黄土高原地区风力发电结构-承台-桩基数值模拟

刘增荣，武世刚，张珊珊，刘介继

(1.西安建筑科技大学 土木学院， 陕西 西安 710055； 2.上海建科工程咨询有限公司， 上海 200030)

黄土高原地区风力发电结构-承台-桩基数值模拟

刘增荣1，武世刚1，张珊珊1，刘介继2

(1.西安建筑科技大学 土木学院， 陕西 西安 710055； 2.上海建科工程咨询有限公司， 上海 200030)

通过现场勘查和室内土工试验，取得风电场地基土和回填土参数，结合风力发电结构设计资料，利用ABAQUS建立风力发电结构-承台-桩基有限元模型。数值模拟结果与机组现场实测数据对比表明：承台基础环自重和回填覆土沉降的模拟结果与实测数据基本一致；上部结构吊装后，实测沉降值较大，原因主要是吊装过程中大型车辆碾压和吊装完成后风荷载作用。三个阶段数据对比结果表明建模过程正确，模型具有可行性和合理性，为后续施加风荷载，进行黄土高原地区风电机组的更多研究提供参考。

风电机组；基础环；数值模拟；黄土

黄土高原地区的风电机组普遍采用多桩承台基础，上部风力发电结构、承台、桩基组成一个协同受力和变形的整体[1-2]。随着风力机的大型化，轮毂高度不断增大，基础对塔架的支撑要求更加严格[3]。目前建立上部发电结构-地基基础有限元模型，对风荷载作用下地基基础的受力特性研究比较有限[4]。

刘莹等[5]提出了一个考虑循环衰减作用的软黏土弹塑性损伤弱化模型，在此模型基础上建立了一个基于剪切位移法的风机单桩竖向承载力简化计算方法。朱志祥[6]和邓宗伟等[7]通过建立有限元模型，对山区风电机组地基基础进行研究，并对比实测数据，分析两者误差原因。Yan S等[8]结合国电铁岭风电场工程，利用ABAQUS有限元模型，探讨岩石锚杆钢筋混凝土基础的力学特性，并验证了岩石锚杆基础正常使用的安全性。王炽欣等[9]以陆丰甲湖风电场工程为例,构建了风力发电机组基础有限元模型,并分析了力学性能和大风荷载作用下的受力特点,通过改变机组基础的底板厚度与基础环护壁厚等几何参数研究了发电机组基础受力变化。

张康[10]结合盐池某风电场风机基础沉降观测数据，利用指数曲线模型对风机沉降量进行长期性预测。本文依托陕北定边某风电场实例，通过风电场现场勘查和室内土工试验，取得地基土和回填土参数，结合设计资料，利用ABAQUS建立风力发电结构-承台-桩基有限元模型，详细阐述了建模过程中的重要细节和相关参数，将数值模拟结果与基础沉降实测数据对比，分析误差产生原因，证明了建模过程和参数的合理性。

1 工程背景与室内土工试验

1.1 室外取土

该100 MW风电项目位于陕北定边南部，施工图阶段勘察共布置53台风机位，含3处备用机位。按照任务书要求，并结合区域地层岩性特点，勘察作业主要采用地质调查、钻探、探井和室内试验等手段。外业完成的工作量见表1。

表1 风机地段场区勘察工作量一览表

按其岩性及工程性能将风电场场区地层划分为以下几层，现将勘探揭露各层岩土的分布及特征由上至下叙述如下：

①层黄土(Q4eol—Q3eol)，浅黄色—黄褐色，干燥—稍湿，松散—稍密，广泛分布于黄土梁、低岗斜坡表层。厚度一般为3.3 m～5.0 m，平均厚度4.1 m，局部含砂量较高。地表层主要为耕土，含植物根系和腐殖质。

②层黄土(Q3eol)，浅黄色，稍湿，稍密，土质均匀，以粉粒、砂粒为主，垂直节理及孔隙发育，少见钙质斑点，局部夹古土壤层。该层较为发育，场区均有分布，局部含砂量较高。厚度14.4 m～18.0 m，平均厚度16.2 m。

③层黄土(Q2eol)，黄褐色—褐黄色，稍湿，稍密—中密，土质均匀，发育根孔及虫孔，可见钙质粉末及铁锰质斑点，主要以粉土、粉质黏土为主。该层连续分布，厚度变化较大。厚度2.2 m～5.9 m，平均厚度3.7 m。

④层黄土(Q2eol)，黄色—灰黄色，稍湿，稍密—中密，土质均匀，主要成分为粉土，含少量粉砂。可见铁锰质斑点，有少量针状孔隙发育。本次勘探未揭穿该层。

现场洛阳铲小钻孔和人工探井作业见图1。

图1小钻孔和探井

1.2 室内试验

为保证室内试验的准确性，现场取土完成后尽快进行了室内物理性质试验、力学性质试验、扰动样腐蚀性试验、混合击实试验等。根据本次实验结果，结合现场勘察，并参考《工程地质手册》[11]各层地基土的主要物理力学性质指标见表2。

对扰动土试样进行了易溶盐试验，结果显示SO42-、Mg2+、pH值实测值分别在95 mg/kg～165 mg/kg、9 mg/kg～53 mg/kg、9.0～9.8之间。现场通过摇表测得风机塔架场地土壤电阻率平均值为183.6 Ω·m。综合判定风机塔架场地土对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋均具微腐蚀。

为对回填土进行质量控制，共进行了三组混合击实试验，并参考《岩土工程勘察规范》[12](GB 50021—2001)，击实试验成果见表3。

表2 地基土主要物理力学性质表

表3 击实试验成果表

2 建立有限元模型

2.1 模型基本参数

选取某风机位置，其基础尺寸示意图、桩位布置图(为下文探讨承台沉降等模型结果，将沉降标进行编号)见图2、图3。

图2 基础尺寸示意图

图3桩位布置图

根据有限元理论及相应工程经验，为了尽可能减小边界条件对计算结果的影响，本文模型计算区域的水平方向约取承台尺寸的10倍，竖直方向约取桩长的2倍。该风机实例承台直径16 m，桩长27 m，故模型水平方向计算范围取直径50 m，竖直方向取60 m。

桩体、承台和地基土的模型参数取值见表4、表5。本文模型中采用第3组击实试验得到的数据作为回填土的参数。

表4 桩体、承台模型参数

表5 地基土模型参数

模型中的上部发电结构主要考虑的是叶轮系统、机舱以及塔筒的重力荷载和塔筒、叶轮所受风荷载。机组风荷载依据相关资料和规范进行计算，本文不予叙述。机舱和叶轮系统由厂家直接提供，其主要参数见表6。

表6 叶轮系统和机舱模型参数

塔筒由四段筒体组成，支撑叶轮和机舱，且在模型应用时可进一步研究其振型、所受风荷载等，所以在模型中单独建立部件。基础环由筒身和上下法兰组成，是重要的传力部件，在模型中单独建立部件。塔筒和基础环的模型参数见表7。

表7 塔筒和基础环模型参数

2.2 建立模型

2.2.1 回填土和地基土

施工中要求回填土压实系数不小于0.95，渗透系数小于10-7cm/s。基坑回填时，回填土须分层碾压夯实，分层铺实厚度小于300 mm。回填土大面积施工前应采用击实试验确定回填土的最大干密度和最优含水率。其物理性质和第一层地基土远远不同，故本文将回填土单独设置部件，通过生死单元来实现其对机组的影响[13]。回填土和承台侧面、基坑侧面设置接触对。在模型回填覆土分析步，对其施加重力，与实测数据对比。

地基土体看做实体单元，采用弹塑性体模拟，选取Mohr-Coulomb模型，其中剪胀角取值均取内摩擦角的一半[14]。根据弹性力学理论，土体的弹性模量E0=β·Es，其中β=(1-μ-2μ2)/(1-μ)，μ为泊松比。而在实际工程中，由该公式得到的弹性模量不够准确，对于软土，E0和β·Es值较为接近；对于较硬的土，E0可能是β·Es值的2～8倍，土愈坚硬，倍数愈大，本文土体弹性模量取为压缩模量的2.5倍[15]。

2.2.2 桩-土接触面

桩-土接触面设置时，选取的是面-面接触，桩-土接触面间的桩土摩擦系数与土的性质密切相关，其大小随着土体强度的增大而增大；桩土摩擦系数还与桩身表面粗糙程度有关，桩身表面越粗糙摩擦系数就越大。一般情况下，对于混凝土桩而言，桩身与黏性土之间的摩擦系数为0.25～0.40，与砂土之间的摩擦系数为0.5～1.0。本文中假设桩身表面粗糙程度一样，混凝土桩与桩侧土体的摩擦系数为0.3[16]。

2.2.3 基础环

基础环通过高强螺栓穿过上法兰与下段塔筒连接，下段塔筒底面和基础环顶面两个面就相当于焊接在了一起[17-18]。在受力过程中，上部发电结构的重力以及风荷载通过基础环传递给基础，所以在模型中应把基础环与塔筒看作是不可分离的。基础环和承台之间通过工字钢(角钢)支撑下法兰与双层穿孔钢筋穿过筒体连接，并在水平度调整好以后，用电焊将调平用的螺栓与预埋钢板焊接加以固定。在浇筑混凝土后，基础环在承台中是固定不动的。所以，塔筒和基础环、基础环和承台之间都应采用Tie约束。承台基础环模型图见图4。

2.2.4 网格划分和地应力平衡

网格划分时，上部塔筒采用S4R壳单元，承台、基础环、桩和地基土和回填土均采用C3D8R实体单元。由于本模型预留承台基坑，桩数较多，地基形状不规则，故本例采用自动平衡地应力方法[19]。地应力平衡效果与网格划分见图5。

图4 承台和基础环模型

图5地应力平衡效果图

3 与实测数据对比分析

本模型依据室内土工试验取得土体参数，并采用现场承台-桩基实际布置尺寸，以承台和基础环自重环模拟基础施工、回填覆土自重和相互作用模拟基坑回填、塔筒机舱以及叶轮系统等自重模拟上部结构吊装。模拟结果分别与基础浇筑阶段、基坑回填阶段、上部结构吊装阶段完成的沉降观测数据进行对比，见图6。

数值模拟结果与机组现场实测数据对比显示：基础浇筑完成阶段和回填土阶段模拟值在4个沉降标位置基本相同，实测值4个位置的最大沉降差为0.6 mm。表明沉降建立初始值后，基础的养护以及基础回填土的不均匀沉降较小。

吊装完成后的模拟值在4个沉降标位置基本相同，实测值4个位置的最大沉降差为1.00 mm，与模拟值的最大差值为1.22 mm。原因主要是：在上部发电结构的吊装过程，构件的大型运输车辆以及吊装机械反复碾压，该过程甚至会出现地基土的回弹；叶轮系统和塔筒安装后随即受到风荷载作用，背风侧沉降普遍大于迎风侧沉降值[3]。风荷载的影响在后期计算过程中将会考虑，该部分误差可以抵消。后续黄土高原地区风电机组施加风荷载，进行其他研究可参考模型，沿用相关参数。

图6模拟结果与实测数据对比

4 结 论

本文通过风电场现场勘查室和内土工试验，取得地基土和回填土参数，结合设计资料，利用ABAQUS建立风力发电结构-承台-桩基有限元模型。在合理范围内对桩和土、承台和基础环、塔筒相关参数进行假设和优化，通过数值模拟结果和实测数据对比，得出相应的结论。表明建模过程正确，模型具有可行性和合理性。后续黄土高原地区风电机组施加风荷载，进行黄土高原地区风电机组的更多研究提供参考。

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NumericalModelingofWindPowerStructure-Cap-PileFoundationinLoessPlateauRegion

LIU Zengrong1, WU Shigang1, ZHANG Shanshan1, LIU Jieji2

(1.SchoolofCivilEngineering,Xi'anUniversityofArchitectureandTechnology,Xi'an,Shaanxi710055,China；2.ShanghaiJiankeEngineeringConsultingCo.Ltd.,Shanghai200030,China)

Based on field investigation and laboratory soil tests, the parameters of ground soil and backfill soil are obtained, after which a finite element model of Wind Power structure-cap-pile foundation was established by using ABAQUS based on wind power structure design data. The numerical simulation results and measured data show that the simulation results of the weight settlement of cap foundation ring and the settlement of backfill soil are consistent with the measured data. The measured settlement value is large after lifting the superstructure and the main reason is the rolling of large vehicle during the lifting process and the wind load after lifting. The data comparison results of the three stages show that the modeling process is correct and the model is feasible and reasonable.

windturbine;foundationring;numericalsimulation;loess

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.044

2017-07-20

2017-08-16

陕西科技统筹创新工程计划项目(2013KTCQ)

刘增荣(1954—)，男，陕西西安人，博士，教授，博士生导师，主要从事黄土地区岩土工程研究。E-mail:656407129@qq.com

TU4

A

1672—1144(2017)06—0221—06