执行《风电机组地基基础设计规定》所遇到的问题

刘学新

(吉林省电力勘测设计院，吉林 长春 130022)

1 概述

随着国家节能减排工作的深入，大力开发、建设和利用风力发电这种清洁、可持续能源，正在我国迅速发展。国家发展改革委在《可再生能源中长期发展规划》中确定了我国风电在“十一五”末期及2020年底装机容量达到500万kW和3000万kW的目标，风电建设已经到了快速发展时期。

由于我国发展风电还处在起步阶段，各工程设计单位多是参照现有的相关规范和标准进行设计，在工程建设中难免出现这样和那样的不足和缺陷。经常把水电工程和火电工程以及现有的标准、变电所工程上的经验和做法套搬到风电工程设计中。在2007年9月份，我国发布了FD003-2007《风电机组地基基础设计规定(试行)》(以下简称《规定》)，经过几年工程设计中的使用，觉得《规定》中的有些内容值得商榷。

2 基础变形计算问题

在《规定》的表7.2.9中规定：基础变形验算使用标准荷载，荷载工况为：正常运行工况、极端荷载工况、多遇地震工况(仅当该荷载起控制作用时)。在《规定》的8.4.3条基础沉降计算中，基底附加应力是包含有土的自重应力，见《规定》公式8.4.3-2。上述的这些规定，与《建筑地基基础设计规范》(GB5007-2002)有着明显的不同。

(1)在基础变形验算时，荷载工况取值，《建筑地基基础设计规范》采用准永久组合，不计入风荷载和地震荷载组合。在《烟囱设计规范》(GB50051-2002)中规定，基础的变形验算采用准永久组合，一般情况下，不考虑风荷载，但对于风玫瑰图呈严重偏心的地区，采用頻遇值系数0.4进行计算。《高耸结构设计规范》(GB50135-2006)中规定，基础的变形验算采用准永久组合，不考虑风荷载。风荷载是一种瞬时作用荷载，对基础的沉降变形影响很小。在《规定》中计算风机基础变形时，是全部考虑风荷载作用，使得计算结果偏大。笔者认为应借鉴上述规范，总结多年来在基础沉降工作中的经验，在风机基础变形计算时，适当考虑风荷载，可参考烟囱规范的作法。

(2)多遇地震工况参与基础沉降计算，不妥当，地震荷载属于瞬时作用荷载，很难传递到几十米以下的土层。用地震这组荷载计算基础沉降，在《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中也没有这方面的规定。

(3)在《建筑地基基础设计规范》中，沉降计算是采用基底的附加压力，见《建筑地基基础设计规范》公式5.3.5，附加压力是指基础自重和基础上的土重减去基础底面处土的自重压力(见下公式(1))。而风机《规定》公式8.4.3-2是不减基础底面处土的自重压力的(见下公式(2))。这部分荷载对基础沉降计算影响很大，如一个埋深3m的风机基础，土容重一般取18KN/m3，计算后土的自重压力值为54KN/m2，是不可忽视的。从物理意义上讲，这是同体积取代，基础承台已经取代同体积土的位置。

(4)在《规定》中，采用风机的极端荷载进行基础变形验算。极端荷载是一种瞬时荷载，风机设备厂商所提供的极端荷载是在最大荷载上乘以安全系数得来的，用这个值去计算基础沉降显然是没有道理的。而且，这种极端荷载工况在风机的整个寿命期也只有几次。

风机基础的变形计算，在风机基础设计中有时起到控制作用。在吉林省的西北和北部地区，地层基本是粉土、粉质粘土和份细砂土，土层交互，没有明显的硬层。基础沉降、倾斜计算起到控制作用，目前这部分地区的基础大都采用桩基础。如将《规定》中过于安全的部分进行筛减，将有部分风机基础可以采用天然地基。按一台风机塔位计算，就可节省25万元左右的投资，按一个50MW风场计算，可节省投资600～800万元左右，工期可提前1.5～2个月。

3 基础设计问题

目前国内各个设计院所设计的风机基础，大致为两种形式：圆形和多边形(六边形或八变形)。但《规定》中给出的基础算例中却是正方形，所有计算都是按照正方形提出的条件。如《规定》中表8.1.4条，在极端荷载工况下基础脱离面积与基底面积的比为25%。这是在正方形的算例中提出的，对于圆形和多边形是否还是25%的比例呢？目前有两个解释方法。其一，还是按面积的比，取25%。其二，取直径的1/4。在桩基础计算中，就更没有依据了，仍是极端荷载工况下基础脱离面积与基底面积的比，桩基础怎么取？取1/4的上拔桩吗？显然不对，各个设计院的取法各不相同，《规定》没有起到规定的作用。

《规定》表8.1.4条，要求正常荷载工况、多遇地震工况，基底不允许脱开。但在桩基础设计中，除非所有的桩都布置在外圈，只要有一个桩布置在内圈，就一定有上拔桩，只是上拔力大小的问题。所有的桩都布置在外圈，这种设计方案是最费材料的，要求基础承台的刚度绝对大。前些年，有些设计院做过这种基础承台，效果不好，个别基础出现问题，由于基础刚度不够，承台和上部塔筒产生共振。目前的桩基础承台还是布置几圈桩。这样《规定》在桩基础设计中又起不到规定的作用。

4 风机基础疲劳计算问题

风机基础的疲劳计算，在《规定》表7.2.9中提到，如何计算，整个规范没有解释，也没有条纹说明，给风机基础设计带来很大困难。

目前的计算方法也很多：其一，采用《混凝土设计规范》(GB50010-2002)第7.9节和第4.2.5条。是计算吊车梁的公式，用在风机基础上如何计算、是否合适，还需商榷。其二，适当加大受力钢筋和混凝土的应力余量。其三，参考国外规范的计算方法。

5 结语

《风电机组地基基础设计规定(试行)》作为我国第一本风机基础设计规范，对风电建设做出了巨大贡献。但在几年的使用中，也暴露出一些问题。在《规定》的制定初期，可能对风机的荷载、运行工况不太了解，采用了一些安全保守的做法。虽着风电工程的快速发展，计算手段的不断改进，科技现代化水平的不断提高，工程中积累了很多经验，修订和完善风机基础设计规范的工作势在必行。