中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 陽(yáng)東義 黃 婕 祁林攀 田永進(jìn) 張亞偉
在國(guó)家政策鼓勵(lì)以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點(diǎn),加快推進(jìn)大型風(fēng)電基地建設(shè)的大背景下,風(fēng)力發(fā)電工程項(xiàng)目建設(shè)已愈來(lái)愈近的向沙漠及邊緣地區(qū)擴(kuò)展。對(duì)于如何在當(dāng)?shù)靥厥獾臍庀髼l件、地質(zhì)特性和沙害等不利因素影響下,科學(xué)地進(jìn)行風(fēng)機(jī)地基及基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型,研究切實(shí)可行的施工技術(shù),確保風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的安全性和穩(wěn)定性,國(guó)內(nèi)缺乏類(lèi)似的工程實(shí)踐和理論研究,是亟待解決的工程技術(shù)問(wèn)題。
本文的研究背景項(xiàng)目的場(chǎng)址位于內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗敖倫布拉格鎮(zhèn)境內(nèi),是一個(gè)以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為重點(diǎn)的大型風(fēng)電基地項(xiàng)目,本文的研究成功解決了沙漠區(qū)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工難題,提高了設(shè)計(jì)方案的合理和施工方案的可施工性。促進(jìn)了設(shè)計(jì)和施工過(guò)程的一體化化融合,經(jīng)濟(jì)效益顯著,極大的節(jié)省了工程建設(shè)成本,能為后續(xù)沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工提供經(jīng)驗(yàn)參考[1-2]。
本文研究項(xiàng)目位于內(nèi)蒙古阿拉善盟阿拉善左旗,裝機(jī)容量為402.6MW,項(xiàng)目布置122臺(tái)3.3MW風(fēng)機(jī),新建一座220kV 升壓站以1回220kV 架空線路接入500kV 浩雅匯集站,再通過(guò)上海廟至山東±800kV 特高壓直流線路送入山東電網(wǎng)進(jìn)行消納。風(fēng)機(jī)機(jī)組型號(hào)為CWT3300-D165-H100,葉輪直徑為165m,輪轂高度為100m,機(jī)組類(lèi)型為IEC IIIC。場(chǎng)址西側(cè)毗鄰巴丹吉林沙漠,分布有平緩沙地和南北向展布的沙丘,氣候干燥、風(fēng)沙大、降雨量稀少、地表植被稀疏、低矮或無(wú)植被。
針對(duì)該400MW 風(fēng)電項(xiàng)目沙漠區(qū)域的特殊地質(zhì)和施工條件,本文對(duì)代表性砂層的力學(xué)特性進(jìn)行了分析,研究風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)底部持力層位于沙漠地區(qū)代表性砂層時(shí),如何克服其不利的力學(xué)特性,在傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)擴(kuò)展基礎(chǔ)的型式上進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn),提出安全可靠的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案。以此為依據(jù),研究并提出適合沙漠地區(qū)的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工關(guān)鍵技術(shù),創(chuàng)造性的采用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基的方式來(lái)研究解決此棘手技術(shù)問(wèn)題,試驗(yàn)通過(guò)預(yù)應(yīng)力管樁與砂層形成復(fù)合地基的可施工性和力學(xué)可行性,以滿足項(xiàng)目建設(shè)需要,形成沙漠地區(qū)的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工關(guān)鍵技術(shù)研究成果[3]。
本項(xiàng)目沙丘區(qū)風(fēng)機(jī)區(qū)域東側(cè)緊鄰巴丹吉林沙漠移動(dòng)沙丘,場(chǎng)址區(qū)地勢(shì)有較小起伏,地面高程為1520~1580m,地貌為半固定沙丘,地形坡度一般1.0%~2.5%。根據(jù)《工程地質(zhì)勘察報(bào)告》,工程地基巖土主要為第四系風(fēng)積中細(xì)砂層,厚10~30m,第三系泥巖、砂礫巖。地基處理時(shí),對(duì)厚度較大的砂層一般可采用換填處理,或采用樁端進(jìn)入密實(shí)砂層一定深度的水泥攪拌樁、旋噴樁;但換填處理工程量過(guò)大,水泥攪拌樁地基當(dāng)天然含水量小于30%時(shí)不宜采用粉體攪拌法,沙丘區(qū)地下水位總體埋藏深度較大,施工取水難度大。據(jù)地質(zhì)調(diào)查與勘探揭露的地層,工程區(qū)地基土主要為第四系風(fēng)積砂層,厚度10~30m 不等、中密-密實(shí)。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察和鉆芯取樣結(jié)果,項(xiàng)目場(chǎng)址區(qū)編號(hào)為SN13、SN14、SN15、SN16、SN41、SN42的風(fēng)機(jī)機(jī)位處于沙漠區(qū)域。沙丘區(qū)沙層總體可分為兩層:一層稍密-中密中細(xì)砂。一般分布于沙丘淺表層,厚度2~4m 不等;二層為密實(shí)中細(xì)砂,標(biāo)貫擊數(shù)一般30~50擊,最大擊數(shù)超過(guò)50擊,分布在稍密-中密的中細(xì)砂之下,形成年代較久。通過(guò)標(biāo)貫貫入試驗(yàn),2m 以下砂層擊數(shù)均大于15擊(液化臨界擊數(shù)),不具液化特性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察,結(jié)合土工試驗(yàn)成果資料,提出地基土物理力學(xué)參數(shù)建議值如表1所示。沙漠邊緣地帶典型機(jī)位地層自上而下分布有細(xì)砂和礫砂等,穩(wěn)定性、粘結(jié)性和承載力等力學(xué)性能較差[4]。
表1 地基巖土體物理上力學(xué)參數(shù)建議值
場(chǎng)址區(qū)地下水類(lèi)型主要為第四系松散堆積層孔隙性潛水,孔隙性潛水主要賦存于風(fēng)積砂層孔隙中。場(chǎng)址區(qū)地下水主要接受大氣降水和遠(yuǎn)山地下水補(bǔ)給,排泄于沖溝及湖泊中。沙丘區(qū)地下水位總體埋藏深度較大,地下水位埋藏深度10~21m,調(diào)查地下水位的變化幅度3m。地下水位較深,對(duì)此次研究基本無(wú)影響。
按傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理念,將常規(guī)的風(fēng)機(jī)擴(kuò)展基礎(chǔ)底部持力層直接坐落在力學(xué)性能較差的細(xì)砂層上,從理論上講不能確保風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的安全性和穩(wěn)定性,須在風(fēng)機(jī)擴(kuò)展基礎(chǔ)底部設(shè)計(jì)混凝土灌注樁群樁基礎(chǔ),樁基穿透細(xì)砂層,打入下部基巖或其它適宜作為持力層的土層中。然而,沙漠地區(qū)往往砂層很厚(10~30m),灌注樁穿透至下部可持力地層的代價(jià)很高,一方面灌注樁混凝土施工工程量很大,另一方面由于樁長(zhǎng)很長(zhǎng),灌注樁成孔困難往往需要泥漿護(hù)壁工藝,將導(dǎo)致工程成本飆升。
初選方案擬采用勁性復(fù)合樁基、又稱(chēng)水泥土攪拌復(fù)合樁,對(duì)風(fēng)機(jī)擴(kuò)展基礎(chǔ)底部持力砂層進(jìn)行加強(qiáng)形成復(fù)合地基。利用在大直徑水泥土樁中植入高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁(PHC),使水泥土樁與管樁復(fù)合在一起形成一種新型基樁。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn),通過(guò)對(duì)樁徑的比選確定管樁選用PHC500AB100型號(hào)。
根據(jù)《水泥土復(fù)合管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 330-2014)對(duì)水泥土樁直徑與管樁直徑的要求,確定水泥土樁直徑為0.9m。水泥土樁水泥摻量不宜小于被加固土質(zhì)量的20%,樁的布置需滿足基樁最小中心距的要求,根據(jù)《水泥土復(fù)合管樁基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 330-2014)要求進(jìn)行樁的布置設(shè)計(jì)。經(jīng)試算基礎(chǔ)在承臺(tái)底部需布設(shè)基樁28根,分兩圈布置,第一圈布置8根、分布半徑為5.6m,第二圈布置20根、分布半徑為8.4m。根據(jù)地勘報(bào)告,細(xì)砂層下部為強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖或者泥巖,承載力較高。因此以強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖或者泥巖為樁端持力層,樁端進(jìn)入持力層2.5d。
以此方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)樁基施工試驗(yàn),邊鉆孔邊旋噴水泥漿至設(shè)計(jì)深度后,進(jìn)行高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁沉樁作業(yè)。此時(shí)發(fā)現(xiàn)管樁沉樁困難,直至樁頭打爆樁頂標(biāo)高仍遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)研究分析,判斷由于注入水泥漿攪拌后,砂層下沉導(dǎo)致孔底沉渣過(guò)多形成阻塞效應(yīng),導(dǎo)致管樁沉樁越往下越困難,無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)深度。另外,由于設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為18m,預(yù)制管樁須分段打入和現(xiàn)場(chǎng)接樁,由于存在接樁時(shí)間影響,水泥土存在凝結(jié)硬化問(wèn)題,無(wú)法執(zhí)行完整方案。初選方案即勁性復(fù)合樁基方案試驗(yàn)不成功。
初選方案的沉樁試驗(yàn)情況表明,水泥土攪拌復(fù)合樁基并不適用于本課題項(xiàng)目沙漠區(qū)域的特殊地質(zhì)條件,須對(duì)地質(zhì)勘察結(jié)果重新進(jìn)行分析,研究、判斷和提出新的解決方案。依據(jù)地勘結(jié)果,風(fēng)機(jī)擴(kuò)展基礎(chǔ)底部地層為細(xì)砂層,承載力特征值fak=120kPa,標(biāo)貫擊數(shù)一般30~50擊,最大擊數(shù)超過(guò)50擊,不具液化特性。考慮初選方案沉樁困難的事實(shí),并重新對(duì)砂層的力學(xué)性能進(jìn)行研究,擬判斷初選設(shè)計(jì)方案對(duì)于沙漠區(qū)砂層的力學(xué)性能和地質(zhì)特征估計(jì)過(guò)于保守。為了驗(yàn)證這一猜想,在初選方案試樁機(jī)位的其它樁位,不進(jìn)行水泥土攪拌、直接進(jìn)行預(yù)應(yīng)力管樁沉樁,發(fā)現(xiàn)預(yù)制管樁最深可以沉入8m左右。
經(jīng)過(guò)綜合分析和研判,決定采用取消水泥土攪拌樁、直接在風(fēng)機(jī)擴(kuò)展基礎(chǔ)底部布設(shè)預(yù)應(yīng)力管樁群樁基礎(chǔ)的形式進(jìn)行復(fù)合地基處理作為改進(jìn)方案,亦即采用“預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基”方案進(jìn)行試驗(yàn)?!邦A(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基”試驗(yàn)方案采取直接在風(fēng)機(jī)擴(kuò)展基礎(chǔ)底部布設(shè)預(yù)應(yīng)力管樁群樁基礎(chǔ)的型式進(jìn)行復(fù)合地基處理,選用的高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁型號(hào)為PHC-400-AB-95,樁長(zhǎng)6m、強(qiáng)度C80,在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)底部呈梅花形布置40根。通過(guò)計(jì)算復(fù)合地基承載力的特征值≥180kPa[4],滿足風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)對(duì)地基承載力的要求。預(yù)應(yīng)力管樁直接采用錘擊沉樁方式,柴油錘型選用D100,沖程1.8~2.3m,采用經(jīng)緯儀進(jìn)行垂直度控制。
在SN13機(jī)位實(shí)施打樁試驗(yàn),按照設(shè)計(jì)方案,樁底須沉入地面以下9.55m。打樁試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),樁底沉樁深度臨近5.5m 時(shí)樁頭打爆,距離設(shè)計(jì)要求的高程還差4.05m,試樁入土效果如圖1所示。由于樁基入土深度不夠,雖然達(dá)到了停錘標(biāo)準(zhǔn),但可能單樁承載力無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求,須對(duì)打樁施工工藝進(jìn)行改進(jìn)。
圖1 試樁入土效果示意圖
綜合考慮砂層的力學(xué)特性,研究決定對(duì)打樁施工工藝增加預(yù)鉆孔沉樁的輔助措施,預(yù)鉆孔孔徑比樁徑小50mm,深度按樁長(zhǎng)的1/2(3m)控制,隨鉆隨打。經(jīng)多方調(diào)查,確定采用長(zhǎng)螺旋鉆進(jìn)行改裝,5節(jié)2m 鉆桿(1根備用)、外徑350mm,護(hù)筒1個(gè)、木質(zhì)蓋板1個(gè)。長(zhǎng)螺旋鉆鉆孔,提升后反轉(zhuǎn)棄土,蓋板和護(hù)筒可以有效防止棄土滑落鉆孔,經(jīng)在SN13風(fēng)機(jī)機(jī)位平臺(tái)下鉆3~4m,提鉆時(shí)全部存在孔內(nèi)塌孔問(wèn)題。更換SN16風(fēng)機(jī)機(jī)位平臺(tái)再次進(jìn)行試鉆,仍存在此類(lèi)情況。分析判斷造預(yù)鉆孔塌孔是由于砂層的黏聚差,預(yù)鉆孔工藝未采取護(hù)壁措施造成,須對(duì)預(yù)鉆孔工藝進(jìn)行改進(jìn)。
考慮當(dāng)?shù)丨h(huán)保要求和建設(shè)成本,研究決定采用清水護(hù)壁鉆孔。在SN16機(jī)位平臺(tái)重新進(jìn)行試鉆。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)試驗(yàn)摸索,當(dāng)鉆孔提前1h 浸水有效護(hù)壁深度約4m,鉆孔至4m 深度后灌水10min 再往下鉆,可以有效避免塌孔。經(jīng)對(duì)預(yù)鉆孔工藝進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)和改進(jìn),并改裝長(zhǎng)螺旋鉆機(jī),采用分級(jí)(每級(jí)2m)灌水引孔時(shí)成孔效果最佳。預(yù)鉆孔直徑取350mm,順利成功后再就位預(yù)應(yīng)力管樁,錘擊沉樁至設(shè)計(jì)高程。分級(jí)灌水護(hù)壁鉆孔打樁施工流程如圖2所示。
圖2 分級(jí)灌水護(hù)壁鉆孔打樁施工流程圖
針對(duì)沙漠區(qū)編號(hào)為SN16的風(fēng)機(jī)機(jī)位進(jìn)行試樁檢驗(yàn),采用預(yù)應(yīng)力管樁PHC-400-AB-95,混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C80、樁徑400mm、樁距為3200mm、排距為2772mm 的樁型,樁尖型式為開(kāi)口型鋼樁尖,樁端進(jìn)入持力層深度為6m。試樁主要為了驗(yàn)證單豎向抗壓承載力特征值、復(fù)合地基承載力特征值的計(jì)算值與實(shí)際值是否一取,采用的試驗(yàn)為單樁抗壓靜載荷試驗(yàn)、復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)。按低應(yīng)變?cè)囼?yàn)—高應(yīng)變?cè)囼?yàn)—單樁靜載試驗(yàn)—復(fù)合地基靜載試驗(yàn),以獲得詳細(xì)可靠的承載力參數(shù),以此為依據(jù)指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。
根據(jù)地基試驗(yàn)結(jié)果,單樁豎向抗壓承載力和復(fù)合地基承載力結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求,“預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基”設(shè)計(jì)方案+“長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)多級(jí)灌水引孔和錘擊”的施工方案試驗(yàn)研究成功,也形成了指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和工藝參數(shù),能夠滿足本研究課題項(xiàng)目沙漠地區(qū)的特殊自然環(huán)境和地質(zhì)條件。
經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢測(cè),單樁豎向抗壓承載力滿足設(shè)計(jì)要求。樁身完整性I 類(lèi)樁100%,沒(méi)有Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)樁。樁基進(jìn)行了第三方沉降觀測(cè),沉降速率及沉降值滿足要求。變形限制要求如表2所示。
表2 變形限制要求
改進(jìn)方案的現(xiàn)場(chǎng)成功試驗(yàn)和預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基的承載力試驗(yàn)結(jié)果表明,“預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基”設(shè)計(jì)方案+“長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)多級(jí)灌水引孔和錘擊”的施工方案可行,并取得了可靠的單樁豎向抗壓承載力和復(fù)合地基承載力數(shù)據(jù)。綜合考慮風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)的各類(lèi)不利荷載情況及組合、沙漠區(qū)域的建設(shè)環(huán)境和運(yùn)行維護(hù)需求,對(duì)群樁平面布置進(jìn)行核算,最終驗(yàn)算結(jié)果滿足要求,即以改進(jìn)方案作為最終實(shí)施方案[5]。
風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)計(jì)算采用“CFD 風(fēng)電工程軟件-機(jī)組塔架地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)軟件WTF”進(jìn)行計(jì)算[6]。根據(jù)《陸上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中擴(kuò)展基礎(chǔ)穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算中基礎(chǔ)采用剛性假定,即擴(kuò)展基礎(chǔ)需設(shè)計(jì)為剛性基礎(chǔ),將基礎(chǔ)尺寸控制在剛性角(與基礎(chǔ)材料相關(guān))限定的范圍內(nèi),一般由基礎(chǔ)臺(tái)階的寬高比控制。其中,鋼筋混凝土基礎(chǔ)臺(tái)階的寬高比不宜大于2.5。另外,根據(jù)《陸上風(fēng)電場(chǎng)工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》7.2.1的規(guī)定,擴(kuò)展基礎(chǔ)半徑R宜為輪轂高度的1/12~1/8,基礎(chǔ)高度hs 宜為輪轂高度的1/40~1/25,基礎(chǔ)邊緣高度h1宜為半徑R的1/40~1/30,且應(yīng)不小于0.6m。在滿足結(jié)構(gòu)與構(gòu)造要求及滿足地基承載力條件下,經(jīng)過(guò)反復(fù)試算,確定風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)體型。
本次研究提出的“預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基”設(shè)計(jì)方案+“長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)多級(jí)灌水引孔和錘擊”的施工方案,每臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)綜合造價(jià)為16.9萬(wàn)元。與大規(guī)模換填級(jí)配碎石的施工方案(每臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)綜合造價(jià)為31.7756萬(wàn)元)對(duì)比,本次研究方案每臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)可節(jié)約成本14.8756萬(wàn)元;比之長(zhǎng)樁穿透細(xì)砂層的設(shè)計(jì),考慮樁長(zhǎng)將由6m 增加至20m(細(xì)砂層平均厚度按20m 考慮)左右,可節(jié)省成本39.4萬(wàn)元以上。
本文闡述了沙漠地區(qū)預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)施工一體化研究,探索出一條基于沙漠地區(qū)的預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵技術(shù),并形成了相應(yīng)實(shí)施流程,在工程中進(jìn)行了運(yùn)用。沙漠地區(qū)預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)施工一體化,既避免了高代價(jià)的長(zhǎng)樁穿透細(xì)砂層的設(shè)計(jì)、大規(guī)模的混凝土灌注樁現(xiàn)場(chǎng)澆筑,又降低了成本增加,能極大優(yōu)化工程量、縮短施工工期、提高工程成本的可控性。
“預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基”設(shè)計(jì)方案+“長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)+多級(jí)灌水引孔+錘擊”的施工方案,對(duì)風(fēng)機(jī)擴(kuò)展基礎(chǔ)持力層進(jìn)行復(fù)合地基處理,形成了一種由常規(guī)擴(kuò)展基礎(chǔ)+預(yù)應(yīng)力管樁+砂層組成的復(fù)合受力結(jié)構(gòu),更有利于環(huán)境保護(hù)和節(jié)約資源,更適宜沙漠地區(qū)的施工環(huán)境。本文研究了在以沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)為建設(shè)區(qū)域、解決沙漠地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電地基處理問(wèn)題,提高了設(shè)計(jì)方案的合理和施工方案的可靠性,促進(jìn)了設(shè)計(jì)和施工過(guò)程的一體化化融合,最后探討了一體化建設(shè)模式的實(shí)現(xiàn)途徑,為沙漠地區(qū)預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)施工一體化研究提供了理論參考。