风电基础选型及设计分析

杨丹萍，于 莹，尹钟霄

（吉林建筑科技学院 土木工程学院，吉林 长春 130114）

中国地域辽阔，自然资源丰富，风能的有效开发及利用具有良好的社会前景。我国风能开发利用较晚，但发展迅猛。风电发展“十三五” 规划指出，风电已在全球范围内实现规模化应用，截止至2020 年底，风电累计并网装机容量确保达到2.1 亿KW 以上，其中海上风电并网装机容量达到500 万KW 以上；风电年发电量确保达到4200 亿KW 时，约占全国总发电量的 6%。近年来，大量学者和企业投入到风能的开发中来，陆地风电以及海上风电技术的不断发展也对风电基础提出了更高的要求。选取合适的基础结构形式，并将结构体系做到布置合理、传力明确，需要加强的地方重点处理，次要的构件避免浪费，风电基础结构设计应做到 “体系优化”，而不仅仅拘泥于 “构件” 这个层面。

1 风电基础概述

风电基础是风力发电塔的重要结构部分，不仅需要承受全部的上部荷载以及作用，还需要其在保证结构安全可靠的情况下进行传递。与此同时，其稳定性也是整体结构设计时需要考虑的关键点，使其最大化的发挥其力学性能、有效的控制工程成本、提高施工的便捷性等方面具有很好的前景。我国风电基础设计的历程大致可以分为三个阶段：基础开发阶段、设计学习阶段、创新设计阶段。第一阶段（2003年以前），截止2003 年，我国具备小型风电基础的开发能力，在此之前我国风电基础研究处于萌芽阶段，清洁能源、节能减排未受到重视，风电场规模较小，风电基础设计多由建筑设计院完成，没有相应的基础设计规范；第二阶段（2003 年～2007 年），我国引入大型风电基础，并开始尝试设计开发，随着国家对风电行业的重视，风电基础的研究也得到了快速发展，我国2005 年开始了风电基础规范的制定工作，并于2007 年发布。与此同时，相关的设计软件也投入使用；第三阶段（2007～至今），我国已经具备大型基础设计能力，并开始创新型风电基础的设计研究[1]。

2 风电基础的主要形式

2.1 陆上风电基础

我国陆上风电基础形式主要包括扩展基础、桩基础、岩石锚杆基础、预应力墩式基础、梁板基础 。其中扩展基础、桩基础、岩石锚杆基础应用较多。

扩展基础又称为重力式扩展基础，该基础形式是陆上风电基础的常见形式，其通过将基础面积进行扩展，使上部荷载和作用得到一定的扩散，从而满足设计要求 。它具有良好的抗弯与抗剪性能，施工过程中不需要大开挖，结构的整体性好，力学模型建立简单且收敛性好，使用过程中安全可靠，适用范围广。但是，其基础工程量较大，增加了工程造价，且对于土层要求较高，地基软硬不均以及土质较差的情况并不适用。

桩基础通常采用灌注桩和预应力混凝土桩，该基础形式主要适用于地基软硬不均以及土质较差的情况。这种情况下上部结构对变形的要求不能被满足，通常会采用此基础形式。该基础形式具有承载力以及稳定性好，基础不均匀沉降小，抗震性以及抗爆性好，能适应不良地质灾害以及周边的荷载变化等优点。但是桩基础在工程成本方面造价较高，其施工也较为复杂，并且在设计方面计算难度大。郭文文等[2]采用ABAQUS 有限元软件进行单桩基础、圆盘式混合单桩基础以及重力式圆盘基础的模拟，模拟采用真实的环境设定，考虑土体与桩体的相互影响以及土体自身的弹塑性性能，并对其进行承载力、刚度以及强度验算。模拟研究表明采用圆盘式混合单桩基础的稳定性及其各项承载能力都显著提高。

岩石基础包括岩石锚杆基础和桩锚杆基础，常用于大兆瓦风机类型（大于1500KW），岩石层整体性较好的情况。当岩石层分布不均匀时，不可采用此基础类型。桩锚杆基础可适用于地质条件恶劣。例如，滩涂、淤泥层等地质条件，但是当土层塌陷性较大时会对桩成孔造成影响，需要进一步技术处理。马逸鹄等[3]提出了一种新型预应力自锁头锚杆，通过自锁头和岩石间压紧摩擦锚固，并通过施加预应力减小锚杆的疲劳应力幅，其可代替传统岩石锚杆用作基础和岩石间的锚固。通过4 组疲劳试验和静力试验分析表明，其抗疲劳性能以及极限抗拔承载力显著提高，可安全可靠的应用于工程中 。Salcher 等[4]针对悉尼地铁西北隧道工程进行了岩石锚杆和锚索锚杆在砂岩和页岩中的拉拔试验研究，研究采用端锚防腐蚀钢螺栓，树脂灌浆纤维增强塑料螺栓，水泥灌浆锚杆和摩擦锚杆进行试验，探讨锚杆类型、注浆剂、岩性、锚杆材料和钻孔直径对其抗拉拔性能的影响，并针对于施工过程中的问题，例如灌浆部分密封，树脂混合不足等提出了建议。

2.2 海上风电基础

海上风电的基础结构形式主要包重力式基础、三角架基础、单桩基础、导管架基础、筒型基础、浮式基础，最常用的形式为单桩基础以及重力式基础[5]。重力式基础多为钢筋混凝土结构，其设计简单，稳定性及可靠性好，但是体积较大，造价较高且抗腐蚀性差。通常适用于海水深度低于十米的土质较硬的浅海。单桩基础通常是将一根钢桩打入一定深度的海底，适用于深度不超过30m 的海域。其具有造价低的优点，虽然单桩成本较低，但是随着时间的增长，海水的腐蚀性会对其结构造成很大影响，特别是处于海底地震带时，结构容易有倒塌风险。海上风电基础的受力非常复杂，在承受上部结构传递的静力荷载的同时，还要承受动荷载和偶然荷载的作用，在选型时，海水深度、海床及地质条件等是考量的关键。Byrne 等[6]针对于海上风电基础的设计方法以及计算模型进行了研究，由于荷载由风荷载和波浪荷载组成，具有周期性。传统的计算模型基于塑性理论，其二维加载以及单调加载两方面仍然具有限制性，将传统模型进行调整，得到符合结构构件和环境条件的计算模型。

3 风电基础设计

3.1 风电基础计算方法

目前根据风电基础的特点，其在计算时主要考虑荷载工况、结构动力及静力、结构冲刷及腐蚀等因素的影响。荷载工况主要包含风机荷载和环境荷载，风机荷载由叶轮静风压荷载、湍流荷载、尾流荷载、发电机偏引荷载和机组重力荷载等[7]组成，此部分目前由生产厂家提供数据。环境荷载通常在海上风电基础设计时考虑，由波浪力产生的荷载以及海流力产生的荷载两部组成。风电基础的计算主要包括静力计算以及动力计算两部分，结构静力分析需要进行基础承载力、强度、变形以及稳定性的计算；结构动力部分计算包括模态分析及疲劳分析等，主要考虑风荷载的动态特征。赵俭斌等[8]针对于风电基础疲劳损伤的计算方法进行了分析比较，并以海上单桩风机基础为例进行疲劳分析，运用全时域动力分析模型以及频域疲劳损伤计算流程分析了阻尼比取值、风与波浪联合作用、应力幅概率分布模型对基础疲劳损伤的影响。迟洪明等[9]利用三维有限元计算方法进行了风电基础受力状态分析，并结合计算结果及已有破坏形态资料，分析得出其应力集中区域并对其采取有效的加固措施。王其标等[10]利用流函数波浪理论对近海风电桩基础进行了分析，通过Morison 方程与P-y 曲线法对不同水深情况下的水平向受力性能进行研究，分析风电基础的受力特点及变形规律。研究表明水深对桩基的承载力有直接影响，波浪计算模型的准确有利于设计前期波浪力的有效估算，Morison 方程主要考虑了波浪作用，而对于海流与波浪的耦合作用需要进一步分析。

3.2 风电基础优化设计

风电基础设计主要包括基础体型设计、承台设计、桩基设计等方面。“结构优化” 指的是在安全、合理的结构形式下使结构做到最经济，而不是只要把钢筋混凝土用量降下来就算是优化。在基础体型设计时，根据风电基础的荷载特性，通常采用中心对称的圆形基础。承台设计需要考虑其半径、埋深、厚度、配筋等影响因素，优化承台设计可有效减少工程量，保证结构的稳定性，减少工程造价。练继建等[11]提出了一种应用于海上风电系统的新型牵索锚固式基础结构形式，该结构具有可适用于不同水深环境、结构简单、刚度可调整等优点。采用正常运行工况以及极端风况两种工况进行研究，并以某工程为例，运用单因素分析的方法得出索缆根数、索缆牵拉位置、索缆夹角等参数对基础结构的影响。王刚等[12]对基础的抗冰设计进行了研究分析，寒区海上风电基础处于结冰海域时，面临诸多不确定因素，基于设计合理性验证监测要素分析，建立了海上风电基础加锥抗冰分析现场监测系统。通过在我国北黄海某风电场的工程应用，确定了海冰与风电基础锥体结构作用破碎行为，验证了结构抗冰性能与抗冰设计合理性。

4 结语

（1）目前，全世界对于能源的保护意识不断增强，清洁能源的推广和应用已成为一种必然的趋势。风力发电作为可再生能源，是最具竞争力的能源之一，基于我国风电场建设的迅速发展，新型风电基础的研究具有很好的研究与应用前景。

（2）风电基础设计时，应综合考虑其影响因素。海上风电基础设计时，由于海水的腐蚀，还需要对结构的受腐蚀情况、海上土质的复杂性与含盐量对基础的作用以及海上风振对基础的影响进行考虑。