山地风电机组基础优化设计

文 | 翟建军

山地风电机组基础优化设计

文 | 翟建军

随着风电行业的迅速发展，陆上风电机组单机容量和塔架逐渐向超大、超高发展，单机重量和叶轮长度随之加重、加长，基础承受的竖向载荷较大而集中，叶轮承载的轴向风荷载和地震作用引起的倾覆力矩成倍增长。因此，对风电机组基础的设计提出了更高、更严的要求。

内蒙古某风电场位于阿盟南部贺兰山西侧，场区地势相对较为平坦，场内交通亦较为方便。场区地貌为丘陵、荒草地，地形起伏不大，海拔高度1400m－1500m，交通方便，具有良好的风电建设条件。

风电机组载荷及地质资料参数

一、风电机组荷载及相关参数

本工程拟用金风GW100/2000-80m机型，风电机组厂家提供的作用于桩基础环顶面荷载及主要机组参数见表1。

二、工程地质资料

该地区根据建筑抗震设防分类为丙级，按结构重要性分类安全等级为二级，地震动峰值加速度为0.15g，地震动反映谱特征周期为0.45s，相对应的地震基本烈度为Ⅶ度。属中等复杂场地、地基等级为中等复杂地基；场地环境类别为Ⅲ类，工程区属构造基本稳定区。

场址区地基岩土层可分为五层。第一层粉细砂层，工程地质性质差，不宜作为持力层。第二层砾砂层，工程地质性质一般，埋深大于3m时，可作为地基持力层。第三层角（圆）砾层，力学强度较高，工程地质性质良好，是较好的地基持力层。第四层砂质粘土层，力学强度较高，埋深较大，是良好的持力层或持力层下卧层。第五层砂岩，全、强风化带工程地质性质一般，弱风化岩体的工程地质性质较好，是良好的基础持力层或持力层下卧层。

场址地基土对混凝土结构具有弱腐蚀性；对混凝土结构中的钢筋具中等腐蚀性；对钢结构具有微腐蚀性。地处西北干旱地区，岩土体常年处于干燥状态，地下水埋深很大，不具有砂土液化的条件。多年标准冻土深度为1.22m。

各土层的地基承载力特征值见表2。

表1　基础设计用柱脚载荷（不含安全系数）

表2　地基岩土体力学性质建议值

三、风电机组基础设计主要控制指标

风电机组基础设计主要控制指标见表3。

风电机组基础体型设计

一、风电机组基础结构型式选择

目前国内通行的风电机组基础形式主要有以下几种：

机组基础均为现浇钢筋混凝土独立基础。根据风电场场址工程地质条件和地基承载力以及基础荷载、尺寸大小不同，从结构的形式看，常用的可分为块状基础和框架式基础两种(如图1示)；根据基础与塔架机身连接方式又可分为地脚螺栓式和法兰式筒式两种类型基础。前者塔架用螺母与尼龙弹垫平垫固定在地肢螺栓上，后者塔架法兰与基础段法兰用螺栓对接。地脚螺栓式又分为单排螺栓、双排螺栓、单排螺栓带上下法兰圈等。

表3　设计主要控制指标表

表4　基础体型尺寸表

根据本工程拟选用金风GW100/2000-80m机型塔架设计安装要求和风电场实地地理地质结构条件，风电机组基础确定为钢筋混凝土埋筒型浅埋基础，基本体型为圆形块状基础。

二、风电机组基础优化设计计算

根据《风电场机组地基基础设计规定》（试行）FD003－2007，本阶段主要对基础进行地基承载力复核、沉降变形验算、倾斜变形验算、抗倾覆稳定验算和基础抗滑稳定验算。

（一）地基抗压计算

1. 圆形扩展基础承受轴心荷载：

式中：pk—荷载效应标准组合下，扩展基础底面处平均压力；

Nk—荷载效应标准组合下，上部结构传至扩展基础顶面竖向力修正标准值；Nk＝k0Fzk；

k0—荷载修正安全系数，取1.35；

Gk—荷载效应标准组合下，扩展基础自重和扩展基础上覆土重标准值；

A—扩展基础底面积，A＝bl；

bl—基底面宽度、长度；

2. 圆形扩展基础在核心区（e≤b/6）内，承受偏心荷载作用：

式中：pkmax—荷载效应标准组合下，扩展基础底面边缘最大压力值；

pkmin—荷载效应标准组合下，扩展基础底面边缘最小压力值；

Mk—荷载效应标准组合下，上部结构传至扩展基础顶面力矩合力修正标准值，Mk＝k0Mrk；

Hk—荷载效应标准组合下，上部结构传至扩展基础顶面水平合力修正标准值，Hk＝k0Frk；

e—合力作用点的偏心距；

W—基础底面的抵抗矩；

hd—基础环顶标高至基础底面的高度。

3.当扩展基础在核心区（e＞b/6）以外承受偏心荷载，且基底脱开基土面积不大于全部面积的1/4 时，圆形扩展基础单独承受偏心荷载（图2）时，扩展基础底面压力可按下列公式计算：

式中：Pmax为极端载荷基底压力；F＋G为偏心荷载；R为基础半径；τ、ξ为与e/R有关的系数；ac为基底与土的接触长度。

（二）地基沉降变形计算

计算地基沉降时，地基内的应力分布，可采用各向同性均质线性变形体理论假定。其最终沉降值可按下式计算：

式中：s—地基最终沉降值；

s'—按分层总和法计算出的地基沉降值；

ψs—沉降计算经验系数；

n—地基沉降计算深度范围内所划分的土层数；

p0k—荷载效应标准组合下，扩展基础底面处的附加压力，根据基底实际受压面积（As＝bsl）计算；

（三）地基稳定计算

1.抗滑稳定最危险滑动面上的抗滑力与滑动力应满足下式要求：

表5　 基底最大压力计算系数τ、ξ表

式中：FR－荷载效应基本组合下，抗滑力；

FS－荷载效应基本组合下，滑动力修正值；

其中：式（9）适用于正常荷载工况、极端荷载工况、多遇地震工况，式（10）仅适用于罕遇地震工况。

2.沿基础底面的抗倾覆稳定计算，其最危险计算工况应满足下式要求：

式中：MR—荷载效应基本组合下，抗倾力矩；

MS—荷载效应基本组合下，倾覆力矩修正值；

其中：式（11）适用于正常荷载工况、极端荷载工况、多遇地震工况，式（12）仅适用于罕遇地震工况。

（四）计算成果

通过计算，所选机型基础计算成果见表6。

表6　金风GW100/2000-80m的基础设计计算成果表

结论

由表6可知，金风GW100/2000-80m型机组塔架基础工程量（单台）：土石方开挖量1562m3、回填量898m3，基础C40混凝土量549m3、基础C20垫层混凝土量42m3、钢筋量57.6t、防腐面积325m2；塔架基础承载力、沉降变形和稳定均满足设计要求。

（作者单位：内蒙古阿拉善银星风力发电有限公司）