風(fēng)電基礎(chǔ)選型及設(shè)計(jì)分析

楊丹萍，于 瑩，尹鐘霄

（吉林建筑科技學(xué)院 土木工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130114）

中國(guó)地域遼闊，自然資源豐富，風(fēng)能的有效開(kāi)發(fā)及利用具有良好的社會(huì)前景。我國(guó)風(fēng)能開(kāi)發(fā)利用較晚，但發(fā)展迅猛。風(fēng)電發(fā)展“十三五” 規(guī)劃指出，風(fēng)電已在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，截止至2020 年底，風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量確保達(dá)到2.1 億KW 以上，其中海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到500 萬(wàn)KW 以上；風(fēng)電年發(fā)電量確保達(dá)到4200 億KW 時(shí)，約占全國(guó)總發(fā)電量的 6%。近年來(lái)，大量學(xué)者和企業(yè)投入到風(fēng)能的開(kāi)發(fā)中來(lái)，陸地風(fēng)電以及海上風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展也對(duì)風(fēng)電基礎(chǔ)提出了更高的要求。選取合適的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，并將結(jié)構(gòu)體系做到布置合理、傳力明確，需要加強(qiáng)的地方重點(diǎn)處理，次要的構(gòu)件避免浪費(fèi)，風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)做到 “體系優(yōu)化”，而不僅僅拘泥于 “構(gòu)件” 這個(gè)層面。

1 風(fēng)電基礎(chǔ)概述

風(fēng)電基礎(chǔ)是風(fēng)力發(fā)電塔的重要結(jié)構(gòu)部分，不僅需要承受全部的上部荷載以及作用，還需要其在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的情況下進(jìn)行傳遞。與此同時(shí)，其穩(wěn)定性也是整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵點(diǎn)，使其最大化的發(fā)揮其力學(xué)性能、有效的控制工程成本、提高施工的便捷性等方面具有很好的前景。我國(guó)風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的歷程大致可以分為三個(gè)階段：基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)階段、設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)階段、創(chuàng)新設(shè)計(jì)階段。第一階段（2003年以前），截止2003 年，我國(guó)具備小型風(fēng)電基礎(chǔ)的開(kāi)發(fā)能力，在此之前我國(guó)風(fēng)電基礎(chǔ)研究處于萌芽階段，清潔能源、節(jié)能減排未受到重視，風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模較小，風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)多由建筑設(shè)計(jì)院完成，沒(méi)有相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范；第二階段（2003 年～2007 年），我國(guó)引入大型風(fēng)電基礎(chǔ)，并開(kāi)始嘗試設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，隨著國(guó)家對(duì)風(fēng)電行業(yè)的重視，風(fēng)電基礎(chǔ)的研究也得到了快速發(fā)展，我國(guó)2005 年開(kāi)始了風(fēng)電基礎(chǔ)規(guī)范的制定工作，并于2007 年發(fā)布。與此同時(shí)，相關(guān)的設(shè)計(jì)軟件也投入使用；第三階段（2007～至今），我國(guó)已經(jīng)具備大型基礎(chǔ)設(shè)計(jì)能力，并開(kāi)始創(chuàng)新型風(fēng)電基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)研究[1]。

2 風(fēng)電基礎(chǔ)的主要形式

2.1 陸上風(fēng)電基礎(chǔ)

我國(guó)陸上風(fēng)電基礎(chǔ)形式主要包括擴(kuò)展基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、巖石錨桿基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力墩式基礎(chǔ)、梁板基礎(chǔ) 。其中擴(kuò)展基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、巖石錨桿基礎(chǔ)應(yīng)用較多。

擴(kuò)展基礎(chǔ)又稱為重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)形式是陸上風(fēng)電基礎(chǔ)的常見(jiàn)形式，其通過(guò)將基礎(chǔ)面積進(jìn)行擴(kuò)展，使上部荷載和作用得到一定的擴(kuò)散，從而滿足設(shè)計(jì)要求 。它具有良好的抗彎與抗剪性能，施工過(guò)程中不需要大開(kāi)挖，結(jié)構(gòu)的整體性好，力學(xué)模型建立簡(jiǎn)單且收斂性好，使用過(guò)程中安全可靠，適用范圍廣。但是，其基礎(chǔ)工程量較大，增加了工程造價(jià)，且對(duì)于土層要求較高，地基軟硬不均以及土質(zhì)較差的情況并不適用。

樁基礎(chǔ)通常采用灌注樁和預(yù)應(yīng)力混凝土樁，該基礎(chǔ)形式主要適用于地基軟硬不均以及土質(zhì)較差的情況。這種情況下上部結(jié)構(gòu)對(duì)變形的要求不能被滿足，通常會(huì)采用此基礎(chǔ)形式。該基礎(chǔ)形式具有承載力以及穩(wěn)定性好，基礎(chǔ)不均勻沉降小，抗震性以及抗爆性好，能適應(yīng)不良地質(zhì)災(zāi)害以及周邊的荷載變化等優(yōu)點(diǎn)。但是樁基礎(chǔ)在工程成本方面造價(jià)較高，其施工也較為復(fù)雜，并且在設(shè)計(jì)方面計(jì)算難度大。郭文文等[2]采用ABAQUS 有限元軟件進(jìn)行單樁基礎(chǔ)、圓盤式混合單樁基礎(chǔ)以及重力式圓盤基礎(chǔ)的模擬，模擬采用真實(shí)的環(huán)境設(shè)定，考慮土體與樁體的相互影響以及土體自身的彈塑性性能，并對(duì)其進(jìn)行承載力、剛度以及強(qiáng)度驗(yàn)算。模擬研究表明采用圓盤式混合單樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性及其各項(xiàng)承載能力都顯著提高。

巖石基礎(chǔ)包括巖石錨桿基礎(chǔ)和樁錨桿基礎(chǔ)，常用于大兆瓦風(fēng)機(jī)類型（大于1500KW），巖石層整體性較好的情況。當(dāng)巖石層分布不均勻時(shí)，不可采用此基礎(chǔ)類型。樁錨桿基礎(chǔ)可適用于地質(zhì)條件惡劣。例如，灘涂、淤泥層等地質(zhì)條件，但是當(dāng)土層塌陷性較大時(shí)會(huì)對(duì)樁成孔造成影響，需要進(jìn)一步技術(shù)處理。馬逸鵠等[3]提出了一種新型預(yù)應(yīng)力自鎖頭錨桿，通過(guò)自鎖頭和巖石間壓緊摩擦錨固，并通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力減小錨桿的疲勞應(yīng)力幅，其可代替?zhèn)鹘y(tǒng)巖石錨桿用作基礎(chǔ)和巖石間的錨固。通過(guò)4 組疲勞試驗(yàn)和靜力試驗(yàn)分析表明，其抗疲勞性能以及極限抗拔承載力顯著提高，可安全可靠的應(yīng)用于工程中 。Salcher 等[4]針對(duì)悉尼地鐵西北隧道工程進(jìn)行了巖石錨桿和錨索錨桿在砂巖和頁(yè)巖中的拉拔試驗(yàn)研究，研究采用端錨防腐蝕鋼螺栓，樹(shù)脂灌漿纖維增強(qiáng)塑料螺栓，水泥灌漿錨桿和摩擦錨桿進(jìn)行試驗(yàn)，探討錨桿類型、注漿劑、巖性、錨桿材料和鉆孔直徑對(duì)其抗拉拔性能的影響，并針對(duì)于施工過(guò)程中的問(wèn)題，例如灌漿部分密封，樹(shù)脂混合不足等提出了建議。

2.2 海上風(fēng)電基礎(chǔ)

海上風(fēng)電的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式主要包重力式基礎(chǔ)、三角架基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、筒型基礎(chǔ)、浮式基礎(chǔ)，最常用的形式為單樁基礎(chǔ)以及重力式基礎(chǔ)[5]。重力式基礎(chǔ)多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性及可靠性好，但是體積較大，造價(jià)較高且抗腐蝕性差。通常適用于海水深度低于十米的土質(zhì)較硬的淺海。單樁基礎(chǔ)通常是將一根鋼樁打入一定深度的海底，適用于深度不超過(guò)30m 的海域。其具有造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，雖然單樁成本較低，但是隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，海水的腐蝕性會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)造成很大影響，特別是處于海底地震帶時(shí)，結(jié)構(gòu)容易有倒塌風(fēng)險(xiǎn)。海上風(fēng)電基礎(chǔ)的受力非常復(fù)雜，在承受上部結(jié)構(gòu)傳遞的靜力荷載的同時(shí)，還要承受動(dòng)荷載和偶然荷載的作用，在選型時(shí)，海水深度、海床及地質(zhì)條件等是考量的關(guān)鍵。Byrne 等[6]針對(duì)于海上風(fēng)電基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法以及計(jì)算模型進(jìn)行了研究，由于荷載由風(fēng)荷載和波浪荷載組成，具有周期性。傳統(tǒng)的計(jì)算模型基于塑性理論，其二維加載以及單調(diào)加載兩方面仍然具有限制性，將傳統(tǒng)模型進(jìn)行調(diào)整，得到符合結(jié)構(gòu)構(gòu)件和環(huán)境條件的計(jì)算模型。

3 風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1 風(fēng)電基礎(chǔ)計(jì)算方法

目前根據(jù)風(fēng)電基礎(chǔ)的特點(diǎn)，其在計(jì)算時(shí)主要考慮荷載工況、結(jié)構(gòu)動(dòng)力及靜力、結(jié)構(gòu)沖刷及腐蝕等因素的影響。荷載工況主要包含風(fēng)機(jī)荷載和環(huán)境荷載，風(fēng)機(jī)荷載由葉輪靜風(fēng)壓荷載、湍流荷載、尾流荷載、發(fā)電機(jī)偏引荷載和機(jī)組重力荷載等[7]組成，此部分目前由生產(chǎn)廠家提供數(shù)據(jù)。環(huán)境荷載通常在海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)考慮，由波浪力產(chǎn)生的荷載以及海流力產(chǎn)生的荷載兩部組成。風(fēng)電基礎(chǔ)的計(jì)算主要包括靜力計(jì)算以及動(dòng)力計(jì)算兩部分，結(jié)構(gòu)靜力分析需要進(jìn)行基礎(chǔ)承載力、強(qiáng)度、變形以及穩(wěn)定性的計(jì)算；結(jié)構(gòu)動(dòng)力部分計(jì)算包括模態(tài)分析及疲勞分析等，主要考慮風(fēng)荷載的動(dòng)態(tài)特征。趙儉斌等[8]針對(duì)于風(fēng)電基礎(chǔ)疲勞損傷的計(jì)算方法進(jìn)行了分析比較，并以海上單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為例進(jìn)行疲勞分析，運(yùn)用全時(shí)域動(dòng)力分析模型以及頻域疲勞損傷計(jì)算流程分析了阻尼比取值、風(fēng)與波浪聯(lián)合作用、應(yīng)力幅概率分布模型對(duì)基礎(chǔ)疲勞損傷的影響。遲洪明等[9]利用三維有限元計(jì)算方法進(jìn)行了風(fēng)電基礎(chǔ)受力狀態(tài)分析，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果及已有破壞形態(tài)資料，分析得出其應(yīng)力集中區(qū)域并對(duì)其采取有效的加固措施。王其標(biāo)等[10]利用流函數(shù)波浪理論對(duì)近海風(fēng)電樁基礎(chǔ)進(jìn)行了分析，通過(guò)Morison 方程與P-y 曲線法對(duì)不同水深情況下的水平向受力性能進(jìn)行研究，分析風(fēng)電基礎(chǔ)的受力特點(diǎn)及變形規(guī)律。研究表明水深對(duì)樁基的承載力有直接影響，波浪計(jì)算模型的準(zhǔn)確有利于設(shè)計(jì)前期波浪力的有效估算，Morison 方程主要考慮了波浪作用，而對(duì)于海流與波浪的耦合作用需要進(jìn)一步分析。

3.2 風(fēng)電基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)

風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要包括基礎(chǔ)體型設(shè)計(jì)、承臺(tái)設(shè)計(jì)、樁基設(shè)計(jì)等方面?！敖Y(jié)構(gòu)優(yōu)化” 指的是在安全、合理的結(jié)構(gòu)形式下使結(jié)構(gòu)做到最經(jīng)濟(jì)，而不是只要把鋼筋混凝土用量降下來(lái)就算是優(yōu)化。在基礎(chǔ)體型設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)風(fēng)電基礎(chǔ)的荷載特性，通常采用中心對(duì)稱的圓形基礎(chǔ)。承臺(tái)設(shè)計(jì)需要考慮其半徑、埋深、厚度、配筋等影響因素，優(yōu)化承臺(tái)設(shè)計(jì)可有效減少工程量，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少工程造價(jià)。練繼建等[11]提出了一種應(yīng)用于海上風(fēng)電系統(tǒng)的新型牽索錨固式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)具有可適用于不同水深環(huán)境、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度可調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。采用正常運(yùn)行工況以及極端風(fēng)況兩種工況進(jìn)行研究，并以某工程為例，運(yùn)用單因素分析的方法得出索纜根數(shù)、索纜牽拉位置、索纜夾角等參數(shù)對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響。王剛等[12]對(duì)基礎(chǔ)的抗冰設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究分析，寒區(qū)海上風(fēng)電基礎(chǔ)處于結(jié)冰海域時(shí)，面臨諸多不確定因素，基于設(shè)計(jì)合理性驗(yàn)證監(jiān)測(cè)要素分析，建立了海上風(fēng)電基礎(chǔ)加錐抗冰分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)在我國(guó)北黃海某風(fēng)電場(chǎng)的工程應(yīng)用，確定了海冰與風(fēng)電基礎(chǔ)錐體結(jié)構(gòu)作用破碎行為，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)抗冰性能與抗冰設(shè)計(jì)合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）目前，全世界對(duì)于能源的保護(hù)意識(shí)不斷增強(qiáng)，清潔能源的推廣和應(yīng)用已成為一種必然的趨勢(shì)。風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源，是最具競(jìng)爭(zhēng)力的能源之一，基于我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的迅速發(fā)展，新型風(fēng)電基礎(chǔ)的研究具有很好的研究與應(yīng)用前景。

（2）風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考慮其影響因素。海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，由于海水的腐蝕，還需要對(duì)結(jié)構(gòu)的受腐蝕情況、海上土質(zhì)的復(fù)雜性與含鹽量對(duì)基礎(chǔ)的作用以及海上風(fēng)振對(duì)基礎(chǔ)的影響進(jìn)行考慮。