某高抗震设防烈度风电场地质评价与基础选型设计

胡 城，龙海涛，衷 诚

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 611130)

风电机组基础是风电场建设的重要内容，风机基础的安全稳定直接关系上部风机设备的安全，风机基础的设计要兼顾安全性和经济性[1]。在地质条件复杂的地震区域建设风电项目，场区的地质状况决定了风机基础的选型，是影响项目成败的重要因素之一。本文将对风电场进行地质评价，分析其场地的适宜性，并在此基础上进行风机基础的选型设计。

1 工程概况

某风电场位于哈萨克斯坦东南部，介于东经78 °、北纬43 °之间，距离阿拉木图市约150 km。场址毗邻“谢列克-努尔雷-雄日-科克塔尔边界”的州级公路，交通条件较好。据历史资料，场址区域内地震基本烈度高，构造稳定性较差。场区总面积约319 ha，平均海拔高度约570 m，装机容量为60 MW。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

风电场地处斜坡平原，地貌条件突出表现为侵蚀-堆积和剥蚀-堆积综合类地形[2]。场区内地表面被风化为微沙脊及沙丘，风化层厚度为0.5～10 m不等。

2.2 地层岩性

场区地层成因类型主要为全新世的坡积-洪积沉积层、中更新世的冲积沉积层以及新近系的伊犁岩系沉积层。场地揭露的地层岩土自上而下依次为表层根植土、粉质黏土及粉土、砂卵砾石、砂、碎卵砾石土，各岩土层特性如下：

①表层根植土：浅棕色，上部松散状，含植物根系，下部黄土状，硬塑，含15 %的砾石和卵石。②粉质黏土及粉土：棕色，粉状，软塑，该层以上为腐殖质化粉质黏土和粉土的根植层，带有植物根部，根植层下面几乎全是硬质大孔隙黄土状沉陷粉质粘土，并夹杂15 %的卵石和砾石。③砂卵砾石：按卵石含量分为2个亚层，分别为砂卵石Ⅰ和圆砾Ⅱ，砂卵石Ⅰ卵石含量47.1 %～65 %，砾石含量10 %～10.6 %，其余砂土含量25 %～42.3 %，含砂晶状体和粉质黏土夹层，厚度不到10 cm；圆砾Ⅱ卵石含量37.5 %～38.8 %，砾石含量18.8 %～23.7 %，其余砂土含量38.8 %～42.4 %，含砂及黏土晶状体，厚度1～10 cm。④砂：根据粒径大小分为2个亚层，分别为中砂Ⅰ和砾砂Ⅱ，中砂Ⅰ，灰色，中密，低～中等水饱和度，卵砾石含量不到20 %，局部位含有20 cm的砾石及粉质黏土夹层；砾砂Ⅱ，灰色，中密—密实，低—中等水饱和度，卵砾石含量不到35 %，局部位含粉质黏土夹层。⑤碎砾石土：未含有砾石和碎石的砂砾土占比不到20 %～47.1 %，卵石和大砂粒占10.6 %～38.3 %，土占38.8 %～48.9 %；砂砾土和碎石土中砾石和碎石含量不超过51.8 %～62.3 %，卵石和大砂粒不超过17.4 %～28.7 %，土不超过9 %～29.6 %；砾石、碎石土和砾石土中有扁平矿体和薄矿砂层、亚黏土层，碎石部分风化至泥灰岩状态；砾石和碎石的粒径为2～19 cm，卵石和大砂粒粒径为0.3～0.8 cm；在砾石、碎石、大砂粒和卵石的岩石组分中，花岗岩、大粒及中粒花岗闪长岩、闪长石占多数，砂岩占少量。

2.3 水文地质条件

场区地下水分布不均。毗邻冲积湖泊平原的冲积扇地区是一个具有大量地下水资源的领域，伊犁河盆地、巴拉布古德山和卡赖姆切克山区均属于弱水淹区。地下水的最大水位出现在春季和初夏，而最低位则出现在秋冬季节，波动范围为1.5～4.5 m。

2.4 地质构造

从区域上来看，具有复杂的地质构造，最古老的地层分别为中-上寒武纪和上奥陶纪的下古生代岩石[2]。寒武纪厚地层呈现为青灰色砂岩和石英绿泥，含有硅石、石英岩和石灰石夹层。奥陶系的沉积层不协调地重叠在寒武纪上，从而组成了克济勒克尔卡山的南坡和浅丘。地区内第四纪沉积层分布广泛，形成了伊犁盆地，以及河谷溪流和河流，坡上覆盖着基岩风化物。

2.5 地震

区域大地构造部位位于中天山北缘深断裂与中天山南缘深断裂间的断块内，场区内及外围位于中天山地震带上，地震活动频繁，区域构造稳定性差。

3 工程地质问题及评价

3.1 场地稳定性及适宜性

3.1.1 软土振陷

当粉质黏土及粉土的孔隙比大于1，且天然含水量大于液限时，其软土呈现振陷工程特性[3]。勘探表明，局部位于浅表部的粉质黏土及粉土具有振陷性，应充分考虑其振陷问题。

3.1.2 地基土液化

场址区内勘探深度范围内见有一定厚度的砂层，应考虑地基土的液化问题。

3.1.3 冻土

场址区内土壤冻结的标准深度为135 cm，0 ℃时土壤的最大冻结深度为175 cm，应充分考虑冻土因素。

3.1.4 地震设防

经土壤地震等级综合评估[4]，场址区50 a超越概率10 %的地震动峰值加速度为0.40g，就物理特性而言，风电场区域内的土壤厚度可划作二级地震特性，区域内的原始地震烈度为9度，地震动反应谱特征周期为0.45 s。按规范[6]，设计抗震设防烈度为Ⅸ度，基本地震加速度值为0.40g，地震分组为第三组，场内建筑物抗震设防分类为丙类。

基于以上分析，并考虑地形、地层岩性、地质结构等因素，可判定该场地目前较稳定，适宜作为风电场建设用地。

3.2 不良地质作用

不良地质作用主要包括永久和临时水流的侵蚀活动和堆积活动、平面冲刷、线性侵蚀、山体滑坡、软土振陷性、地震烈度高及砂土液化。水流侵蚀活动和堆积活动表现为河岸和河底的冲刷和重新处理、水流破坏土壤，以及破坏产物的转移和沉积。从侵蚀过程来看，还应当注意平面冲刷和线性侵蚀。在雨水和雪水出现时期，这些斜坡很容易受到破坏并进一步发展成峡谷，在自然状态下，这些斜坡是稳定的，但在坡面受到附加荷载和发生地震时，剪切力和土壤抗剪强度会受到破坏，从而发生山体滑坡。浅表层粉质黏土及粉土因附加荷载而具有振陷性。区域位处高强地震区，部分孔位揭示存在饱和砂土及粉土，地面下存在因地震而引发砂土液化问题。

3.3 地基土的适宜性

场区内地基土土层厚度分布不均，在纵向及横向均变化较大，且无规律性。建(构)筑基础埋置深度内可能出现不均匀地基，其物理、力学性质差异较明显，各土层作为地基基础持力层的适宜性评价如下：

(1)根植土：结构及密实度很不均匀、变异性大，不能选作建(构)筑物天然地基基础持力层，应予以清除。

(2)粉质黏土及粉土：多作为夹层存在，承载力一般，其物理、力学性质一般，其分布极不连续、不均匀、不稳定，浅表层粉质黏土或粉土具有振陷性，不建议作为建(构)筑物天然地基基础，应予以清除。

(3)砂卵砾石：分布不连续、不均匀，承载力较高，其物理、力学性质较好，可作为风力发电机组位及升压站浅基础及深基础持力层。

(4)砂：厚度分布不均，在剖面上交替出现，少见细砂和粉砂，多以夹层形式存在，承载力一般，其物理、力学性质一般，由于饱和砂土及粉土层存在液化问题，须经过处理后方可作为基础持力层。

(5)碎砾石土：在剖面上分布不连续、不均匀，承载力较高，其物理、力学性质较好，可作为风力发电机组位浅基础及深基础持力层。

4 风机基础选型与设计

4.1 输入资料

据资源评价选取的风电机组类比参数见表1。

表1 选定机型参数

风机基础持力层拟定为含砾石砂土，选取机位的地层岩土力学参数建议值见表2。

表2 风机基础持力层岩土力学参数推荐值

由风电机组厂家提供的上部结构传至塔筒底部的内力荷载标准值，以及设计荷载标准值取值见表3。

表3 正常运行工况及极限工况荷载

4.2 基础型式选择

陆上风机的基础型式主要包括重力式扩展基础、桩基础、岩石锚杆基础、预应力墩式基础、梁板式基础等，这几种常用的基础型式各有优、缺点，适用类型也不同，迟洪明[6]、王兵峰[7]等对风机基础型式进行了相关研究。

根据本工程的地层岩性，以砂砾土为持力层，抗震设防烈度为9度，桩基础、岩石锚杆基础、预应力墩式基础均不适合，优先采用重力式扩展基础和梁板式基础。重力式扩展基础型式简单，施工较方便，工期控制相对容易；梁板式基础采用辐射状肋梁、环梁和底板、中央圆形台柱的组合结构，基础方量较小，但施工工艺较复杂，对浇筑质量要求高，工期略长，造价较低。经综合比较，本工程采用梁板式基础，设计的基础结构示意图见图1。

4.3 计算结果

采用北京木联能软件技术有限公司与中国水电工程顾问集团公司联合开发的《CFD风电工程软件-机组风机地基基础设计软件》进行结构计算。计算确定梁板式基础结构分为上下两部分，上部为直径5.6 m高3.2 m的圆形台柱，台柱高出地面0.3 m，下部为直径22.2 m厚0.6 m的圆形底板，底板外沿布置1.3m高的环梁，径向布置8道肋梁，肋梁根部高度为3.5 m，外缘高度为1.3 m。风电机组基础混凝土强度等级采用C40，基底下部设0.1 m厚的C15混凝土垫层，计算结果见表4。

表4 计算结果

图1 梁板式风机基础结构示意

表4中结果显示，本工程设计的风机基础在各计算工况下地基承载力、基础不均匀沉降量、倾斜率、基础底面抗滑及抗倾覆稳定安全系数均满足规范要求，风电机组基础结构满足风电机组安全稳定运行的要求。

5 结论

(1)场区地貌条件表现为侵蚀-堆积和剥蚀-堆积综合类地形，表面被风化为微沙脊及沙丘；地层成因类型主要为全新世的坡积-洪积沉积层、中更新世的冲积沉积层以及新近系的伊犁岩系沉积层；地层岩性主要为根植土、粉质黏土及粉土、砂卵砾石、砂、碎砾石土；区域大地构造部位位于中天山北缘深断裂与中天山南缘深断裂间的断块内，场区内及外围位于中天山地震带上，地震活动频繁，区域构造稳定性差。

(2)场区主要不良地质作用包括永久和临时水流的侵蚀活动和堆积活动、平面冲刷、线性侵蚀、山体滑坡、软土振陷性、地震烈度高及砂土液化。

(3)场地目前较稳定，适宜作为风电场建设用地；确定基本地震设防烈度等级为9度，场地类别为II类。

(4)选择砂卵砾石或碎砾石土作为风机基础的持力层。

(5)采用梁板式风机基础结构设计，计算结果表明，各工况均满足规范要求，风机基础是安全的。