松軟地層某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

侯彬

摘要：風(fēng)力發(fā)電是最有競(jìng)爭(zhēng)力的替代能源，已經(jīng)成為全球能源領(lǐng)域的最佳投資方向之一。風(fēng)力發(fā)電朝著高塔筒、大容量、長(zhǎng)葉片的方向發(fā)展，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提出更高的要求。本文結(jié)合工程實(shí)例，探討了松軟地層中PHC預(yù)應(yīng)力管樁承臺(tái)基礎(chǔ)的選擇、布置與計(jì)算，并通過樁基試驗(yàn)與檢測(cè)，驗(yàn)證了PHC預(yù)應(yīng)力管樁承臺(tái)基礎(chǔ)的可行性，以期為以后同類工程的設(shè)計(jì)提供可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：松軟地層;風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;基礎(chǔ)設(shè)計(jì);預(yù)應(yīng)力管樁

The Foundation Design of a Wind Farm in Soft Ground

HOU Bin

（Wuling Power Co.， Ltd.， Changsha， Hunan Province， 410004 China）

Abstract：Wind power is the most competitive alternative energy and has become one of the best investment directions in the global energy field. Wind power generation is developing towards the direction of high tower， large capacity and long blades， which puts forward higher requirements for the design of wind turbine foundation. Combined with engineering examples， this paper discusses the selection， layout and calculation of PHC prestressed pipe pile cap foundation in soft ground， and verifies the feasibility of PHC prestressed pipe pile cap foundation through pile foundation test and detection， which was expected to provide reference experience for the design of similar projects in the future.

Key Words： Soft ground; Wind turbine; Foundation design; Prestressed pipe pile

近年來，作為應(yīng)對(duì)能源短缺和氣候變化雙重挑戰(zhàn)的重要手段，發(fā)展以風(fēng)能、太陽能為代表的新能源得到了世界各國(guó)的普遍重視。2019年，全球新增風(fēng)電裝機(jī)容量超過60 GW，同比增長(zhǎng)19%，累計(jì)裝機(jī)達(dá)到650 GW。中國(guó)作為全球最大的風(fēng)電市場(chǎng)，2019年僅陸上風(fēng)電新增投產(chǎn)容量就達(dá)23.8 GW，累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)230 GW。隨著風(fēng)電平價(jià)上網(wǎng)的實(shí)施，風(fēng)電設(shè)備也朝著高塔筒、大容量、長(zhǎng)葉片的方向發(fā)展，風(fēng)電設(shè)備的發(fā)展在提升風(fēng)能利用效率的同時(shí)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承受的上部荷載也越來越大，對(duì)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。本文以國(guó)內(nèi)某平原風(fēng)場(chǎng)為例，介紹了松軟地層風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，對(duì)類似風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)提供一定的借鑒。

1 概述

某風(fēng)電場(chǎng)位于安徽省宿州市境內(nèi)，總裝機(jī)規(guī)模49.5MW，安裝17臺(tái)單機(jī)容量為3MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（其中一臺(tái)限發(fā)1.5MW），輪轂中心高度130m。風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)自然地面以下40m范圍內(nèi)各土層的埋藏條件及工程地質(zhì)特性如下：

①₁層人工填土：灰黃、褐黃色，稍濕，可塑，性質(zhì)不均。素填土，主要成分為粘性土，厚度變化較大，一般層厚1.0～2.0m。

①₂層粉質(zhì)粘土：灰褐色、灰黃色，濕，可塑，混少量鈣質(zhì)結(jié)核，含植物根莖，一般層厚0.5～1.9m。

②層粉質(zhì)粘土：灰黃色，稍濕，硬可塑，局部硬塑，含氧化鐵錳質(zhì)，干強(qiáng)度中等、韌性中等，層厚0.9～4.7m，一般層厚約2.5m。

③₁層粉砂：灰黃色，飽和，中密～密實(shí)，該層局部分布，層厚1.6～6.2m，一般層厚約4.0m。

③₂層粉質(zhì)粘土：灰黃色，濕，可塑～硬塑，含少量氧化鐵錳質(zhì)，性質(zhì)不均，該層局部缺失，層厚0.9～6.4m，一般層厚約4.0m。

④層粉質(zhì)粘土：肉紅色，稍濕，硬塑，含氧化鐵錳質(zhì)，干強(qiáng)度中等、韌性中等，層厚1.7～6.6m，一般層厚約4.5m，可作為短樁的樁端持力層。

⑤層粉質(zhì)粘土：灰黃色，稍濕，可塑～硬塑，性質(zhì)不均，夾層狀、薄層狀中密～密實(shí)粉土，個(gè)別深度夾有30-40cm厚的粉土層，層厚2.3～10.3m，一般層厚約7.3m，可作為端承摩擦樁的持力層。

⑥₁層粉質(zhì)粘土：灰黃色、褐黃色，稍濕，硬塑，局部堅(jiān)硬，含少量氧化鐵錳質(zhì)，層厚2.1～4.4m，一般層厚約3.2m，層頂深度約17.1～24.2m，是本工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)良好的樁端持力層。

⑥₂層粉質(zhì)粘土：褐黃色、灰黃色，稍濕，硬塑～堅(jiān)硬，含氧化鐵錳質(zhì)，干強(qiáng)度中等、韌性中等，層厚6.3～9.1m，一般層厚約7.6m，層頂深度約21.5～26.0m，是本工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)良好的樁端持力層。

⑥₃層粉質(zhì)粘土：灰黃色、灰白色，稍濕，硬塑～堅(jiān)硬，含氧化鐵錳質(zhì)，干強(qiáng)度中等、韌性中等，混少量鈣質(zhì)結(jié)核，粒徑1～4cm，層頂深度約30.0～33.5m。

本風(fēng)電場(chǎng)工程規(guī)模為中型，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量3MW，輪轂中心高度130m，風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)，抗震設(shè)防烈度為7°，根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），風(fēng)電場(chǎng)區(qū)場(chǎng)地基本地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.40s，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，按抗震設(shè)防烈度為7度時(shí)，判定擬建風(fēng)電場(chǎng)區(qū)淺部③₁粉細(xì)砂不會(huì)發(fā)生液化 ^[1]。

2 荷載計(jì)算

目前，陸上風(fēng)電機(jī)組的上部荷載主要還是由風(fēng)電機(jī)組廠家提供，本工程風(fēng)電機(jī)組的上部荷載標(biāo)準(zhǔn)值（不含安全系數(shù)）見表2。

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)所受上部結(jié)構(gòu)的荷載主要為垂直力、水平力、彎矩及扭矩，其中水平力和彎矩均很大，且變化復(fù)雜，同時(shí)考慮荷載模型偏差等因素，設(shè)計(jì)中應(yīng)采用修正安全系數(shù)k₀，k₀值為1.35。

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)嚴(yán)格按《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定（試行）》（FD003-2007）等現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的荷載應(yīng)根據(jù)不同荷載組合情況下的極端荷載工況、正常運(yùn)行荷載工況、多遇地震工況、罕遇地震工況等各種工況進(jìn)行計(jì)算。極端荷載工況包括上部塔架結(jié)構(gòu)傳來的極端荷載效應(yīng)，疊加基礎(chǔ)承受的其他有關(guān)荷載;正常運(yùn)行荷載工況包括上部塔架結(jié)構(gòu)傳來的正常運(yùn)行荷載效應(yīng)，疊加基礎(chǔ)承受的其他有關(guān)荷載;多遇地震工況包括上部塔架結(jié)構(gòu)傳來的正常運(yùn)行荷載效應(yīng)，疊加多遇地震作用和基礎(chǔ)承受的其他有關(guān)荷載;罕遇地震工況包括上部塔架結(jié)構(gòu)傳來的正常運(yùn)行荷載效應(yīng)，疊加罕遇地震作用和基礎(chǔ)承受的其他有關(guān)荷載^[2]。相關(guān)荷載分項(xiàng)系數(shù)見表3。

3 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

3.1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

風(fēng)機(jī)塔架高130m，屬于高聳構(gòu)筑物，其中上部結(jié)構(gòu)包括風(fēng)機(jī)塔架、發(fā)電機(jī)組和葉輪等。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，主要荷載包括：慣性力、空氣動(dòng)力荷載、運(yùn)行荷載及其他荷載。風(fēng)機(jī)塔架作用在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)頂面的主要荷載為垂直力、水平力、彎矩及扭矩，其中水平力和彎矩均很大。一般情況下，風(fēng)機(jī)塔架所受的靜力荷載較為明確，塔架對(duì)基礎(chǔ)造成的影響也比較容易確定，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉輪旋轉(zhuǎn)及風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的動(dòng)荷載則比較復(fù)雜，對(duì)基礎(chǔ)的影響也要復(fù)雜的多。目前主流風(fēng)機(jī)塔筒高度一般都超過90m，水平風(fēng)荷載在基礎(chǔ)頂面產(chǎn)生的彎矩很大，同時(shí)風(fēng)電機(jī)組對(duì)塔架的傾斜度十分敏感，水平風(fēng)荷載往往是風(fēng)機(jī)機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的控制性荷載。由于風(fēng)向的變化莫測(cè)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)所受到的彎矩作用方向也反復(fù)變化，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)基底受到的拉壓作用也反復(fù)變化，很可能造成風(fēng)機(jī)地基基礎(chǔ)的承載力的減損和位移的累積。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的這些特點(diǎn)，對(duì)設(shè)計(jì)工作提出了更高的要求，在滿足風(fēng)機(jī)機(jī)組承載力的要求外，還要嚴(yán)格控制風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的水平位移和不均勻沉降^[3-4]。

3.2 基礎(chǔ)選型

風(fēng)電機(jī)組主要的基礎(chǔ)型式有：擴(kuò)展基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和巖石錨桿基礎(chǔ)，基礎(chǔ)型式的選擇一般應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)場(chǎng)地的地基條件和風(fēng)電機(jī)組上部塔架結(jié)構(gòu)對(duì)基礎(chǔ)的要求綜合確定，必要時(shí)還需進(jìn)行試算，為進(jìn)一步提升項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性，一般還要開展技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比選。當(dāng)天然地基為軟弱土層或高壓縮性土層等承載力較低的地基時(shí)，天然地基不滿足上部結(jié)構(gòu)物荷載作用下的強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性的要求，采用樁基礎(chǔ)是技術(shù)經(jīng)濟(jì)較優(yōu)的技術(shù)方案。

根據(jù)本風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，場(chǎng)地上覆第四系地層結(jié)構(gòu)松散，主要為耕植土、粉質(zhì)黏土，地基工程性質(zhì)較差，強(qiáng)度較低，土層厚度較大，不能滿足重要建（構(gòu)）筑物對(duì)其強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性的要求，因此風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)宜優(yōu)先考慮采用承臺(tái)樁基礎(chǔ)^[5-6]。

目前在風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用較多且技術(shù)較成熟的樁基礎(chǔ)形式主要有預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PHC預(yù)應(yīng)力管樁）基礎(chǔ)及鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。根據(jù)工程場(chǎng)地地基土的特性及分布情況，樁型可考慮采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁、灌注樁等。

3.3 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

（1）直徑0.8m灌注樁

初步擬定該型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用28根直徑為800mm的鋼筋混凝土灌注樁，樁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，樁長(zhǎng)24m，分兩圈布置，從外往內(nèi)，第一圈16根，第二圈12根。承臺(tái)采用C40混凝土，基礎(chǔ)分上、中、下三部分，上部為圓柱體，高1.0m，直徑為7.6m;中部為圓形臺(tái)柱體，頂面直徑7.6m，底面直徑19.0m，高1.4m;下部為圓柱體，直徑為19.0m，高1.0m，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承臺(tái)埋深為3.0m。單臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土方量為542.5m³。單根灌注樁混凝土方量為12.06m³，單個(gè)基礎(chǔ)灌注樁混凝土方量為337.78m³。

基礎(chǔ)布置圖見圖1。

（2）PHC預(yù)應(yīng)力管樁

初步擬定該型風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用38根直徑為600mm的PHC預(yù)應(yīng)力管樁，樁長(zhǎng)22m，分兩圈布置，從外往內(nèi)，第一圈22根，第二圈16根。承臺(tái)采用C40混凝土，基礎(chǔ)分上、中、下三部分，上部為圓柱體，高1.0m，直徑為7.6m;中部為圓形臺(tái)柱體，頂面直徑7.6m，底面直徑19.0m，高1.4m;下部為圓柱體，直徑為19.0m，高1.0m，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承臺(tái)埋深為3.0m。單臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土方量為542.5m³。

基礎(chǔ)布置圖見圖2。

3.4 樁基計(jì)算

風(fēng)電機(jī)組樁基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)，采用考慮承臺(tái)與樁協(xié)同工作的彈性抗力計(jì)算方法，計(jì)算時(shí)采用北京木聯(lián)能軟件技術(shù)有限公司開發(fā)的《CFD風(fēng)電工程軟件-機(jī)組塔架地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件》（V6.1）計(jì)算^[7]。

對(duì)直徑0.8m灌注樁單樁豎向抗壓、抗拔、水平承載力進(jìn)行計(jì)算，單樁豎向承載力為2413.55kN，單樁抗拔承載力為1613.08kN，單樁水平承載力187.99kN，滿足規(guī)范要求。

對(duì)PHC預(yù)應(yīng)力管樁單樁豎向抗壓、抗拔、水平承載力進(jìn)行計(jì)算，單樁豎向承載力為2127.01kN，單樁抗拔承載力為908.14kN，單樁水平承載力57.64kN，滿足規(guī)范要求。

3.5 樁基方案比選

由于兩種樁型的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)承臺(tái)都一樣，故只需對(duì)樁的工程量及造價(jià)進(jìn)行比較。

從上表可以看出，同等條件下采用直徑PHC預(yù)應(yīng)力管樁造價(jià)較低。

近年來，PHC預(yù)應(yīng)力管樁在我國(guó)使用廣泛，PHC預(yù)應(yīng)力管樁可對(duì)天然土體進(jìn)行擠密，擠密可以提高淺層土質(zhì)的承載力，同時(shí)可以充分利用淺層土體的側(cè)摩阻，單樁承載力有保證;PHC預(yù)應(yīng)力管樁為工廠預(yù)制生產(chǎn)，產(chǎn)品化程度較高，質(zhì)量容易保證;施工工序較為簡(jiǎn)捷，打（壓）樁速度較快，成樁較為迅速，不需要進(jìn)行泥漿護(hù)壁，施工場(chǎng)地整潔，不存在交叉作業(yè)，不需進(jìn)行樁體養(yǎng)護(hù)，工程的質(zhì)量和施工進(jìn)度容易保證，可大幅度提高整體施工進(jìn)度;樁身混凝土強(qiáng)度為C80，樁身混凝度密實(shí)性較好，并且施加預(yù)應(yīng)力，按不出現(xiàn)裂縫進(jìn)行設(shè)計(jì)，適應(yīng)腐蝕性環(huán)境。

因此，本項(xiàng)目推薦采用直徑600mm PHC預(yù)應(yīng)力管樁承臺(tái)基礎(chǔ)方案。

4 樁基試驗(yàn)及檢測(cè)

根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，勘探深度內(nèi)地基土層大部分均混有鈣質(zhì)結(jié)核物，粒徑0.5～4cm，可能對(duì)PHC預(yù)應(yīng)力管樁的沉樁造成困難。為確保成樁效果，確定風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)單樁承載力，本工程在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工前，委托試樁單位進(jìn)行了PHC預(yù)應(yīng)力管樁試樁工作。

試樁選取10#、17#風(fēng)機(jī)機(jī)位中心各打3根試驗(yàn)樁（機(jī)位正中心1根、另2根在左右兩側(cè)間距2.0m處，3根樁在同一直線上）進(jìn)行抗壓、抗拔、水平力靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)樁類型為PHC 600 AB 130，十字型樁尖。允許接一次樁，上下兩段樁長(zhǎng)相差不宜超過4m。考慮采用錘擊法沉樁，重錘輕擊，開始時(shí)采用較小落距，入土一定深度且樁身穩(wěn)定后，再按設(shè)計(jì)要求落距進(jìn)行錘擊。接樁采用鋼端板焊接法進(jìn)行，樁段頂端距地面1m左右時(shí)進(jìn)行焊接接樁，接樁一般在樁尖穿過較硬的土層后再進(jìn)行，接樁時(shí)上下段樁的中心線偏差按照不大于2mm控制，節(jié)點(diǎn)彎曲矢高不得大于樁段長(zhǎng)度的0.1%。停錘標(biāo)準(zhǔn)以標(biāo)高控制為主，并按最后一陣10擊總貫入度達(dá)到50mm時(shí)即可停錘。

承載力檢測(cè)試驗(yàn)在試驗(yàn)樁沉樁完成后15天后進(jìn)行。單樁水平靜載荷試驗(yàn)采用單向多循環(huán)加卸載法，取預(yù)估水平極限承載力的1/10作為每級(jí)荷載的增量。每級(jí)荷載施加后，恒載4min后可測(cè)讀水平位移，然后卸載至零，卸載后等待2min測(cè)讀殘余水平位移，以上便為一個(gè)加卸載循環(huán)。循環(huán)5次，則完成一級(jí)荷載的位移觀測(cè)。

單樁抗拔靜載荷試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，每級(jí)加載量宜為預(yù)估極限荷載的1/10，每級(jí)荷載施加后按第5、15、30、45、60min測(cè)讀一次，以后每隔30min測(cè)讀一次。每一小時(shí)內(nèi)的樁頂上拔量不超過0.1mm，并連續(xù)出現(xiàn)兩次時(shí)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。

單樁豎向抗壓靜載荷試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，，每級(jí)加載量宜為預(yù)估極限荷載的1/10，每級(jí)加載后，每第5、15、30、45、60min各測(cè)讀一次，以后每隔30min測(cè)讀一次。在每級(jí)荷載作用下，樁的沉降量每小時(shí)沉降小于0.1mm出現(xiàn)兩次可視為穩(wěn)定。

樁基單樁承載力設(shè)計(jì)與試驗(yàn)情況見表5。

綜上可知，采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁方案，粒徑1～4cm鈣質(zhì)結(jié)核不影響沉樁施工，可以保證成樁效果，單樁承載力滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

5 結(jié)語

根據(jù)以上工程實(shí)踐可以看出，在平原地區(qū)松軟地層厚度較大不適宜采用擴(kuò)展基礎(chǔ)時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基礎(chǔ)采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁是經(jīng)濟(jì)技術(shù)較為合適的方案。樁基沉樁試驗(yàn)和檢測(cè)結(jié)果均表明，樁基承載力可以滿足各種工況下風(fēng)機(jī)塔架上部結(jié)構(gòu)的承載要求。通過本工程的設(shè)計(jì)探討，為以后松軟地層地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)機(jī)組的工程設(shè)計(jì)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，希望可為同類工程設(shè)計(jì)提供一些參考與借鑒。

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