沙漠地区风机预应力管桩复合地基设计施工一体化研究

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 阳东义 黄 婕 祁林攀 田永进 张亚伟

在国家政策鼓励以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点，加快推进大型风电基地建设的大背景下，风力发电工程项目建设已愈来愈近的向沙漠及边缘地区扩展。对于如何在当地特殊的气象条件、地质特性和沙害等不利因素影响下，科学地进行风机地基及基础进行设计选型，研究切实可行的施工技术，确保风机基础的安全性和稳定性，国内缺乏类似的工程实践和理论研究，是亟待解决的工程技术问题。

本文的研究背景项目的场址位于内蒙古自治区阿拉善左旗敖伦布拉格镇境内，是一个以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电基地项目，本文的研究成功解决了沙漠区风机基础的设计和施工难题，提高了设计方案的合理和施工方案的可施工性。促进了设计和施工过程的一体化化融合，经济效益显著，极大的节省了工程建设成本，能为后续沙漠、戈壁、荒漠地区的风机基础的设计和施工提供经验参考[1-2]。

1 工程概况及设计施工一体化研究的目的和方法

本文研究项目位于内蒙古阿拉善盟阿拉善左旗，装机容量为402.6MW，项目布置122台3.3MW风机，新建一座220kV 升压站以1回220kV 架空线路接入500kV 浩雅汇集站，再通过上海庙至山东±800kV 特高压直流线路送入山东电网进行消纳。风机机组型号为CWT3300-D165-H100，叶轮直径为165m，轮毂高度为100m，机组类型为IEC IIIC。场址西侧毗邻巴丹吉林沙漠，分布有平缓沙地和南北向展布的沙丘，气候干燥、风沙大、降雨量稀少、地表植被稀疏、低矮或无植被。

针对该400MW 风电项目沙漠区域的特殊地质和施工条件，本文对代表性砂层的力学特性进行了分析，研究风机基础底部持力层位于沙漠地区代表性砂层时，如何克服其不利的力学特性，在传统风机扩展基础的型式上进行创新和改进，提出安全可靠的风机基础设计方案。以此为依据，研究并提出适合沙漠地区的风机基础的设计和施工关键技术，创造性的采用预应力管桩复合地基的方式来研究解决此棘手技术问题，试验通过预应力管桩与砂层形成复合地基的可施工性和力学可行性，以满足项目建设需要，形成沙漠地区的风机基础的设计和施工关键技术研究成果[3]。

2 沙漠地区预应力管桩复合地基设计施工一体化的研究

2.1 基本条件

本项目沙丘区风机区域东侧紧邻巴丹吉林沙漠移动沙丘，场址区地势有较小起伏，地面高程为1520～1580m，地貌为半固定沙丘，地形坡度一般1.0%～2.5%。根据《工程地质勘察报告》，工程地基岩土主要为第四系风积中细砂层，厚10～30m，第三系泥岩、砂砾岩。地基处理时，对厚度较大的砂层一般可采用换填处理，或采用桩端进入密实砂层一定深度的水泥搅拌桩、旋喷桩；但换填处理工程量过大，水泥搅拌桩地基当天然含水量小于30%时不宜采用粉体搅拌法，沙丘区地下水位总体埋藏深度较大，施工取水难度大。据地质调查与勘探揭露的地层，工程区地基土主要为第四系风积砂层，厚度10～30m 不等、中密-密实。

根据现场地质勘察和钻芯取样结果，项目场址区编号为SN13、SN14、SN15、SN16、SN41、SN42的风机机位处于沙漠区域。沙丘区沙层总体可分为两层：一层稍密-中密中细砂。一般分布于沙丘浅表层，厚度2～4m 不等；二层为密实中细砂，标贯击数一般30～50击，最大击数超过50击，分布在稍密-中密的中细砂之下，形成年代较久。通过标贯贯入试验，2m 以下砂层击数均大于15击（液化临界击数），不具液化特性。根据现场勘察，结合土工试验成果资料，提出地基土物理力学参数建议值如表1所示。沙漠边缘地带典型机位地层自上而下分布有细砂和砾砂等，稳定性、粘结性和承载力等力学性能较差[4]。

表1 地基岩土体物理上力学参数建议值

场址区地下水类型主要为第四系松散堆积层孔隙性潜水，孔隙性潜水主要赋存于风积砂层孔隙中。场址区地下水主要接受大气降水和远山地下水补给，排泄于冲沟及湖泊中。沙丘区地下水位总体埋藏深度较大，地下水位埋藏深度10～21m，调查地下水位的变化幅度3m。地下水位较深，对此次研究基本无影响。

2.2 初选方案

按传统的风机基础设计理念，将常规的风机扩展基础底部持力层直接坐落在力学性能较差的细砂层上，从理论上讲不能确保风机基础的安全性和稳定性，须在风机扩展基础底部设计混凝土灌注桩群桩基础，桩基穿透细砂层，打入下部基岩或其它适宜作为持力层的土层中。然而，沙漠地区往往砂层很厚（10～30m），灌注桩穿透至下部可持力地层的代价很高，一方面灌注桩混凝土施工工程量很大，另一方面由于桩长很长，灌注桩成孔困难往往需要泥浆护壁工艺，将导致工程成本飙升。

初选方案拟采用劲性复合桩基、又称水泥土搅拌复合桩，对风机扩展基础底部持力砂层进行加强形成复合地基。利用在大直径水泥土桩中植入高强预应力管桩（PHC），使水泥土桩与管桩复合在一起形成一种新型基桩。根据相关工程经验，通过对桩径的比选确定管桩选用PHC500AB100型号。

根据《水泥土复合管桩基础技术规程》（JGJ/T 330-2014）对水泥土桩直径与管桩直径的要求，确定水泥土桩直径为0.9m。水泥土桩水泥掺量不宜小于被加固土质量的20%，桩的布置需满足基桩最小中心距的要求，根据《水泥土复合管桩基础技术规程》（JGJ/T 330-2014）要求进行桩的布置设计。经试算基础在承台底部需布设基桩28根，分两圈布置，第一圈布置8根、分布半径为5.6m，第二圈布置20根、分布半径为8.4m。根据地勘报告，细砂层下部为强风化砂砾岩或者泥岩，承载力较高。因此以强风化砂砾岩或者泥岩为桩端持力层，桩端进入持力层2.5d。

以此方案进行现场桩基施工试验，边钻孔边旋喷水泥浆至设计深度后，进行高强预应力管桩沉桩作业。此时发现管桩沉桩困难，直至桩头打爆桩顶标高仍远未达到设计要求。经研究分析，判断由于注入水泥浆搅拌后，砂层下沉导致孔底沉渣过多形成阻塞效应，导致管桩沉桩越往下越困难，无法达到设计深度。另外，由于设计桩长为18m，预制管桩须分段打入和现场接桩，由于存在接桩时间影响，水泥土存在凝结硬化问题，无法执行完整方案。初选方案即劲性复合桩基方案试验不成功。

2.3 改进方案

初选方案的沉桩试验情况表明，水泥土搅拌复合桩基并不适用于本课题项目沙漠区域的特殊地质条件，须对地质勘察结果重新进行分析，研究、判断和提出新的解决方案。依据地勘结果，风机扩展基础底部地层为细砂层，承载力特征值fak=120kPa，标贯击数一般30～50击，最大击数超过50击，不具液化特性。考虑初选方案沉桩困难的事实，并重新对砂层的力学性能进行研究，拟判断初选设计方案对于沙漠区砂层的力学性能和地质特征估计过于保守。为了验证这一猜想，在初选方案试桩机位的其它桩位，不进行水泥土搅拌、直接进行预应力管桩沉桩，发现预制管桩最深可以沉入8m左右。

经过综合分析和研判，决定采用取消水泥土搅拌桩、直接在风机扩展基础底部布设预应力管桩群桩基础的形式进行复合地基处理作为改进方案，亦即采用“预应力管桩复合地基”方案进行试验。“预应力管桩复合地基”试验方案采取直接在风机扩展基础底部布设预应力管桩群桩基础的型式进行复合地基处理，选用的高强预应力管桩型号为PHC-400-AB-95，桩长6m、强度C80，在风机基础底部呈梅花形布置40根。通过计算复合地基承载力的特征值≥180kPa[4]，满足风机基础对地基承载力的要求。预应力管桩直接采用锤击沉桩方式，柴油锤型选用D100，冲程1.8～2.3m，采用经纬仪进行垂直度控制。

在SN13机位实施打桩试验，按照设计方案，桩底须沉入地面以下9.55m。打桩试验发现，桩底沉桩深度临近5.5m 时桩头打爆，距离设计要求的高程还差4.05m，试桩入土效果如图1所示。由于桩基入土深度不够，虽然达到了停锤标准，但可能单桩承载力无法满足设计要求，须对打桩施工工艺进行改进。

图1 试桩入土效果示意图

综合考虑砂层的力学特性，研究决定对打桩施工工艺增加预钻孔沉桩的辅助措施，预钻孔孔径比桩径小50mm，深度按桩长的1/2（3m）控制，随钻随打。经多方调查，确定采用长螺旋钻进行改装，5节2m 钻杆（1根备用）、外径350mm，护筒1个、木质盖板1个。长螺旋钻钻孔，提升后反转弃土，盖板和护筒可以有效防止弃土滑落钻孔，经在SN13风机机位平台下钻3～4m，提钻时全部存在孔内塌孔问题。更换SN16风机机位平台再次进行试钻，仍存在此类情况。分析判断造预钻孔塌孔是由于砂层的黏聚差，预钻孔工艺未采取护壁措施造成，须对预钻孔工艺进行改进。

考虑当地环保要求和建设成本，研究决定采用清水护壁钻孔。在SN16机位平台重新进行试钻。经现场反复试验摸索，当钻孔提前1h 浸水有效护壁深度约4m，钻孔至4m 深度后灌水10min 再往下钻，可以有效避免塌孔。经对预钻孔工艺进行反复试验和改进，并改装长螺旋钻机，采用分级（每级2m）灌水引孔时成孔效果最佳。预钻孔直径取350mm，顺利成功后再就位预应力管桩，锤击沉桩至设计高程。分级灌水护壁钻孔打桩施工流程如图2所示。

图2 分级灌水护壁钻孔打桩施工流程图

2.4 地基试验

针对沙漠区编号为SN16的风机机位进行试桩检验，采用预应力管桩PHC-400-AB-95，混凝土设计强度等级为C80、桩径400mm、桩距为3200mm、排距为2772mm 的桩型，桩尖型式为开口型钢桩尖，桩端进入持力层深度为6m。试桩主要为了验证单竖向抗压承载力特征值、复合地基承载力特征值的计算值与实际值是否一取，采用的试验为单桩抗压静载荷试验、复合地基静载荷试验。按低应变试验—高应变试验—单桩静载试验—复合地基静载试验，以获得详细可靠的承载力参数，以此为依据指导设计和施工。

根据地基试验结果，单桩竖向抗压承载力和复合地基承载力结果符合设计要求，“预应力管桩复合地基”设计方案+“长螺旋钻机多级灌水引孔和锤击”的施工方案试验研究成功，也形成了指导设计和施工的关键数据和工艺参数，能够满足本研究课题项目沙漠地区的特殊自然环境和地质条件。

2.5 试验检验结果

经过试验检测，单桩竖向抗压承载力满足设计要求。桩身完整性I 类桩100%，没有Ⅱ类、Ⅲ类桩。桩基进行了第三方沉降观测，沉降速率及沉降值满足要求。变形限制要求如表2所示。

表2 变形限制要求

2.6 最终方案

改进方案的现场成功试验和预应力管桩复合地基的承载力试验结果表明，“预应力管桩复合地基”设计方案+“长螺旋钻机多级灌水引孔和锤击”的施工方案可行，并取得了可靠的单桩竖向抗压承载力和复合地基承载力数据。综合考虑风机基础上部结构的各类不利荷载情况及组合、沙漠区域的建设环境和运行维护需求，对群桩平面布置进行核算，最终验算结果满足要求，即以改进方案作为最终实施方案[5]。

风机基础稳定及结构计算采用“CFD 风电工程软件-机组塔架地基基础设计软件WTF”进行计算[6]。根据《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》中扩展基础稳定及应力计算中基础采用刚性假定，即扩展基础需设计为刚性基础，将基础尺寸控制在刚性角（与基础材料相关）限定的范围内，一般由基础台阶的宽高比控制。其中，钢筋混凝土基础台阶的宽高比不宜大于2.5。另外，根据《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》7.2.1的规定，扩展基础半径R宜为轮毂高度的1/12～1/8，基础高度hs 宜为轮毂高度的1/40～1/25，基础边缘高度h1宜为半径R的1/40～1/30，且应不小于0.6m。在满足结构与构造要求及满足地基承载力条件下，经过反复试算，确定风机基础体型。

2.7 一体化研究产生的经济效益的分析

本次研究提出的“预应力管桩复合地基”设计方案+“长螺旋钻机多级灌水引孔和锤击”的施工方案，每台风机基础综合造价为16.9万元。与大规模换填级配碎石的施工方案（每台风机基础综合造价为31.7756万元）对比，本次研究方案每台风机基础可节约成本14.8756万元；比之长桩穿透细砂层的设计，考虑桩长将由6m 增加至20m（细砂层平均厚度按20m 考虑）左右，可节省成本39.4万元以上。

3 结语

本文阐述了沙漠地区预应力管桩复合地基设计施工一体化研究，探索出一条基于沙漠地区的预应力管桩复合地基设计和施工的关键技术，并形成了相应实施流程，在工程中进行了运用。沙漠地区预应力管桩复合地基设计施工一体化，既避免了高代价的长桩穿透细砂层的设计、大规模的混凝土灌注桩现场浇筑，又降低了成本增加，能极大优化工程量、缩短施工工期、提高工程成本的可控性。

“预应力管桩复合地基”设计方案+“长螺旋钻机+多级灌水引孔+锤击”的施工方案，对风机扩展基础持力层进行复合地基处理，形成了一种由常规扩展基础+预应力管桩+砂层组成的复合受力结构，更有利于环境保护和节约资源，更适宜沙漠地区的施工环境。本文研究了在以沙漠、戈壁、荒漠地区为建设区域、解决沙漠地区的风力发电地基处理问题，提高了设计方案的合理和施工方案的可靠性，促进了设计和施工过程的一体化化融合，最后探讨了一体化建设模式的实现途径，为沙漠地区预应力管桩复合地基设计施工一体化研究提供了理论参考。