天然地基上風力發電機組塔架基礎設計研究

王相耀　吳建喜

摘 要：風力發電機組塔架基礎的合理設計關系到機組的安全運行，即位于地基條件較好的基礎的設計，存在的隱患也很多。充分考慮具體的地質條件、機組各項參數，進行可靠的地基基礎設計，在工程界形成共識。本文介紹了合理的風機基礎設計考慮的因素、參數、尺寸的取舍，并給出了具體過程、尺寸，設計出了實際工程的基礎。

關鍵詞：基礎；天然地基；基礎沉降

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.080

風電場風力發電機組塔架是一種聳結構，葉片、輪轂、機艙位于塔架頂部，風荷載使塔架基礎承受很大的傾覆力矩，這是機組塔架基礎不同于一般的高聳結構的特點，在傾覆彎矩作用下短基礎柱與基礎底板交界處著承受著較大的集中應力，這一集中作用力可以達到應力計算值的3～5倍，風電場時因基礎這一部位的損壞產生倒塌事故。由于較大的傾覆彎矩，基礎底部產生較大的不均勻壓力，嚴控不均勻沉降和偏心距，保證機組的正常運行，是有一特點。

1 塔架基礎概念設計

1.1 材料

風機基礎承受有風帶來的低周疲勞荷載，材料應符合疲勞要求，混凝土強度等級不小于C30；鋼筋應選用HRB400、HRB500高強鋼筋。

1.2 地質條件

基礎地基持力層應選擇穩定性較好的土層上，未經修正的地基承載力特征值應大于150KPa，壓縮模量大于8MPa。塔基附近無沖溝、斷裂帶、崩塌等不良地質條件。軟弱地基、不均勻地基、濕陷性黃土等應采用合適的處理方式。

1.3 基礎體型

基礎環外圍混凝土厚度不小于1000mm，基礎底板外沿尺寸不小于1000mm，懸挑與根部厚度比值不大于2.5.基礎環深入基礎底板0.7m左右，電纜管位于基礎環下法蘭一定距離，從基礎外邊緣中部穿出。

1.4 基礎配筋

基礎環周圍配置鋼筋應均勻，環向距離不應大于400m，鋼筋之間的間距150m左右，鋼筋在基礎環內外周邊多圈均勻布置。底板鋼筋宜環向布置，輻射筋內環間距不宜小于80mm，側輻射筋外環間距不應大于300mm，環向筋間距宜為150～200mm。

2 天然地基風機基礎設計案例

錫林郭勒盟正鑲白旗哲里根圖風電場風電場，建設規模為49.5MW，安裝33臺1.5MW的風力發電機組。

2.1 工程地質條件

ZK21鉆孔地層巖性。根據鉆探揭露ZK21鉆孔地層結構為：

（1）0.00～3.50m為第四系上更新統洪沖積層（Q3pal）礫砂。巖性為淺黃色、黃褐色灰白色礫砂，密實、濕。最大可見粒徑2.00cm左右，磨圓度一般，呈次棱角狀，礫石成份較雜。本次勘探揭露層厚3.50m，層底高程1243.44m。地基承載力特征值f0=250 kPa

（2）3.50～20.00m為第三系上新統（N2）老粘土。巖性為老粘土，棕紅色、黃褐色，結構致密，硬塑。局部含有鈣質結核，為下部地層。本次鉆探揭露最大厚度16.50m，鉆孔未能揭穿該地層。其層底高程1243.44m。地基承載力特征值f0=300 kPa。

2.2 風機基礎設計

根據《風電機組地基基礎設計規定》（試行）FD003-2007，風機基礎設計內容主要包括基礎抗滑、抗傾覆安全系數、基底應力、基礎沉降計算等。

2.2.1 主要構造要求

（1）基礎埋深的確定：一般情況輪轂高度的1/30～1/20，綜合考慮凍深、持力層條件等因素；

（2）基礎底板直徑：一般情況輪轂高度的1/5～1/3。

（3）基礎邊緣高度：基礎直徑的1/20～1/30，且不應小于1m。

（4）懸挑長度/懸挑根部高度≤2.5。

（5）混凝土：強度等級大于C40，抗凍等級根據氣候確定。

（6）混凝土保護層厚度：根據鋼筋部位和環境類別確定。

（7）最小配筋率：規范規定不小于0.2%，根據相關工程經驗建議取值在0.15%～0.2%之間。每米寬度內的鋼筋截面面積不得小于2500mm2。

（8）基礎環應深入至基礎或承臺底板一定深度，并與基礎或承臺結構可靠連接。

（9）基礎回填土壓實度一般控制在0.94以上。

（10）基礎棍凝土應一次澆筑成型。

（11）軟弱地基上的墊層混凝土厚度宜大于20cm。基礎混凝土澆筑前應對墊層混凝土或基巖表面進行鑿毛處理，并沖洗干凈。

2.2.2 基礎設計

通常根據機組容量大小基礎外形采用以下4方案

（1）鋼筋混凝土正方形擴展基礎：850KW以下。優點：設計計算簡單，鋼筋容易配置，施工方便；缺點：經濟性較差。

（2）長方形基礎： 850KW以下，長邊順主風向布置。優點：設計計算簡單，鋼筋容易配置，施工方便，經濟性好；缺點：在主風向側面風力較大時容易出現倒塔事故。

（3）八邊形基礎：各種型號機組均有采用。優點：經濟性較好，基礎底面鋼筋容易配置，施工方便；缺點設計計算復雜，施工較復雜。適合于大容量機組。

（4）圓形基礎：優點：經濟性好；缺點：設計計算復雜，施工較復雜。適合于大容量機組。

單機容量為1.5MW的風電機組，輪轂高度為80m。根據設備廠家提出的風機技術參數及地質資料，風機塔架基礎為圓形鋼筋混凝土擴展基礎，基礎底面直徑為17m，采用天然地基，埋深為2.8m。根據《水工混凝土結構設計規范》（DL/T5057-2009）的相關規定，本工程風機基礎混凝土抗凍等級為F200。

3 結語

天然土基上的風機基礎，地基沉降是設計要考慮的關鍵因素，不能因基礎傾斜沉降造成較大二次彎矩，給風機的安全運行帶來隱患，實行較嚴格的基礎傾斜控制是風機基礎設計成功的一個關鍵點。

參考文獻：

[1]劉洋.關于風力發電中風機基礎設計及施工中的經驗淺析[J].林業科技情報，2011（01）.

[2]鄭主平，吳啟仁.響水風電場風機基礎不均勻沉降原因及處理方法[J].水利水電技術，2009（09）.

作者簡介：王相耀（1978-），碩士研究生，工程師。