复杂地质区域风电场风机基础选型研究

复杂地质区域风电场风机基础选型研究

秦龙

（国华巴彦淖尔（乌拉特中旗）风电有限公司内蒙古巴彦淖尔015300）

摘要：随着国内风电市场的迅速发展，风机及塔筒的价格市场化程度越来越高，其价格节省空间有限。土建工程是风电投资控制的敏感因素之一，风机基础作为土建工程的重要项目，优化比选风机基础型式成为风电设计的重要课题。目前，我国陆上风机基础形式主要包括如下几种：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。论文详细论述了不同基础型式的主要设计成果和造价等方面的异同点，分析风机基础选型依据，为类似设计条件的风机基础设计提供借鉴和参考。

关键词：复杂地质区域；风电场风机；基础选型

基于适应性、工期及经济性等因素，对于完整砂岩地区，风机基础推荐使用岩石锚杆基础，对于岩石破碎、岩溶发育地区，推荐使用锚栓扩展基础，岩石锚杆基础对于该区域跑浆漏浆问题的解决措施需做进一步的论证和比较。探讨了各种基础型式的特点，重点阐述PHC管桩基础在该工程的适用性优势，进而针对工程具体情况设计了桩基础的施工工艺流程及施工质量检测方法。

1工程概况

某风电场装机规模为100MW，设计安装50台单机容量为2000kw的风力发电机组。场区地貌形态属高山区，地势总体山脊呈南北走向分布。风机沿山顶（脊）布置，分布高程1700—2120m之间。山体基本连续，山顶高程在1200—2225m之间，山脊（顶）较缓，山坡较陡，坡度35一40度，局部达500，场区内发育多条冲沟。

风电场风机分布范围较广，场地跨多个地层单位，岩性组合较复杂，风机基础间的地基岩土差异性较大，基础持力层和基础选型较复杂。

风机基础型式较多，其适用性、经济性存在一定的差异。本文就经济性、适用性、施工难度及工期等多方面展开比较和探讨，为以后的基础比选和选型提供帮助。

2基础资料

2.1工程地质条件

本风机分布范围较广，场地跨多个地层单位，岩性组合较复杂，风机基础间的地基岩土差异性较大，基础持力层和基础选型较复杂。场区内岩质地基主要为微晶灰岩、含燧石结合微晶灰岩、石英砂岩、石英细砂岩、粉砂质粘土岩（粉砂质）、页岩（粉砂质），根据安装平台揭露情况，选取中风化一微新岩体作为风机基础持力层。

区内不良地质现象主要为滑坡、崩塌和岩溶。其中，风场内滑坡和崩塌不甚发育，其多分布在风场周边的峡谷岸坡和公路边坡；场区碳酸盐岩分布较广泛，岩溶发育。受地形、构造和水文地质等因素影响，场区岩溶以垂直岩溶发育为主，存在沿构造方向呈带状分布的一般规律，一般山间谷地和洼地岩溶较发育，漏斗和落水洞沿沟谷多呈串珠状分布；山脊及山丘顶部岩溶发育相对减弱，主要以石芽、溶沟和溶蚀裂隙等浅表岩溶为主，局部低洼区亦发育小型岩溶漏斗（岩石塌落坑）。

根据地勘成果，石英砂岩基础与岩体摩擦力系数为0.55，地基承载力为1000kPa，灰岩、石灰岩基础与岩体摩擦力系数为0.50，地基承载力为1000kPa。

2.2基础持力层选择

场区地形有一定起伏，山体较为雄厚，风机立于圆形山头或条形山脊，原始平台较小，为了能满足风机基础施工平台尺寸的要求，将山头或山脊进行降标高平整处理。风机位场地层残坡积土，修整平台和基坑开挖过程中已基本清除，全风化层分布不均匀，采用强风化层作为风电机组基础持力层。各风电机组采用天然地基，基础埋深需满足风机上部荷载抗倾斜要求。对个别机位存在软硬不一的地基情况，采取适当的地基处理以保证基础的均匀沉降和倾斜稳定。

2.3基础选型

由于全风化层、强风化层较厚，且发育球状风化，塔筒承受较大的弯矩与剪力和高周期的疲劳荷载，且风机塔筒承受的是360度任意方向的振动荷载，荷载具有反复、变化及长期性的特点。根据场地岩土工程条件及风电机组结构特点，不适合采用岩石锚杆基础，建议风机基础采用天然地基，以全风化层下部及以下基岩为基础持力层。根据基础设计的一般原则，在满足上部结构荷载要求的前提下，宜优先采用型式简单、施工难度不大、造价较低的浅基础。根据已有的工程经验，目前在风电场中应用较多且技术较成熟的浅基础形式主要有重力式扩展基础及肋梁基础，下面就这两种形式的基础分别进行设计，并对二者进行经济技术比较。

2.4风机基础配筋方案

风机基础底板底面和顶面配筋按计算所得的数值进行径向和环向配置，台柱采用环向布置竖向钢筋承担拉应力。风机基础台柱顶面基础环内配置一层纵横互相垂直方向钢筋网，基础环穿筋采用径向穿筋方式。基础底板的底面和顶面均为构造配筋，基础底板底面按照0.2％控制，顶面控制0.15％控制。上部荷载通过基础环传递给基础，基础台柱内竖向钢筋承担较大的拉应力，钢筋在基础台柱边缘和基础内外侧边缘应加密配置，一般情况下，圆形扩展基础含钢量约95kg／m3。

2.5风机基础配筋方案

风机基础底板底面和顶面配筋按计算所得的数值进行径向和环向配置，台柱采用环向布置竖向钢筋，肋梁采用纵向配筋和横向钢筋布置。风机基础台柱顶面基础环内配置一层纵横互相垂直方向钢筋网，基础环穿筋采用径向穿筋方式。与圆形扩展基础相比，因肋梁与肋梁之间的部分混凝土被挖除，8根肋梁为基础结构主要受力结构，上部荷载通过基础环传递至基础台柱，然后通过8根肋梁传递至基础底板及基础。基础底板的底面、顶面和环梁一般为构造配筋，肋梁和台柱承担较大的拉应力，因肋梁及基础台柱内应力较为集中，钢筋应加密配置，一艘|青况下，圆形扩展基础含钢量约120kg／m3。

2.6横梁风电场风机基础选型

随着风力发电技术的日益成熟，风机基础设计也得到长足发展，目前陆上风电场采用的基础型式主要有扩展基础、桩基础和岩石锚杆基础等多种型式。扩展基础多采用钢筋混凝土结构，靠重力来平衡风机上的各种荷载，一般用于天然地基上地质条件比较好的风电场；桩基础具有承载力高、稳定性好、沉降小而均匀等特点，主要适用于地质条件较差的区域，较重力式基础造价高；岩石锚杆基础对地基岩石的要求较高，岩石要有较高的完整性，大多都将岩石锚杆作为一种安全储备考虑，目前在陆上应用较少。

1）横梁风电场风机塔筒与风机基础采用预应力锚栓组合件进行连接，预应力锚栓基础整体性好，无薄弱环节，比传统基础环的安全性更好。在保证塔架与基础刚性连接的同时，减少了基础环的钢材用量、基础混凝土及钢筋用量。梁板式预应力锚栓基础技术可行，经济合理。

2）根据横梁风电场的气象资料和地形地质条件，综合考虑各种基础对地基的适应性，通过技术、施工工艺、施工工期及工程投资比较，推荐横梁风电场风机基础采用梁板式预应力锚栓基础型式是合适的。

2.7荷载参数

本工程塔架基础段中16172kg，正常运行工况及极限工况荷载见表1。

表1各工况下荷载

3基础型式及各项指标

3.1常见基础型式初拟

目前，我国陆上风机基础形式主要包括如下几种：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。

（1）重力式扩展基础是目前国内陆上风电场最常用的一种基础形式，是为扩散上部结构传来的荷载，使作用在基础的压应力满足设计要求，通过向侧边扩展一定面积的基础，重力式扩展基础一般设计成八边形或是圆形，对于单机容量较小的风机基础可设计成正方形。

（2）桩基础是由设置于软基础中的桩和连接于桩顶部的承台组成的基础。当天然地基上的扩展基础沉降量过大或地基稳定性不能满足风机基础的要求时，常采用桩基础，风机基础的桩基础一般包括预制桩和灌注桩。

（3）岩石锚杆基础是在岩石地基上，靠岩石锚杆、混凝土承台和岩石地基共同作用的基础。目前该种形式的风机基础在陆上应用的较少，很多采用岩石锚杆的基础都将岩石锚杆作为一种安全储备来应用。同时，该种基础形式对岩石的要求较高，岩石要有较高的完整性。

（4）预应力墩式基础的力学原理是由环形基础周围土的水平承载力承载基础所受的水平荷载和弯矩。该种基础采用预应力锚栓替代传统的基础环来连接塔筒，通过将预应力锚栓固定在内外波纹筒之间，内外波纹筒之间浇筑混凝土。基础同上部塔筒的连接在国内主要包括T型法兰和L型法兰两种连接方式。

（5）梁板式基础主要通过主梁的刚度抵抗基础变形，通过基础及梁格问的填土自重共同抵抗倾覆力矩。该基础的计算方法与重力式扩展基础的设计方法类似。

本风电场属于山区风电场，风机位布置于山顶，安装平台形成后再进行风机部位的开挖，开挖深度较大。风机基础持力层为强风化下部一中风化砂岩、灰岩。桩基础、预应力墩式基础主要适用于软基基础。综上所述，风机基础选定圆形扩展基础、岩石锚杆基础、梁板式基础进行比选，另外针对圆形扩展基础，为研究取消基础环的情况，增加预应力锚栓扩展基础进行比选。

3.2各种型式基础指标

3.2.1相同荷载条件下拟定的结构尺寸及工程量

表2各基础型式主要经济指标

3.2.2施工工艺及工期

（1）常规圆形扩展基础总工期12d，其主要工序：定位放线一土石方开挖一垫层施工一钢筋制作安装一基础环的安装和固定一模板安装一混凝土浇筑一拆除模板一施工验收一土方回填。

（2）预应力锚栓扩展基础总工期14d，其主要工序：定位放线一土方开挖一垫层施工一钢筋制作安装一预应力锚栓安装和固定一模板安装一混凝土浇筑一拆除模板一施工验收一土方回填。塔筒安装期间进行预应力锚栓张拉。

（3）岩石锚杆基础总工期11d，其主要工序：定位放线一土方开挖一找平层混凝土浇筑一钻孔一锚杆安装、注浆一模板、底环安装一钢筋绑扎一基础承台混凝土浇筑一拆除模板一施工验收一土方回填一外圈锚杆张拉一二次灌浆一内圈螺杆张拉。

（4）梁板式预应力锚栓基础总工期15d，其主要工序：定位放线一土方开挖一垫层施工一钢筋制作安装一预应力锚栓安装和固定一模板安装一混凝土浇筑一拆除模板一施工验收一土方回填。

4基础形式比较与选择

（1）适应性。本风电场风机基础持力层为中风化砂岩、灰岩。应考虑到地下岩溶作用发育的不确定性，地基中仍有发育小规模岩溶洞隙的可能性。常规圆形扩展基础、预应力锚栓扩展基础、梁板式预应力锚栓基础均能较好的适应该地质条件，岩石锚杆基础由于锚杆深度较大，在砂岩、完整的灰岩地区适应性较好，对于岩溶地带，需谨慎选用。

（2）基础设计控制性指标。对风机基础底面脱开面积、承载力、稳定性等结构计算指标进行计算分析，基础底面脱开面积和抗倾稳定计算为控制性指标。风电设计需加强该指标的复核。

（3）施工工艺及工期。常规圆形扩展基础、预应力锚栓扩展基础、岩石锚杆基础施工工艺均已相对稳定，对施工工艺和工期控制较好；梁板式预应力锚栓基础钢筋交叉较多，回填料要求较高，施工难度较大，工期最长。

（4）工程风险。常规圆形扩展基础运用广泛，可靠性好，国内风电场普遍采用并得到充分的论证，预应力锚栓扩展基础、梁板式预应力锚栓基础以及岩石锚杆基础近几年开始逐渐推广。结合本工程的工程地质情况，常规圆形扩展基础工程风险最低，预应力锚栓扩展基础、梁板式预应力锚栓以及基础岩石锚杆基础次之。

（5）工程造价。以常规圆形扩展基础为基准，预应力锚栓扩展基础、岩石锚杆基础、梁板式预应力锚栓基础分别比常规圆形扩展基础低1.22、23.68、9.42万元，从工程造价而言，岩石锚杆基础造价最优。

5桩基施工工艺设计

本工程地质中含有较厚的密实状砂夹粉土，因此静压法难以正常沉桩，结合国华东台一期的施工经验，本工程PHC桩施工选用锤击法沉桩。施工机具采用D80型履带式柴油打桩机，同时配备履带吊以及电焊机、全站仪、水准仪等施工机具和仪器。PHC管桩锤击法沉桩施工工艺流程见图1。

图1PHC桩施工工艺流程图

（1）打桩工艺。本工程风机基础为群桩基础，为了避免沉桩过程因为土的挤压发生桩的倾斜、断裂，打桩按照先内后外的顺序进行，即先打内圈，再打中圈，最后打外圈。各圈内打桩时，采用跳打的方式进行。送桩时桩帽内径宜大于桩径20—30mm，其深度为300—400mm，并应有排气孔，锤和桩帽之间的锤垫用竖向硬木，厚度为150—200mm，桩帽与桩顶之间须嵌入富有弹性韧性的桩垫，如足够厚度的纸垫、木夹板及橡胶制品等，以减少桩头的破损，桩垫锤击后的厚度宜为120—150mm。

风机基础桩基础施工需要基桩的准确定位和沉桩过程中保持桩身垂直，因此沉桩过程中施工测量工作十分重要。施工测量需同时设置平面控制桩和水准控制桩，布设测量控制网。沉桩时，桩身、桩帽、送桩的桩锤应在同一中心线上，以防水平偏打。锤击沉桩宜重锤低击，开始落距较小，待入土一定深度且桩身稳定后再按要求落距进行。一根桩原则上应一次打人，中途不得人为停锤，确需停锤，亦应尽量缩短停锤时间。

（2）接桩工艺。接桩均采用钢端板焊接法进行，桩顶端距地面1m左右开始接桩。接桩前先将下段桩的桩顶清洗干净，加上定位板，然后把上段桩吊放在下段桩端上，依靠定位板将上下桩段接直，接头处如有空隙，应采用楔形铁片全部填实焊牢。拼接处坡口槽的电焊应两人对称同时进行分层施焊，焊接时应采用措施减小焊接变形，焊缝应连续饱满，焊后应清除焊渣，检查焊缝饱满程度。由于海边腐蚀较为严重，管桩外露钢圈应事先做环氧树脂涂层防腐（焊缝处除外），施焊后约10min后涂刷环氧树脂涂层，涂层完成约10min后继续沉桩。

（3）终止标准。本工程终止沉桩的条件以桩长控制为主，当桩端进入持力层，且总锤击数超过1000击或最后一米锤击数超过200击或最后10击的贯入度小于20mm／10击时，可终止沉桩。

（4）补救工艺。由于沿海滩涂土质有密实状砂土或厚软土层，当由于土体挤密引起沉桩困难或地面隆起时，可采取预钻孔（钻孔直径不大于550mm，孔深不超过桩长的1／3）或控制打桩速度、跳打、延长时间间隔等措施。在本工程中，有一定数量的桩无法沉桩到设计标高（锤击数过高），现场应及时将沉桩数据反馈设计人员，补充进行高应变检测，根据设计变更，现场采取截桩或者补桩措施。

6桩基检测设计

在制定桩基检测工艺前，首先进行了风机基础工程桩的桩身完整性和竖向抗压承载力试桩检测，通过比对高应变打桩监测和静载试验结果，得出检测控制相关参数。依据《建筑桩基检测技术规范》，在工程桩检测中，桩身完整性检测采用低应变法检测，桩基承载力检测由高应变打桩监测完成。风机基础基桩桩身完整性检测抽检数量为每台风机10根，高应变监测数量为每台风机3根。本工程选择高应变监测方法检测桩基承载力，基桩施工完毕后即可完成基桩检测工作，相比静载试验极大的提高了桩基检测效率，节约了试验费用。

结语

本风电场为沿海地区典型的山地风电场工程，受台风影响，选用的风机安全等级一般为IECIA类，风机对基础的荷载较大，通过本文分析，可以得出以下结论：

1）对地基承载力足够的山地风电场，圆形扩展基础和肋梁基础均为可行性基础设计方案，岩石锚杆基础应根据具体的地质地层岩性条件选用。

2）圆形扩展基础混凝土用量比肋梁基础增大，而含钢量比肋梁基础小，而肋梁受力状态比扩展基础复杂，配筋形式更为繁琐。

3）本工程机组对基础荷载作用较大，肋梁基础比扩展基：础大幅减少混凝土用量（约25％），有效减轻混凝土连续浇‘注压力，且基础荷载越大，混凝土用量差别越大。

4）与圆形扩展基础相比，肋梁基础混凝土用量少，其产生的水化热也小，且由于表面积增大，减少了表面温度裂缝产生的可能性，温控和抗裂措施会比较简单。

5）肋梁基础施工比扩展基础施工复杂，特别表现在基础钢筋绑扎和模板施工，基础施工时应加强技术及施工人员培训以克服施工困难。

6）对于台风地区或者大功率机组，因风电机组对基础的荷载作用较大，采用肋梁基础，可以取得较好技术和经济效益。

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