松软地层某风电场风力发电机组基础设计

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摘要：摘要：风力发电是最有竞争力的替代能源，已经成为全球能源领域的最佳投资方向之一。风力发电朝着高塔筒、大容量、长叶片的方向发展，对风力发电机组基础的设计提出更高的要求。本文结合工程实例，探讨了松软地层中PHC预应力管桩承台基础的选择、布置与计算，

　　摘要：风力发电是最有竞争力的替代能源，已经成为全球能源领域的最佳投资方向之一。风力发电朝着高塔筒、大容量、长叶片的方向发展，对风力发电机组基础的设计提出更高的要求。本文结合工程实例，探讨了松软地层中PHC预应力管桩承台基础的选择、布置与计算，并通过桩基试验与检测，验证了PHC预应力管桩承台基础的可行性，以期为以后同类工程的设计提供可借鉴的经验。

　　关键词：松软地层;风力发电机组;基础设计;预应力管桩

　　近年來，作为应对能源短缺和气候变化双重挑战的重要手段，发展以风能、太阳能为代表的新能源得到了世界各国的普遍重视。2019年，全球新增风电装机容量超过60 GW，同比增长19%，累计装机达到650 GW。中国作为全球最大的风电市场，2019年仅陆上风电新增投产容量就达23.8 GW，累计并网容量达230 GW。随着风电平价上网的实施，风电设备也朝着高塔筒、大容量、长叶片的方向发展，风电设备的发展在提升风能利用效率的同时，风机基础承受的上部荷载也越来越大，对基础的设计也提出了更高的要求。本文以国内某平原风场为例，介绍了松软地层风电场风力发电机组基础的设计，对类似风电场的建设提供一定的借鉴。

　　1 概述

　　某风电场位于安徽省宿州市境内，总装机规模49.5MW，安装17台单机容量为3MW的风力发电机组(其中一台限发1.5MW)，轮毂中心高度130m。风电场内自然地面以下40m范围内各土层的埋藏条件及工程地质特性如下：

　　①1层人工填土：灰黄、褐黄色，稍湿，可塑，性质不均。素填土，主要成分为粘性土，厚度变化较大，一般层厚1.0～2.0m。

　　①2层粉质粘土：灰褐色、灰黄色，湿，可塑，混少量钙质结核，含植物根茎，一般层厚0.5～1.9m。

　　②层粉质粘土：灰黄色，稍湿，硬可塑，局部硬塑，含氧化铁锰质，干强度中等、韧性中等，层厚0.9～4.7m，一般层厚约2.5m。

　　③1层粉砂：灰黄色，饱和，中密～密实，该层局部分布，层厚1.6～6.2m，一般层厚约4.0m。

　　③2层粉质粘土：灰黄色，湿，可塑～硬塑，含少量氧化铁锰质，性质不均，该层局部缺失，层厚0.9～6.4m，一般层厚约4.0m。

　　④层粉质粘土：肉红色，稍湿，硬塑，含氧化铁锰质，干强度中等、韧性中等，层厚1.7～6.6m，一般层厚约4.5m，可作为短桩的桩端持力层。

　　⑤层粉质粘土：灰黄色，稍湿，可塑～硬塑，性质不均，夹层状、薄层状中密～密实粉土，个别深度夹有30-40cm厚的粉土层，层厚2.3～10.3m，一般层厚约7.3m，可作为端承摩擦桩的持力层。

　　⑥1层粉质粘土：灰黄色、褐黄色，稍湿，硬塑，局部坚硬，含少量氧化铁锰质，层厚2.1～4.4m，一般层厚约3.2m，层顶深度约17.1～24.2m，是本工程风机基础良好的桩端持力层。

　　⑥2层粉质粘土：褐黄色、灰黄色，稍湿，硬塑～坚硬，含氧化铁锰质，干强度中等、韧性中等，层厚6.3～9.1m，一般层厚约7.6m，层顶深度约21.5～26.0m，是本工程风机基础良好的桩端持力层。

　　⑥3层粉质粘土：灰黄色、灰白色，稍湿，硬塑～坚硬，含氧化铁锰质，干强度中等、韧性中等，混少量钙质结核，粒径1～4cm，层顶深度约30.0～33.5m。

　　本风电场工程规模为中型，风电机组单机容量3MW，轮毂中心高度130m，风电机组地基基础设计等级为甲级，抗震设防烈度为7°，根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)，风电场区场地基本地震动峰值加速度为0.15g，基本地震动加速度反应谱特征周期为0.40s，设计地震分组第一组，场地类别为Ⅱ类，按抗震设防烈度为7度时，判定拟建风电场区浅部③1粉细砂不会发生液化 [1]。

　　2 荷载计算

　　目前，陆上风电机组的上部荷载主要还是由风电机组厂家提供，本工程风电机组的上部荷载标准值(不含安全系数)见表2。

　　风电机组基础所受上部结构的荷载主要为垂直力、水平力、弯矩及扭矩，其中水平力和弯矩均很大，且变化复杂，同时考虑荷载模型偏差等因素，设计中应采用修正安全系数k0，k0值为1.35。

　　风电机组基础严格按《风电机组地基基础设计规定(试行)》(FD003-2007)等现行规程规范进行设计，基础设计的荷载应根据不同荷载组合情况下的极端荷载工况、正常运行荷载工况、多遇地震工况、罕遇地震工况等各种工况进行计算。极端荷载工况包括上部塔架结构传来的极端荷载效应，叠加基础承受的其他有关荷载;正常运行荷载工况包括上部塔架结构传来的正常运行荷载效应，叠加基础承受的其他有关荷载;多遇地震工况包括上部塔架结构传来的正常运行荷载效应，叠加多遇地震作用和基础承受的其他有关荷载;罕遇地震工况包括上部塔架结构传来的正常运行荷载效应，叠加罕遇地震作用和基础承受的其他有关荷载[2]。相关荷载分项系数见表3。

　　3 风机基础设计

　　3.1 风机基础设计的特点

　　风机塔架高130m，属于高耸构筑物，其中上部结构包括风机塔架、发电机组和叶轮等。风力发电机组基础设计时，主要荷载包括：惯性力、空气动力荷载、运行荷载及其他荷载。风机塔架作用在风机基础顶面的主要荷载为垂直力、水平力、弯矩及扭矩，其中水平力和弯矩均很大。一般情况下，风机塔架所受的静力荷载较为明确，塔架对基础造成的影响也比较容易确定，而风力发电机组叶轮旋转及风机运行过程中产生的动荷载则比较复杂，对基础的影响也要复杂的多。目前主流风机塔筒高度一般都超过90m，水平风荷载在基础顶面产生的弯矩很大，同时风电机组对塔架的倾斜度十分敏感，水平风荷载往往是风机机组基础设计的控制性荷载。由于风向的变化莫测，风机基础所受到的弯矩作用方向也反复变化，风机基础基底受到的拉压作用也反复变化，很可能造成风机地基基础的承载力的减损和位移的累积。风力发电机组基础设计的这些特点，对设计工作提出了更高的要求，在满足风机机组承载力的要求外，还要严格控制风机基础的水平位移和不均匀沉降[3-4]。

　　3.2 基础选型

　　风电机组主要的基础型式有：扩展基础、桩基础和岩石锚杆基础，基础型式的选择一般应根据风电场建设场地的地基条件和风电机组上部塔架结构对基础的要求综合确定，必要时还需进行试算，为进一步提升项目经济性，一般还要开展技术经济性比选。当天然地基为软弱土层或高压缩性土层等承载力较低的地基时，天然地基不满足上部结构物荷载作用下的强度、变形和稳定性的要求，采用桩基础是技术经济较优的技术方案。

　　根据本风电场场地工程地质条件，场地上覆第四系地层结构松散，主要为耕植土、粉质黏土，地基工程性质较差，强度较低，土层厚度较大，不能满足重要建(构)筑物对其强度、变形和稳定性的要求，因此风机基础宜优先考虑采用承台桩基础[5-6]。

　　目前在风电场中应用较多且技术较成熟的桩基础形式主要有预应力混凝土管桩(PHC预应力管桩)基础及钻孔灌注桩基础。根据工程场地地基土的特性及分布情况，桩型可考虑采用PHC预应力管桩、灌注桩等。

　　3.3 风机基础设计

　　(1)直径0.8m灌注桩

　　初步拟定该型风机基础采用28根直径为800mm的钢筋混凝土灌注桩，桩的混凝土强度等级为C30，桩长24m，分两圈布置，从外往内，第一圈16根，第二圈12根。承台采用C40混凝土，基础分上、中、下三部分，上部为圆柱体，高1.0m，直径为7.6m;中部为圆形台柱体，顶面直径7.6m，底面直径19.0m，高1.4m;下部为圆柱体，直径为19.0m，高1.0m，风机基础承台埋深为3.0m。单台风机基础混凝土方量为542.5m3。单根灌注桩混凝土方量为12.06m3，单个基础灌注桩混凝土方量为337.78m3。

　　基础布置图见图1。

　　(2)PHC预应力管桩

　　初步拟定该型风机基础采用38根直径为600mm的PHC预应力管桩，桩长22m，分两圈布置，从外往内，第一圈22根，第二圈16根。承台采用C40混凝土，基础分上、中、下三部分，上部为圆柱体，高1.0m，直径为7.6m;中部为圆形台柱体，顶面直径7.6m，底面直径19.0m，高1.4m;下部为圆柱体，直径为19.0m，高1.0m，风机基础承台埋深为3.0m。单台风机基础混凝土方量为542.5m3。

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