小型風機基礎優化設計分析探討

常秀端

(上海艾能電力工程有限公司，上海 200023)

中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現“碳中和”。風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億kW以上。新能源應將由補充能源逐步提升為替代能源、主流能源乃至主導能源。受到大型新能源基地電力消納和送出的限制，在國家“源網荷儲一體化”的政策引導下，位于用電負荷集中的城市工業、經濟園區建設以自發自用為主、余電上網的小型風光儲項目將會呈現一個爆發式增長。

目前針對大型風電的規范和研究較多，針對小型風機設計的資料和研究相對較少。由于小型風機的特殊性，不能簡單套用大型兆瓦級風機基礎設計，需要專門開展針對性分析論證。本文以上海某智慧能源項目的小型千瓦級風機為例，進行基礎設計、方案比選及驗證，可為后續類似小型風電項目開發設計提供借鑒參考。

1 風機基礎設計

1.1 設計依據

一般風電場風機基礎設計，主要遵守及參考的規范包括：FD003—2007《風電機組地基基礎設計規定(試行)》、GB 50135—2019《高聳結構設計標準》、GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》、GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》、GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》。

本文采用的 HY5-AD5.6 型小型風機功率為5 kW，塔桿高度8 m，風輪直徑5.6 m，輪轂中心高度8.3 m，與大型風電場兆瓦級存在較大的差異，不能簡單套用大型風電場相關規范。

本項目中涉及的小型風機塔桿高度、風輪直徑都要小得多，在風機基礎設計時，包括荷載工況組合、設計限制性條件等需要在參照FD003—2007《風電機組地基基礎設計規定(試行)》情況下，結合GB 50135—2019《高聳結構設計標準》中對其中的系數進行選擇判斷，盡量優化風機基礎的工程量，降低項目工程造價，同時設計方案的承載力、抗傾覆、變形量等應通過驗證。

1.2 荷載組合工況

在FD003—2007《風電機組地基基礎設計規定(試行)》中，在正常和極端工況下，考慮風電機組荷載不確定性和荷載模型偏差等因素的荷載修正安全系數為1.35，荷載分項系數如下[1]：永久荷載分項系數(不利/有利)為1.2/1，可變荷載分項系數(不利/有利)為1.5/0 ，疲勞荷載分項系數為1，偶然荷載分項系數為1，結構重要性系數為1，荷載修正安全系數為1.35。

由于國內標準主要適用于大型風機基礎，對風機的各種極端工況組合要求較高，基礎設計工程量一般會比較偏大，不完全適用于小型風機基礎。為了優化風機基礎設計，降低工程造價，在國內規范的基礎上，本項目小型風機基礎設計的荷載工況組合參照了國際相關標準GL2010德國勞式船級社風機認證指南，荷載組合如表1所示。

表1 GL2010規范荷載安全系數表

1.3 基礎形式選擇

國內陸上風力機基礎應用較多的是重力式基礎(擴展基礎)和樁基礎。擴展基礎的形式多樣，應用較廣的是方形、八角形、圓形及圓形肋梁基礎。由于陸上風力機基礎承受巨大的彎矩荷載，豎向和水平荷載相對較小，與其他結構擴展基礎受力特性存在較大差異，擴展基礎的基底反力分布對基礎的受力特性影響較大[2]。本項目風機為小型風機，輪轂中心高度為8.3 m，根據地質勘察報告結論，此項目采用擴展基礎或樁基，經兩種方案做經濟性對比后，找出最優的風機基礎設計方案。

1.4 基礎設計限制條件

1.4.1 風機基礎穩定限制條件

按GB 50135—2019《高聳結構設計標準》、FD003—2007《風電機組地基基礎設計規定(試行)》要求，風機基礎應進行抗滑穩定和抗傾覆穩定計算[3]，在最不利工況(極限風速工況)抗滑和抗傾覆穩定安全系數應滿足：抗滑穩定安全系數1.3，抗傾覆穩定安全系數1.6。

1.4.2 地基應力限制條件

按GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》、GB 50135—2019《高聳結構設計標準》、FD003—2007《風電機組地基基礎設計規定(試行)》規定。

正常運行工況下地基應力應滿足以下條件：

地基最大應力應小于地基允許壓應力；

地基最小應力應大于零。

極限風速工況下地基應力應滿足以下條件：

地基最大應力應小于1.2倍地基允許壓應力；

地基最小應力基礎脫離底面的面積應小于1/4總面積。

1.4.3 風機基礎傾斜限制條件

抗傾力矩設計值/傾覆力矩設計值的比值須滿足>安全系數1.6。

基礎傾斜方向實際受壓區域兩邊緣的最終沉降差與其實際受壓區域寬度的比值須滿足<0.005。

1.5 基礎方案比選

該項目所處位置靠近海域，根據勘察報告，風機基礎可做擴展基礎或樁基礎，兩種基礎方案比選如表2所示。

表2 獨基與樁基技術經濟性比較

因獨基時，基礎持力層的地基承載力特征值比較低，僅有80 kPa，但獨基基底埋深較淺，開挖及回填量不大，基礎混凝土及用鋼量合理，故獨基和樁基兩種方案經比較后采用獨立基礎方案。

2 計算結果分析

2.1 基礎基本計算條件

風機的基礎尺寸：

基礎底板半徑R=1.65 m；

基礎棱臺頂面半徑R1=1.2 m；

基礎臺柱半徑R2=1 m；

塔筒直徑B3=0.8 m；

基礎底板外緣高度H1=0.7 m；

基礎底板棱臺高度H2=0.3 m；

臺柱高度H3=0.5 m；

上部荷載作用力標高Hb=0.1 m；

基礎埋深Hd=1.3 m。

風機基礎尺寸如圖1所示。

圖1 風機基礎尺寸

2.2 地基條件

風機基礎持力層為②1層粉質粘土層，地基土承載力特征值為80 kPa。

2.3 方案驗證

2.3.1 基礎承載力復核

表3為地基承載力復核時不對地基持力層的承載力特征值進行修正的數據。

表3 地基承載力復核時不對地基持力層的承載力特征值進行修正的數據 kPa

土壤與地基土之間要求的最小抗傾覆剛度為0。

地基土實際抗傾覆剛度：4.285E+08 Nm/rad，滿足要求。

應當注意：當基礎與剛性地面相連時，抗彎剛度可分別乘以提高系數，系數可取1.0～1.4，軟弱地基土的提高系數可取1.4，其他地基土的提高系數可適當減小。

2.3.2 基礎抗傾覆驗算

基礎抗傾覆驗算數據如表4所示。

表4 基礎抗傾覆驗算數據 kNm

基礎抗滑驗算數據如表5所示。

表5 基礎抗滑驗算數據 kN

基礎抗剪驗算數據如表6所示。

表6 基礎抗剪驗算數據 kN

基礎抗沖切驗算數據如表7所示。

表7 基礎抗沖切驗算數據 kN

其余參數：沉降和傾斜變形驗算、基礎底板懸挑根部裂縫寬度驗算、臺柱正截面強度驗算、基礎底板懸挑根部配筋計算等均滿足規范要求。

基礎設計圖如圖2所示。

圖2 基礎設計圖

3 結語

以某項目小型風機基礎設計為例，通過對荷載工況組合分析、基礎形式比選、風機基礎穩定和應力限制條件論證、設計方案驗證等過程的分析論證，優化了小型風機基礎的工程量，節省了項目的工程投資。基礎方案的設計，參照國內風電基礎設計規范，但某些參數的選擇不拘泥規范的要求，同時參考GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》、GB 50135—2019《高聳結構設計標準》，并引入國外GL2010德國勞式船級社風機認證指南中荷載組合進行探討，為小型風機基礎的設計提供了一種可借鑒的方法，為今后類型項目設計提供參考。