某平原风电场风机基础桩基方案比选

秦志江，李宇飞，何 杰

（1.国电电力山东新能源开发有限公司，山东 烟台 264003；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010）

风力发电塔筒属高耸结构，风机基础是结构的重要组成部分。基础的受力具有随机性和脉动性的特征，水平风荷载在基础顶面产生的弯矩较大，该弯矩往往是风机基础设计的控制荷载[1]。风机基础承担着将上部结构所承受的全部荷载、安全可靠地传递到地基，并保持结构整体稳定的作用。风机基础的选型及布置与外部荷载和作用的类型、场地和地质条件均有密不可分的关系。合理的基础选型对于降低工程造价、缩短建设周期和保证结构的安全性是至关重要的。

文章以某平原风电场项目为例，对风机基础桩基选型进行比选分析，并提出推荐方案，可为类似工程项目提供参考借鉴。

1 工程概况

山东省夏津县某陆上风电场工程，项目规模为100MW，拟安装单机容量2MW风机50台。项目场址地处鲁西北黄泛冲积平原。地势自西南向东北缓慢倾斜，坡降为1/5000～1/8000，最高海拔34m，最低海拔23.5m，高差10.5m。场地地震动峰值加速度为0.10g，对应抗震设防烈度为Ⅶ度区；设计地震分组为第二组，地震动反应谱特征周期为0.45s。

2 工程地质条件

①粉质黏土：深度2.2～2.8m，黄褐色，软塑，岩芯呈短柱状，土质不均，含粉土颗粒，黏性较好，可搓细条，干强度中等，韧性中等，无摇振反应。

②粉土：深度2.8～6.8m，黄褐色，呈稍密，饱和，岩芯短柱状，土质不均，含粉砂颗粒。

③粉质黏土：深度6.8～8.2m，黄褐色，软塑，岩芯呈短柱状，土质不均，含粉土颗粒，黏性较好，可搓细条。干强度中等，韧性中等，无摇振反应。

④粉土：深度8.2～10.6m，黄褐色，呈稍密，饱和，岩芯短柱状，土质不均，含粉砂颗粒。

⑤粉质黏土：深度10.6～13.1m，黄褐色，软塑，岩芯呈短柱状，土质不均，含粉土颗粒，黏性较好，可搓细条。干强度中等，韧性中等，无摇振反应。

⑥粉土：深度13.1～14.2m，黄褐色，呈稍密，饱和，岩芯短柱状，土质不均，含粉砂颗粒。

⑦粉质黏土：深度14.2～16.9m，黄褐色，软塑，岩芯呈短柱状，土质不均，含粉土颗粒，黏性较好，可搓细条。干强度中等，韧性中等，无摇振反应。

⑧粉土：深度16.9～20.8m，黄褐色，呈稍密，饱和，岩芯短柱状，土质不均，含粉砂颗粒。

⑨粉质黏土：深度20.8～30m，未揭穿该层。黄褐色，软塑，岩芯呈短柱状，土质不均，含粉土颗粒，黏性较好，可搓细条。干强度中等，韧性中等，无摇振反应。

3 桩基方案比选

风机基础设计等级为甲级，结构安全等级为一级[2]。场区地质主要为粉质黏土、粉土互层分布，地基承载力较低，不宜作为天然地基基础持力层。而桩基础通过下设桩基将上部结构荷载传导至下卧地基中，具有承载力高、适用范围广的优点。桩基础主要适用于滩涂、平原等存在软弱土层的地区。

一般工程上常用的有灌注桩、预制桩。灌注桩一般采用大直径钻孔灌注桩，适用于各种类型的土层，桩长、桩径可根据设计灵活调整，单桩抗压承载力高。其缺点是为防止塌孔需采用泥浆护壁措施，导致整个桩基施工周期较长；打桩过程易出现缩孔、桩底沉渣未清理干净等现象，这对施工质量控制要求较高。预制桩为预应力混凝土管桩（PHC桩），在工厂预先制造PHC桩，然后运输到现场，并通过锤击或静压的方式沉桩[3]，不仅施工方便，施工工期还较短。不足之处在于PHC桩遇到密实砂层时，较难穿透。

从方案可行性角度分析，该工程场区的地质特点均适用于灌注桩与PHC管桩方案。以下从经济、工期、环保等方面进行桩基方案比选。

（1）经济方面。①灌注桩方案。钻孔灌注桩桩径800mm，在承台范围内采用环向布桩。由外到里依次布置2圈（距承台中心8.3m、4m），其中外圈桩20根，内圈桩8根，总桩数为28根，有效桩长30m。上部承台底面直径为18.2m，埋深3.2m。灌注桩布置方案如图1所示。②PHC桩方案。PHC桩为PHC-AB600-110型，在承台范围内采用环向布桩。依次布置3圈（距承台中心8.5m、6m、3.5m），其中外圈桩22根，中圈桩11根，内圈桩3根，总桩数为36根，有效桩长25m。上部承台底面直径为18.2m，埋深3.2m。PHC桩布置方案如图2所示。③经济比选结果。由于上部承台尺寸相同，因此仅比较灌注桩与PHC管桩的工程量及造价，灌注桩包括钻孔长度、桩身混凝土、钢筋等工程量，PHC桩包括桩长等工程量，灌注桩与PHC桩经济比选如表1所示。由表1可知，单台风机基础PHC管桩比灌注桩造价低25.7万元。

图1 灌注桩布置方案

图2 PHC桩布置方案

表1 灌注桩与PHC桩经济比选

（2）工期方面。灌注桩的施工步骤包括钻孔、泥浆置换、清孔、钢筋笼制作、混凝土灌注等，施工工艺较复杂，工期较长[4]。PHC桩采用工厂预制，无须现场浇筑和养护。在连续施工的情况下，采用PHC桩预计比灌注桩施工工期节约10～20d。在项目工期较为紧张的情况下，PHC桩方案在工期方面更有优势。

（3）环保方面。PHC管桩需打入持力层一定深度，一般采用锤击式沉桩。风电项目场区范围大，离居民区较远，锤击沉桩虽然会产生一定噪声污染，但影响程度相对有限。钻孔灌注桩的施工需要采用泥浆护壁措施，产生的大量废泥浆和废水如果随意处理排放，会造成地下水的污染，干燥后形成粉尘污染。

（4）桩基方案比选推荐。通过桩基方案比选，PHC管桩在经济、工期、环保等方面比灌注桩更具有优势。经工程项目成本统计，采用PHC桩方案施工，能够节约风机基础工程造价18%，经济效益与社会效益均达到良好效果。

4 结论

文章以某平原风电场为例，从地质条件角度分析了风机基础采用桩基方案的必要性及可行性，并比较了灌注桩和PHC管桩的各自特点，最后对两种桩基方案进行比选分析，得出以下结论：（1）由于该平原风电场具有粉质黏土、粉土互层分布的特点，地层地基承载力较低，压缩性较高，不能作为天然地基持力层。风机基础考虑采用灌注桩、PHC管桩等桩基方案。（2）PHC管桩在经济、工期、环保等方面比灌注桩更具有优势。PHC桩通过在基础承台下均匀环向布桩，且桩打入较硬的持力层，可以很好地解决风机基础承载力及沉降问题，具有良好的经济效益与社会效益，可在类似地质特点的平原风电场中应用。