山地風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)

文 | 翟建軍

山地風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)

文 | 翟建軍

隨著風(fēng)電行業(yè)的迅速發(fā)展，陸上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量和塔架逐漸向超大、超高發(fā)展，單機(jī)重量和葉輪長(zhǎng)度隨之加重、加長(zhǎng)，基礎(chǔ)承受的豎向載荷較大而集中，葉輪承載的軸向風(fēng)荷載和地震作用引起的傾覆力矩成倍增長(zhǎng)。因此，對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提出了更高、更嚴(yán)的要求。

內(nèi)蒙古某風(fēng)電場(chǎng)位于阿盟南部賀蘭山西側(cè)，場(chǎng)區(qū)地勢(shì)相對(duì)較為平坦，場(chǎng)內(nèi)交通亦較為方便。場(chǎng)區(qū)地貌為丘陵、荒草地，地形起伏不大，海拔高度1400m－1500m，交通方便，具有良好的風(fēng)電建設(shè)條件。

風(fēng)電機(jī)組載荷及地質(zhì)資料參數(shù)

一、風(fēng)電機(jī)組荷載及相關(guān)參數(shù)

本工程擬用金風(fēng)GW100/2000-80m機(jī)型，風(fēng)電機(jī)組廠家提供的作用于樁基礎(chǔ)環(huán)頂面荷載及主要機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表1。

二、工程地質(zhì)資料

該地區(qū)根據(jù)建筑抗震設(shè)防分類為丙級(jí)，按結(jié)構(gòu)重要性分類安全等級(jí)為二級(jí)，地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，地震動(dòng)反映譜特征周期為0.45s，相對(duì)應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。屬中等復(fù)雜場(chǎng)地、地基等級(jí)為中等復(fù)雜地基；場(chǎng)地環(huán)境類別為Ⅲ類，工程區(qū)屬構(gòu)造基本穩(wěn)定區(qū)。

場(chǎng)址區(qū)地基巖土層可分為五層。第一層粉細(xì)砂層，工程地質(zhì)性質(zhì)差，不宜作為持力層。第二層礫砂層，工程地質(zhì)性質(zhì)一般，埋深大于3m時(shí)，可作為地基持力層。第三層角（圓）礫層，力學(xué)強(qiáng)度較高，工程地質(zhì)性質(zhì)良好，是較好的地基持力層。第四層砂質(zhì)粘土層，力學(xué)強(qiáng)度較高，埋深較大，是良好的持力層或持力層下臥層。第五層砂巖，全、強(qiáng)風(fēng)化帶工程地質(zhì)性質(zhì)一般，弱風(fēng)化巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)較好，是良好的基礎(chǔ)持力層或持力層下臥層。

場(chǎng)址地基土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性；對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具中等腐蝕性；對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。地處西北干旱地區(qū)，巖土體常年處于干燥狀態(tài)，地下水埋深很大，不具有砂土液化的條件。多年標(biāo)準(zhǔn)凍土深度為1.22m。

各土層的地基承載力特征值見(jiàn)表2。

表1　基礎(chǔ)設(shè)計(jì)用柱腳載荷（不含安全系數(shù)）

表2　地基巖土體力學(xué)性質(zhì)建議值

三、風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要控制指標(biāo)

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要控制指標(biāo)見(jiàn)表3。

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)體型設(shè)計(jì)

一、風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式選擇

目前國(guó)內(nèi)通行的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式主要有以下幾種：

機(jī)組基礎(chǔ)均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土獨(dú)立基礎(chǔ)。根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址工程地質(zhì)條件和地基承載力以及基礎(chǔ)荷載、尺寸大小不同，從結(jié)構(gòu)的形式看，常用的可分為塊狀基礎(chǔ)和框架式基礎(chǔ)兩種(如圖1示)；根據(jù)基礎(chǔ)與塔架機(jī)身連接方式又可分為地腳螺栓式和法蘭式筒式兩種類型基礎(chǔ)。前者塔架用螺母與尼龍彈墊平墊固定在地肢螺栓上，后者塔架法蘭與基礎(chǔ)段法蘭用螺栓對(duì)接。地腳螺栓式又分為單排螺栓、雙排螺栓、單排螺栓帶上下法蘭圈等。

表3　設(shè)計(jì)主要控制指標(biāo)表

表4　基礎(chǔ)體型尺寸表

根據(jù)本工程擬選用金風(fēng)GW100/2000-80m機(jī)型塔架設(shè)計(jì)安裝要求和風(fēng)電場(chǎng)實(shí)地地理地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)確定為鋼筋混凝土埋筒型淺埋基礎(chǔ)，基本體型為圓形塊狀基礎(chǔ)。

二、風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)《風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》（試行）FD003－2007，本階段主要對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行地基承載力復(fù)核、沉降變形驗(yàn)算、傾斜變形驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算和基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算。

（一）地基抗壓計(jì)算

1. 圓形擴(kuò)展基礎(chǔ)承受軸心荷載：

式中：pk—荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，擴(kuò)展基礎(chǔ)底面處平均壓力；

Nk—荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，上部結(jié)構(gòu)傳至擴(kuò)展基礎(chǔ)頂面豎向力修正標(biāo)準(zhǔn)值；Nk＝k0Fzk；

k0—荷載修正安全系數(shù)，取1.35；

Gk—荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，擴(kuò)展基礎(chǔ)自重和擴(kuò)展基礎(chǔ)上覆土重標(biāo)準(zhǔn)值；

A—擴(kuò)展基礎(chǔ)底面積，A＝bl；

bl—基底面寬度、長(zhǎng)度；

2. 圓形擴(kuò)展基礎(chǔ)在核心區(qū)（e≤b/6）內(nèi)，承受偏心荷載作用：

式中：pkmax—荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，擴(kuò)展基礎(chǔ)底面邊緣最大壓力值；

pkmin—荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，擴(kuò)展基礎(chǔ)底面邊緣最小壓力值；

Mk—荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，上部結(jié)構(gòu)傳至擴(kuò)展基礎(chǔ)頂面力矩合力修正標(biāo)準(zhǔn)值，Mk＝k0Mrk；

Hk—荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，上部結(jié)構(gòu)傳至擴(kuò)展基礎(chǔ)頂面水平合力修正標(biāo)準(zhǔn)值，Hk＝k0Frk；

e—合力作用點(diǎn)的偏心距；

W—基礎(chǔ)底面的抵抗矩；

hd—基礎(chǔ)環(huán)頂標(biāo)高至基礎(chǔ)底面的高度。

3.當(dāng)擴(kuò)展基礎(chǔ)在核心區(qū)（e＞b/6）以外承受偏心荷載，且基底脫開(kāi)基土面積不大于全部面積的1/4 時(shí)，圓形擴(kuò)展基礎(chǔ)單獨(dú)承受偏心荷載（圖2）時(shí)，擴(kuò)展基礎(chǔ)底面壓力可按下列公式計(jì)算：

式中：Pmax為極端載荷基底壓力；F＋G為偏心荷載；R為基礎(chǔ)半徑；τ、ξ為與e/R有關(guān)的系數(shù)；ac為基底與土的接觸長(zhǎng)度。

（二）地基沉降變形計(jì)算

計(jì)算地基沉降時(shí)，地基內(nèi)的應(yīng)力分布，可采用各向同性均質(zhì)線性變形體理論假定。其最終沉降值可按下式計(jì)算：

式中：s—地基最終沉降值；

s'—按分層總和法計(jì)算出的地基沉降值；

ψs—沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；

n—地基沉降計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；

p0k—荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，擴(kuò)展基礎(chǔ)底面處的附加壓力，根據(jù)基底實(shí)際受壓面積（As＝bsl）計(jì)算；

（三）地基穩(wěn)定計(jì)算

1.抗滑穩(wěn)定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面上的抗滑力與滑動(dòng)力應(yīng)滿足下式要求：

表5　 基底最大壓力計(jì)算系數(shù)τ、ξ表

式中：FR－荷載效應(yīng)基本組合下，抗滑力；

FS－荷載效應(yīng)基本組合下，滑動(dòng)力修正值；

其中：式（9）適用于正常荷載工況、極端荷載工況、多遇地震工況，式（10）僅適用于罕遇地震工況。

2.沿基礎(chǔ)底面的抗傾覆穩(wěn)定計(jì)算，其最危險(xiǎn)計(jì)算工況應(yīng)滿足下式要求：

式中：MR—荷載效應(yīng)基本組合下，抗傾力矩；

MS—荷載效應(yīng)基本組合下，傾覆力矩修正值；

其中：式（11）適用于正常荷載工況、極端荷載工況、多遇地震工況，式（12）僅適用于罕遇地震工況。

（四）計(jì)算成果

通過(guò)計(jì)算，所選機(jī)型基礎(chǔ)計(jì)算成果見(jiàn)表6。

表6　金風(fēng)GW100/2000-80m的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)計(jì)算成果表

結(jié)論

由表6可知，金風(fēng)GW100/2000-80m型機(jī)組塔架基礎(chǔ)工程量（單臺(tái)）：土石方開(kāi)挖量1562m3、回填量898m3，基礎(chǔ)C40混凝土量549m3、基礎(chǔ)C20墊層混凝土量42m3、鋼筋量57.6t、防腐面積325m2；塔架基礎(chǔ)承載力、沉降變形和穩(wěn)定均滿足設(shè)計(jì)要求。

（作者單位：內(nèi)蒙古阿拉善銀星風(fēng)力發(fā)電有限公司）