談風電機組地基基礎的設計要點

譚爭光

(中國水電顧問集團中南勘測設計研究院，湖南長沙 410014)

近年來，風力發電在我國迅速發展，許多風電場已相繼建成發電或正在建設。作為上部結構的支撐，風機基礎雖然在整個風電場工程中所占的造價比重很小，但其安全性直接決定了整個結構的安全，其重要性不言而喻。本文從個人設計工作經驗總結，就陸上風電機組地基基礎的設計要點提出一些看法。

1 荷載工況的選擇

風機基礎的設計與其他的工業建筑或民用建筑的設計不太一樣，上部結構傳給基礎的荷載一般都是風機制造廠商提供給設計院，不需要基礎設計人員自己計算。風機制造廠商提供的荷載是根據IEC標準計算所得，其計算的載荷包括慣性力和重力載荷、空氣動力載荷、運行載荷和其他載荷(如波動載荷、尾流載荷、沖出載荷、冰載荷等)，計算工況包含七大類:發電、發電兼有故障、啟動、正常關機、緊急關機、停機(靜止或空轉)、停機兼故障以及運輸、組裝、維護、修理。通常風機制造廠商根據基礎設計的需要，提供了十幾組載荷，這就要求基礎設計人員從中挑選出正確的載荷。根據FD003-2007風電機組地基基礎設計規定7.2.1條規定，地基基礎設計的載荷應根據極端荷載工況、正常運行荷載工況、多遇地震工況、罕遇地震工況和疲勞強度驗算工況等進行設計。這其中最主要的工況是極端荷載工況和正常運行荷載工況，規范規定兩種工況下都要進行脫開面積計算、地基承載力復核、截面抗彎抗剪抗沖切驗算、穩定驗算、裂縫驗算、變形驗算、疲勞驗算。實際上由于正常運行荷載工況的載荷一般只有極端荷載工況下的60%左右，故正常運行荷載工況下只需進行脫開面積的計算。若場區位于地震區，還應考慮地震荷載，多遇地震荷載和罕遇地震荷載應分別與正常運行荷載相疊加。

2 地基持力層的選擇和地基處理

目前，國內陸上風電場運用比較多的風機多為750 kW～2 000 kW，風機上部結構即風電機組設備和塔架的重量一般在100 t～350 t之間。風機基礎目前多采用大尺寸的重力式擴展基礎，基底的平均壓力一般在100 kPa～150 kPa。但由于風機承受很大的水平風荷載，傳到基礎底部的彎矩很大，其數值一般為30 000 kN/m～60 000 kN/m，而上部結構傳到基礎底部的豎向力加上基礎自重一般為6 000 kN～20 000 kN，這樣基底的偏心率一般都大于3，造成基礎邊緣的最大壓力可以達到180 kPa～250 kPa，對地基承載力的要求也不低。特別是在平原地區和沿海地區，其土質一般都達不到這個要求。此外，由于基底地基土長期處于主風向上的大偏心受壓狀態，即基底在主風向上長期處于不均勻受壓狀態，這樣勢必造成地基較大的不均勻沉降。所以，對于軟弱土質地區的基礎應進行地基處理。需要引起注意的是，某些土質地區，雖然土的地基承載力基本滿足了要求，但由于土的壓縮模量較低，土的壓縮變形較大，導致地基的不均勻沉降往往不能滿足上部結構的要求，這種情況也必須進行地基處理。地基處理的方法與其他工業建筑和民用建筑相似，需綜合考慮當地地質條件、環境條件、施工條件、造價、工期等因素，選擇換填、置換、復合地基、樁基等處理方法。

另外，若場地內地下水埋深較淺，在基礎埋深范圍內存在地下水，則要引起特別注意。地下水的浮力會大幅減小基礎和覆土自重，造成基礎偏心率增大，基底脫開面積超出限制，故需要增加基底尺寸或增加基礎埋深。

3 確定基礎類型和形式

目前常用的基礎類型為擴展基礎、肋梁基礎、巖石錨桿和樁基礎。地基持力層埋藏較淺的一般采用擴展基礎，埋藏較深的需地基處理或采用樁基礎?；A荷載較大時，擴展基礎的工程量較大，此時可采用肋梁基礎減少部分混凝土量。在巖石比較完整、風化程度較弱的場地可采用巖石錨桿基礎。

4 基礎底面脫開面積的驗算

基礎底面脫開面積的限制在很大程度上直接決定了基礎底面的尺寸。正常運行工況和極端荷載工況對基底脫開面積的限制不一樣:在正常運行荷載工況下，基底不允許有脫開現象發生，即基底應全截面受壓;而在極端荷載工況下，基底允許脫開25%的面積。根據經驗，當正常運行工況的荷載小于極端運行工況的60%左右時，一般是由極端工況起控制作用;而當正常運行工況的荷載大于極端運行工況的60%左右時，此時正常運行工況起控制作用。

5 地基變形的驗算

地基變形的驗算包括兩個方面:沉降值和傾斜率。沉降值指地基的最終沉降量。傾斜率的計算對風機基礎十分關鍵，應引起足夠的重視。在極端荷載工況下，基底脫開25%的面積，此時基底一側受壓，另一側由于基底脫開地基而沒有壓力，此時基礎兩側地基的變形值差異較大，有可能引起超出限制的傾斜率。

6 基礎配筋驗算

基礎配筋的驗算與GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范中關于擴展基礎的配筋計算一樣，按照底板受彎計算彎矩來配筋。由于底板厚度較大(FD003-2007風電機組地基基礎設計規定要求底板邊緣高度應不小于1 m)，還應計算底板頂面的彎矩并相應的計算配筋。經驗表明，由于底板面積較大，通過計算所得的基礎底板底面和頂面配筋都較小，一般都小于最小配筋率的要求，所以一般按照單側縱向鋼筋0.2%的最小配筋率進行配筋即可滿足要求?；A底板配筋的方式有正交式和徑環向式兩種，一般圓形基礎宜采用徑環向配筋，其他基礎采用正交式配筋。采用徑環向配筋時，應注意驗算各個不同半徑處的配筋。

基礎臺柱的配筋要特別注意確?；A環或地腳螺栓與混凝土的連接可靠穩固，一般基礎環(法蘭筒)或地腳螺栓的底端易伸入基礎底板與擴展基礎形成整體。若不能形成整體則應在基礎環或地腳螺栓與基礎底板之間放置足夠的連接鋼筋使之共同工作。

7 結語

從以上六個方面闡述了風機基礎設計的要點，當然風機基礎的設計還有其他方面的工作，如截面抗剪驗算、抗沖切驗算、抗滑抗傾覆穩定驗算、裂縫寬度驗算等。實踐證明，滿足以上六個方面要求和構造要求的情況下，這些方面都容易滿足。

風電機組基礎在整個風機結構中占有重要地位，它直接影響到風機的安全運行及風電場的投資效益，應該引起設計人員的足夠重視。本文就一些關鍵問題談了自己的看法，供設計人員參考。

［1］ FD003-2007，風電機組地基基礎設計規定(試行)［S］.

［2］ GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規范［S］.