陆上9度抗震设防烈度风电场风电机组基础设计

文 | 迟洪明 李向辉 吴勇

陆上9度抗震设防烈度风电场风电机组基础设计

文 | 迟洪明 李向辉 吴勇

随着传统能源的日趋枯竭，作为清洁、可再生的风能日益受到关注。据统计，我国风能资源总储量为42.65亿kWh，技术可开发量为2.98亿kWh。 2012年，我国《风电发展“十二五”规划》出台，明确了未来风电发展的宏伟目标，到2015年并网装机容量达到1亿kW，到2020年装机容量达到2亿kW。“十二五”规划中要加快内陆资源丰富区风能资源开发，其中就包括云南省，云南省是地震多发省份，从中国地震动峰值加速度区划图中可见，云南省地震加速度均高于0.1g，而风能资源较好的区域陆良、石林、剑川等地的地震加速度达到了0.3g，甚至0.4g。

风电机组基础是风电场建设的重要环节，虽然在陆上风电场中风电机组基础的成本只占整个风电场投资的5%左右，但是风电机组设备成本占到了整个风电场投资的70%以上，因此，风电机组基础的重要性不言而喻，一旦风电机组基础出现问题，将会产生摔塔等问题，整个风电机组设备将损坏，造成风电机组基础成本百倍以上的经济损失。

风电机组基础设计时需要进行正常运行荷载工况、极端荷载工况、多遇地震工况、罕遇地震工况和疲劳强度验算工况进行设计。一般情况下，在6度抗震设防烈度情况下，风电机组基础设计的控制工况为极端工况；7度及以上抗震设防烈度下，风电机组基础控制工况为地震工况。抗震设防烈度为9度及以上的风电场，其地基基础设计应进行专门研究。

设计模型

风电机组基础进行抗震设计时，应进行地震工况下的基础设计，地震工况包括多遇地震工况和罕遇地震工况。多遇地震工况为上部结构传来的正常运行荷载效应叠加多遇地震作用和基础所承受的其他有关荷载；罕遇地震工况为上部结构传来的正常运行荷载效应叠加地震作用和基础所承受的其他有关荷载。多遇地震工况应进行基础承载力、变形、稳定性计算。罕遇地震应进行抗滑和抗倾覆稳定验算。

抗震设防烈度为9度的风电场的风电机组基础设计专门研究中，应采用两种以上的计算模型进行设计。目前，我国常用的陆上风电机组基础计算模型为CFD－WTF软件中模型，该软件为水电水利规划设计总院、北京木联能软件公司开发，经过了业内专家的评审。该软件在陆上风电场的计算设计中得到了广泛的应用。其地震荷载的计算是依据建筑抗震规范中的底部剪力法计算地震荷载的。另外一种计算模型就是采用有限元软件进行有限元分析。有限元法是一种计算精度高，且能够适应各种复杂形状、行之有效的工程分析方法。目前常用的有限元软件包括ANSYS、ABAQUS、FLAC等。

工程案例

一、工程概况

云南剑川百山风电区域，百山区域规划风电总装机容量约132MW，分3个片区开发建设。安装88台1500kW的发电机组，项目地处云南省大理州剑川县境内，风电场区域西至金华镇，东至黄蜂厂庆新公社，南至背马厂村，北至玉皇山，场址以构造剥蚀作用形成的地貌为主，山体海拔较高，地形起伏变化大，地表植被以灌木为主。

二、基础资料

（一）地质资料

根据地勘报告以及场区地震安全性评价报告，本场区位于青、藏、滇、缅、印尼“歹”字形构造体系东支中段东缘，处于北西走向的红河断裂带与近南北走向的程海断裂带之交汇部位，红河断裂带是由北西走向的洱海、乔巍等断层组成，呈右旋剪切拉张活动，程海断裂带是由一系列北东走向的左旋走滑正断层组成。工程区的地震烈度主要受外围大理－弥渡7级、永平－鲁史6级、云县7级三个地震危险区的影响。工程区地震活跃，构造运动强烈。

根据现场调查及勘探结果，工程区地表主要覆盖新生界（代）第四系全新统人工堆积、残坡积层粉质粘土、碎石土、红黏土，出露基岩为三叠中系统北衙组及志留系中统宾川组灰岩、角砾状灰岩。各层岩土设计参数如表1所示。

根据《中国地震动参数区划图（1∶400万）》GB18306－2001及《建筑抗震设计规范》GB50011－2010，场区地震动反应谱特征周期为0.40s，地震动峰值加速度为0.40g，抗震设防烈度为9度，设计地震分组为第二组。

（二）风电机组资料

风电机组采用某厂商EN87－1500风电机组，轮毂高度70m。根据厂家提供的荷载以及风电机组各部件重量、尺寸等，最终确定的荷载如表2所示。

（三）风电机组基础设计

1 木联能软件计算

通过采用木联能软件，分别对以上5种荷载工况进行计算，经计算确定的风电机组基础底部平面采用边长为8.119m的八边形基础，基础底板外缘高度为1.1m，底板棱台高度为1.6m，台柱高度为0.5m，基础埋深3.2m，基础下设100mm厚C15素混凝土垫层。基础中预埋连接塔筒的底法兰段。混凝土设计强度等级为C35混凝土，计算成果如表3所示。

2 有限元计算

采用有限差分软件FLAC3D建立风电机组基础与土体共同作用的整体模型。为加快计算效率，取整体模型一半计算，模型尺寸： 38m×19m×13.8m，风电机组基础尺寸同木联能计算尺寸，如图1所示。

表1 岩、土体设计参数一览表

表2 荷载工况表

表3 计算成果表

图1 FLAC3D有限差分模型

图2 基础外表面与土体接触面

图3 荷载边界条件

图4 正常工况基础底面土体沉降

图5 正常工况基础底土体（soil2）竖向应力云图

图6 正常工况接触面法向分离示意图

图8 极端工况基础底土体（soil2）竖向应力云图

图9 极端工况接触面法向分离示意图

图10 罕遇工况基础底面土体沉降

图11 罕遇工况基础底土体（soil2）竖向应力云图

图12 罕遇工况接触面法向分离示意图

风电机组基础（foundation）与周围土体（soil1、soil2、soil3）之间建立interface接触面，如图2所示。

将上部结构传至基础顶面荷载折算为基础台柱顶面荷载边界条件，如图3所示。初始平衡后，分别计算正常荷载、极端荷载和多遇地震工况下基础底面土体沉降（zdisp）、竖向应力（szz）以及基础底面与土体脱开情况（interface normal separation）。

本构模型：土体采用Mohr－Coulomb本构模型，钢筋混凝土基础采用Elastic模型。

边界条件：上表面（Z=0）自由和下表面（Z=－13.8）固定XYZ方向位移、侧表面（X=－19、X=19）固定X方向位移、后表面（Y=19）固定X方向位移、前表面（Y=0）固定Y方向位移（对称性要求）。

图4－图12分别为正常荷载工况、极端荷载工况、罕遇地震工况下的计算结果图，正常工况下，基础底面土体最大沉降1.4724mm，倾斜率tanθ=5.78×10－5，满足要求。基础底面土体最大竖向压应力1.188×105pa，满足承载力要求。基础底面与土体接触面节点没有破坏，基础底面未与土体脱开，满足要求。极端荷载工况下基础底面土体最大沉降2.1912mm，倾斜率tanθ=1.15×10－4，满足要求。基础底面土体最大竖向压应力1.2438×105pa，满足承载力要求。基础底面与土体接触面节点没有破坏，基础底面未与土体脱开，满足要求。多遇地震工况下基础底面土体最大沉降2.5448mm，倾斜率tanθ=1.34×10－4，满足要求。基础底面土体最大竖向压应力1.3339×105pa，满足承载力要求。基础底面与土体接触面节点没有破坏，基础底面未与土体脱开，满足要求。

3结果对比

从有限元计算的风电机组基础基底竖向应力图来看，在三种工况下，基底都没有出现零应力或负应力区，说明风电机组基础底部没有出现脱开，这和木联能的计算结果一致。表4是木联能软件和有限元计算的基底压应力和倾斜率对比。

表4 结果对比表

从上表可以看出有限元计算的最大压应力稍小，倾斜率计算较为接近。基底压应力的差别原因在于木联能软件地基承载力计算是依据《风电机组地基基础设计规定》（试行）中计算公式得出，该计算中都是采用简化方法，即假定基底压力按直线分布的材料力学方法，而有限元计算中是采用Mohr－Coulomb本构模型进行计算的。两种不同的计算理论导致结果的稍有不同，但是从总体上看结果接近，且都能满足现行规范的要求。因此采用木联能进行施工图设计是可行的。

结论

本文在对云南百山风电规划区域的风电机组基础专题设计时，采用了两种计算模型进行了计算，并对两种模型计算成果进行了对比分析。两种模型在9度抗震设防烈度下进行风电机组基础设计是可行的。该专题的计算成果通过了由云南省发展改革委组织的专家评审。该规划区域项目已经于2013年12月份全部投产发电，目前项目运行良好。

（作者单位：迟洪明、吴勇：龙源（北京）风电工程设计咨询有限公司；李向辉：中广核风电有限公司）