风力机扩展基础基底压力测试与平面度分析

邓宗伟，彭文春，高乾丰，董 辉，朱志祥

（1.湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014；3.湘潭大学 土木工程与力学学院，湖南 湘潭 411105；4.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075）

1 引 言

风力发电机组基础（以下简称风机基础）不仅要承受较大的水平力和倾覆力矩，且荷载的大小和方向也时刻变化，这就导致了风机基础的受力状态远比其他高耸结构基础复杂[1－2]。当前，随着风机功率和轮毂高度的增加，风机荷载和运行环境变得更加复杂，对风机地基和基础的受力、变形及稳定性也提出了更高的要求。陆地风机基础较多地采用圆形或八边形扩展基础，这种基础主要依靠自身重量来平衡整个风机的倾覆力矩。当基础受到较大偏心荷载时基底一侧边缘将承受很大的压力，若超过地基极限承载能力将引起地基破坏；同时，基础另一侧的基底压力可能出现零值区，这时基础底板与地基部分脱开，超过一定限度将危及整个风机的安全。我国风电产业起步较晚但发展迅速，近几年我国已出现过几例风电场工程竣工建成后，在极端工况甚至是正常运行时，风机地基基础破坏而导致整机损毁的事故[3－4]，虽然其中原因较多，但主要原因在于风机地基基础的理论研究严重滞后于生产实践[5]。国内外学者对房屋建筑、高耸结构、电力建筑等地基基础的研究较多，但对大偏心及随机动荷载共同作用下地基基础相互作用关系的研究较少[6－8]。至今，国内在风电方面仍然没有正式发布的地基基础规范，而只有试行规定[9]。此规定在浅基础方面只考虑了矩（方）形扩展基础，而对于陆地风机常用的圆形和八边形扩展基础的设计计算还需参照建筑规范[10－11]的有关假定和简化方法，其结果的准确性有待考证。因此，亟待对大偏心动荷载作用下地基基础间的相互作用进行现场测试研究，以检验和校核现有风机地基基础相应理论和数值方法的正确性。

本文基于湖南郴州桥市风电场风机圆形基础基底压力的实测数据，对基底压力随时间的长、短期变化特性及分布规律进行分析和总结，提出实测基底压力平面度的概念，并对现有规范进行修正，为我国内陆风机地基基础的设计计算提供参考。

2 工程概况与测试方法

桥市风电场位于湖南省郴州市桂阳县境内，该地区为低山丘陵地貌，海拔一般为400～580 m。地表遍布第四系残坡积覆盖层。以该风电场某台风力机为对象进行研究，其场址周围地形较为平缓，勘探深度范围内未见地下水。地表覆盖层厚为5.1～8.2 m，下伏基岩为上古生界石炭系下统大塘阶测水段(C1d2)，岩性主要为薄至中厚层状中细粒石英砂岩、粉砂岩。地层分布与主要物理力学参数见表1。风机采用了单机容量为2 000 kW 的风力发电机组，轮毂高度为80.0 m，风轮直径为93.4 m，额定风速为11.0 m/s，风轮、机舱和塔筒总重约294.0 t。风机基础采用圆形钢筋混凝土扩展基础，底板直径为18.5 m，基坑开挖深度为3.1 m，基础持力层为残坡积黏性土。基础环采用了特种钢材料，基础混凝土等级为C35，垫层混凝土等级为C15。表2 给出了该风机施工（运行）的基本情况。

表1 地基土物理力学性质指标Table 1 Physical and mechanical indexes of soil layers

表2 风机基础施工情况Table 2 Construction conditions of wind turbine spread subgrade

基础施工前，在基底预埋了用于测试接触压力的钢弦式土压力盒（简称静土压力盒）和用于测试动荷载效应的电阻应变式动土压力盒（简称动土压力盒），以研究风力机这种特殊动力结构下地基基础间的相互作用关系。考虑到风机基础360°方向受力的特点，静土压力盒从上风向起沿基础环向每隔45°均匀布置1 个监测断面，每断面布置2 个土压力盒（1 个中心土压力盒），共计17 个；动土压力盒则从上风向起沿基础环向每隔90°布置一个，共计4 个。图1 给出了基底土压力盒的布置示意图。

图1 基底土压力盒布置(尺寸单位:mm)Fig.1 Layout of earth pressure cell in basement(unit:mm)

3 基底压力测试结果分析

3.1 基底压力长期变化特性

图2 实测基底压力时程曲线Fig.2 Time history curves of measured subgrade pressure

对风机从基础施工到正常运行整个过程中基底压力的监测结果进行分析。图2(a)、2(b)分别为EPC-1#测线、EPC-2#测线实测基底压力随时间的长期变化曲线。从结果可知，2月28 日基础回填完成后，基底在基础自重和回填土重量作用下产生了较大的压力，但压力分布相对比较均匀，主要集中在59～65 kPa 范围内。4月8～9 日完成了塔筒的吊装，此过程中施加在基础上的竖向荷载迅速增大，基底压力曲线出现一个小台阶变化。4月14 日机舱和发电机吊装完成，因两者重量大，基底压力大幅度增加。4月26 日风机整体吊装完成至风机运行前，各点压力均达到各自的较大水平。6月26 日风机正常运行，由于风轮与主风向对中，整机的阻风面积相对减小，此时自重产生的附加力矩与水平风荷载产生的力矩方向相反，抵消了部分水平力矩，使基底压力最大值（EPC-2#测线）略有减小。自机舱、发电机吊装起，基底压力开始变得非常离散，尤其是风机运行后，一点的压力在某一时刻可能很小，而到下一刻却可能是压力最大的位置。

3.2 基底压力的分布规律

将各阶段不同测点的基底压力实测数据通过Origin 软件绘制成Polar Contour 图，以形象描述基底压力的分布情况，如图3 所示。从图中可知，塔筒吊装完成后，基底压力实测值并不呈理想的均匀分布，而表现为180°方向局部区域大、270°～315°等区域小的特性，此时基底压力的最大值为85.73 kPa。整机全部吊装完成至风机运行前，EPC-2#测线225°方向附近的基底压力数值始终较大，这是因为施工时风轮朝230°方向安装，使基础在上部结构重量和水平风荷载的共同作用下受到较大朝225°方向的力矩所致，此过程中测得的基底压力最大值为130.20 kPa，最小值为63.05 kPa。风机运行后，基底压力整体上呈0°～45°方向小、180°～225°方向大的分布，压力等值线的最大梯度线在45°～225°断面附近，说明45°～225°断面为该工况条件下地基承载力验算的控制断面。

图3 实测基底压力分布图Fig.3 Distribution maps of measured subgrade pressure

在地基土为黏性土，基础偏于刚性的情况下，一般建筑物的基底压力分布通常呈典型的马鞍形或抛物线形，然而风机基底压力的分布形式在不同工况条件下差异较大。从各工况下风机基础基底压力沿0°～180°断面、90°～270°断面的径向分布图（图4）可知，基底压力在基础回填完成时呈中心大、周边小的分布，较接近抛物线形曲线。随着塔筒的逐段吊装，基底压力的数值整体变大，其分布线形变缓。机舱开始吊装后，基础受到的偏心荷载随之增大，并逐步向水平合力矩旋转方向发生倾斜，使基础一侧的基底压力增大，整机吊装完成至风机运行前，基底压力在0°～180°断面表现为缓“N”形分布。风机运行后，基底压力最大值的位置朝180°方向移动，基底压力沿径向近似呈梯形分布，较为符合常用的基底压力分布假设。

图4 实测基底压力径向分布图Fig.4 Radial distributions of measured subgrade pressure

3.3 基底压力短期变化特性

风机主体结构与一般建筑结构的主要不同之处在于其不仅具有360°大偏心受力的特性，而且还要承受较大随机动荷载的作用。图5 给出了6月26日风机正常运行时DEPC-1#测线基底压力的10 min动态变化曲线。从图5 可知，该测线0°、90°、180°和270°方向测点10 min 内基底压力的最大值与最小值之差分别为2.01、3.47、3.90、3.25 kPa，占各自平均压力的2.91%、5.02%、4.75%和4.45%，说明风荷载的随机变化、风轮旋转以及机舱内部机械的振动等都可能通过塔筒和基础传递到基底而对地基产生影响。风机基底压力在一定应力水平上呈上下无规则的波动变化形态，若将基底压力进行分解，则可分为长周期的静压力部分和短周期的动压力部分，其中动压力部分是使风机地基受力区别于一般建筑物地基的根本因素。由于动压力部分的存在，风机基础边缘以内的实测基底压力可以达到静压力部分的1.05 倍，然而这在实际设计计算中往往没有予以考虑。

图5 实测基底动压力时程曲线Fig.5 Time-history curves of measured dynamic subgrade pressure

4 实测基底压力分布平面度分析

4.1 基底压力规范计算方法

我国现有规范[12]在计算基底压力时，根据偏心距大小，假定基底压力沿基础断面为矩形、梯形或三角形分布（在空间为平面分布），以风机圆形扩展基础基底压力的计算为例，将基础上的作用力均视为静荷载，当基础承受轴心荷载和在核心区内(e≤b/6)承受偏心荷载，基础底面未与地基脱开（如图6）时，基础边缘基底压力的最大值与最小值按下式计算：

式中：N为上部结构传至基础顶面的竖向荷载（kN）；G为基础自重和上覆土重（kN）；M为上部结构传至基础顶面的合力矩（kN⋅m）；A为基础底面积（m2）；W为基础底面的抵抗矩（m3）。

然而，对于风力机这种特殊的动力结构，其基础底面压力分布是否完全符合平面假定有待确认，如果实际基底压力分布面形态与平面相差悬殊，那么，上述式（1）就不能用来求解风机基础基底压力的最大、最小值或需要加以修正才能用于计算。

图6 圆形基础基底压力分布假定Fig.6 Subgrade pressure distribution assumption of circular foundation

4.2 实测基底压力平面度概念

平面度误差，是指实际平面对其理想平面的变动量，理想平面的位置应符合最小条件[11]。实测基底压力分布的平面度误差可以定义为：基础底面二维坐标与实测压力值构成的空间三维曲面对理想压力分布平面的变动量，用ΔP 表示。这里的理想压力分布平面是指规范中假定的基底压力分布平面。

实测基底压力的平面度定义为：实测基底压力分布平面度误差值与理想基底压力分布平面中心点压力值的比值，用K 表示。它反映了实测基底压力分布与理想平面分布的吻合程度，K 越接近于0，说明实测基底压力越符合理想平面分布。根据定义，实测基底压力平面度的表达式为

式中：K为实测基底压力分布平面度；Po为理想基底压力分布平面中心点压力值（kPa）。

4.3 基于平面度对规范公式的修正

建立以基础底面中心O为原点的空间直角坐标系(x-y-p)，其中xOy 平面与基底重合，且x 轴正方向与主风向一致，如图7 所示，而O-p 轴与xOy 平面垂直，其数值代表基底压力大小。基于MATLAB编程，应用最小二乘法原理计算实测基底压力的平面度，结果见表3。从表中可知，风机基础的4 次实测基底压力中，平面度K 最小值为0.17，在塔筒全部吊装完成阶段，平面度K 最大值为0.25，在风机整体吊装完成而停机待运行阶段，而风机正常运行阶段实测基底压力的平面度K=0.19。由此可见，实际风机基底压力的分布与理想平面分布是存在一定差距的，故考虑到实际基底压力分布的非平面性，用规范公式对风机运行阶段的基底压力进行计算时，建议对基底压力最大值乘以(1+K) ≈1.2的放大倍数，而对基底压力最小值乘以(1−K) ≈0.8的缩小倍数。

图7 基础底面坐标系Fig.7 Coordinate system in the bottom of foundation

表3 实测基底压力的平面度计算Table 3 Flatness calculation of measured subgrade pressure

在图7 所示的基底坐标系中，若将基础底板圆内各点的坐标代入表3 所示的理想基底压力平面方程中，则可以预测到不同施工条件下整个基础底面压力的最大、最小值。同样，由于实际压力分布的非平面性，这里需要对基底压力的最大或最小值乘以(1+K)或(1−K)的系数进行修正，所得结果见表4。从表中可知，根据实测的4 组基底压力值，预测得到基础底面可能出现的最大基底压力值为183.53 kPa，在基础边缘242°方向位置，压力大小在地基土承载力允许范围之内，满足要求；预测最小基底压力值为34.19 kPa，位于基础边缘62°方向位置，基底压力均大于0，说明风机基础在施工和运行期间均未出现与地基脱开的现象。

表4 基底压力最值预测Table 4 Extreme value prediction of subgrade pressure

5 结 论

（1）基底压力的大小及分布与风速和运行状况密切相关，由基础及回填土重量产生的压力占总基底压力的比值较大；风机基底压力在不同工况条件下表现出不同的分布形式，可能为抛物线形分布或梯形分布，甚至缓“N”形分布。

（2）风荷载的随机变化、风轮旋转以及机舱振动等可通过塔筒和基础传递到地基，引起基底压力不规则动态变化，实测得到动荷载对基础边缘以内基底压力的动力放大系数达到1.05，说明动土压力对地基土的影响不能完全忽视。

（3）由于风机地基基础受到上部结构传来的动荷载的影响，实际基底压力的分布形态与理想平面分布存在一定差距，若用现行规范对风机基础基底压力的最大值和最小值进行计算，建议分别乘以1.2和0.8 的系数进行修正。

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