谈风电机组地基基础的设计要点

谭争光

(中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，湖南长沙 410014)

近年来，风力发电在我国迅速发展，许多风电场已相继建成发电或正在建设。作为上部结构的支撑，风机基础虽然在整个风电场工程中所占的造价比重很小，但其安全性直接决定了整个结构的安全，其重要性不言而喻。本文从个人设计工作经验总结，就陆上风电机组地基基础的设计要点提出一些看法。

1 荷载工况的选择

风机基础的设计与其他的工业建筑或民用建筑的设计不太一样，上部结构传给基础的荷载一般都是风机制造厂商提供给设计院，不需要基础设计人员自己计算。风机制造厂商提供的荷载是根据IEC标准计算所得，其计算的载荷包括惯性力和重力载荷、空气动力载荷、运行载荷和其他载荷(如波动载荷、尾流载荷、冲出载荷、冰载荷等)，计算工况包含七大类:发电、发电兼有故障、启动、正常关机、紧急关机、停机(静止或空转)、停机兼故障以及运输、组装、维护、修理。通常风机制造厂商根据基础设计的需要，提供了十几组载荷，这就要求基础设计人员从中挑选出正确的载荷。根据FD003-2007风电机组地基基础设计规定7.2.1条规定，地基基础设计的载荷应根据极端荷载工况、正常运行荷载工况、多遇地震工况、罕遇地震工况和疲劳强度验算工况等进行设计。这其中最主要的工况是极端荷载工况和正常运行荷载工况，规范规定两种工况下都要进行脱开面积计算、地基承载力复核、截面抗弯抗剪抗冲切验算、稳定验算、裂缝验算、变形验算、疲劳验算。实际上由于正常运行荷载工况的载荷一般只有极端荷载工况下的60%左右，故正常运行荷载工况下只需进行脱开面积的计算。若场区位于地震区，还应考虑地震荷载，多遇地震荷载和罕遇地震荷载应分别与正常运行荷载相叠加。

2 地基持力层的选择和地基处理

目前，国内陆上风电场运用比较多的风机多为750 kW～2 000 kW，风机上部结构即风电机组设备和塔架的重量一般在100 t～350 t之间。风机基础目前多采用大尺寸的重力式扩展基础，基底的平均压力一般在100 kPa～150 kPa。但由于风机承受很大的水平风荷载，传到基础底部的弯矩很大，其数值一般为30 000 kN/m～60 000 kN/m，而上部结构传到基础底部的竖向力加上基础自重一般为6 000 kN～20 000 kN，这样基底的偏心率一般都大于3，造成基础边缘的最大压力可以达到180 kPa～250 kPa，对地基承载力的要求也不低。特别是在平原地区和沿海地区，其土质一般都达不到这个要求。此外，由于基底地基土长期处于主风向上的大偏心受压状态，即基底在主风向上长期处于不均匀受压状态，这样势必造成地基较大的不均匀沉降。所以，对于软弱土质地区的基础应进行地基处理。需要引起注意的是，某些土质地区，虽然土的地基承载力基本满足了要求，但由于土的压缩模量较低，土的压缩变形较大，导致地基的不均匀沉降往往不能满足上部结构的要求，这种情况也必须进行地基处理。地基处理的方法与其他工业建筑和民用建筑相似，需综合考虑当地地质条件、环境条件、施工条件、造价、工期等因素，选择换填、置换、复合地基、桩基等处理方法。

另外，若场地内地下水埋深较浅，在基础埋深范围内存在地下水，则要引起特别注意。地下水的浮力会大幅减小基础和覆土自重，造成基础偏心率增大，基底脱开面积超出限制，故需要增加基底尺寸或增加基础埋深。

3 确定基础类型和形式

目前常用的基础类型为扩展基础、肋梁基础、岩石锚杆和桩基础。地基持力层埋藏较浅的一般采用扩展基础，埋藏较深的需地基处理或采用桩基础。基础荷载较大时，扩展基础的工程量较大，此时可采用肋梁基础减少部分混凝土量。在岩石比较完整、风化程度较弱的场地可采用岩石锚杆基础。

4 基础底面脱开面积的验算

基础底面脱开面积的限制在很大程度上直接决定了基础底面的尺寸。正常运行工况和极端荷载工况对基底脱开面积的限制不一样:在正常运行荷载工况下，基底不允许有脱开现象发生，即基底应全截面受压;而在极端荷载工况下，基底允许脱开25%的面积。根据经验，当正常运行工况的荷载小于极端运行工况的60%左右时，一般是由极端工况起控制作用;而当正常运行工况的荷载大于极端运行工况的60%左右时，此时正常运行工况起控制作用。

5 地基变形的验算

地基变形的验算包括两个方面:沉降值和倾斜率。沉降值指地基的最终沉降量。倾斜率的计算对风机基础十分关键，应引起足够的重视。在极端荷载工况下，基底脱开25%的面积，此时基底一侧受压，另一侧由于基底脱开地基而没有压力，此时基础两侧地基的变形值差异较大，有可能引起超出限制的倾斜率。

6 基础配筋验算

基础配筋的验算与GB 50007-2002建筑地基基础设计规范中关于扩展基础的配筋计算一样，按照底板受弯计算弯矩来配筋。由于底板厚度较大(FD003-2007风电机组地基基础设计规定要求底板边缘高度应不小于1 m)，还应计算底板顶面的弯矩并相应的计算配筋。经验表明，由于底板面积较大，通过计算所得的基础底板底面和顶面配筋都较小，一般都小于最小配筋率的要求，所以一般按照单侧纵向钢筋0.2%的最小配筋率进行配筋即可满足要求。基础底板配筋的方式有正交式和径环向式两种，一般圆形基础宜采用径环向配筋，其他基础采用正交式配筋。采用径环向配筋时，应注意验算各个不同半径处的配筋。

基础台柱的配筋要特别注意确保基础环或地脚螺栓与混凝土的连接可靠稳固，一般基础环(法兰筒)或地脚螺栓的底端易伸入基础底板与扩展基础形成整体。若不能形成整体则应在基础环或地脚螺栓与基础底板之间放置足够的连接钢筋使之共同工作。

7 结语

从以上六个方面阐述了风机基础设计的要点，当然风机基础的设计还有其他方面的工作，如截面抗剪验算、抗冲切验算、抗滑抗倾覆稳定验算、裂缝宽度验算等。实践证明，满足以上六个方面要求和构造要求的情况下，这些方面都容易满足。

风电机组基础在整个风机结构中占有重要地位，它直接影响到风机的安全运行及风电场的投资效益，应该引起设计人员的足够重视。本文就一些关键问题谈了自己的看法，供设计人员参考。

［1］ FD003-2007，风电机组地基基础设计规定(试行)［S］.

［2］ GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范［S］.