(jī)容量及持力層埋深綜合確定?；A(chǔ)環(huán)2R2=4 m ～4.4 m，該尺寸多由運(yùn)輸條件限制；2R1=6.4 m ～8 m，考慮基礎(chǔ)臺(tái)柱配筋及防止局部受壓破壞，該尺寸宜取大值；h1=1 m～1.2 m，考慮優(yōu)化基礎(chǔ)混凝土用量，該尺寸宜取小值；h2=1.3 m～1.8 m；h1+h2=2.3 m～3 m；R-R1≤2.5（h1+h2）=5.75 m～7.5 m；R1=3.2 m ～4 m；故可初步推斷基礎(chǔ)底板半徑R一般介于8.95 m～11.5 m 之間。

以上均為一般建議值，具體應(yīng)根據(jù)具體工程的地質(zhì)條件、地震烈度、風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)等因素開展針對(duì)性的設(shè)計(jì)研究，相應(yīng)的基礎(chǔ)體型值可上下浮動(dòng)一定的比例。

4 結(jié)束語

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)體型設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行具有重要影響，通過優(yōu)化基礎(chǔ)的體型參數(shù)，可以顯著提高基礎(chǔ)的抗傾覆性能，減少鋼筋及混凝土的工程量。針對(duì)圓形擴(kuò)展式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，h、R 結(jié)合地質(zhì)條件及上部荷載初步試算，過程中結(jié)合R1、h1、h2、h3細(xì)部尺寸的優(yōu)化，以及對(duì)h4、e/R、基底脫開比、最大壓應(yīng)力等復(fù)核的成果，最終確定風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的體型。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)體型參數(shù)具有相互影響關(guān)系，調(diào)整其中1 個(gè)或幾個(gè)參數(shù)要考慮對(duì)其它參數(shù)的影響，聯(lián)動(dòng)調(diào)整，并及時(shí)進(jìn)行基礎(chǔ)各項(xiàng)指標(biāo)的復(fù)核與確認(rèn)。