湿陷性黄土地区风机基础优化设计

贺文山

华润电力技术研究院有限公司 广东深圳 518001

[摘 要] 以宁夏某大型风电场工程项目为背景，利用中国水电顾问集团北京木联能软件技术有限公司开发的CFD - WTF基础设计软件（后简称“木联能软件”）对湿陷性黄土地区风机基础进行优化设计，考虑不同基础形式、桩径大小对风机基础的结构安全、技术经济、施工及检测便利性等的影响，对风机基础进行优化设计。

[关键词] 湿陷性黄土，风机基础，扩底灌注桩，优化设计；

前言：

随着能源需求日益紧张、环保要求越来越严，我国对可再生清洁能源的需求越来越紧迫，风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到重视。然而风电场所处的环境非常复杂，经常面临重大灾害，如冰雪、地震、大风等，在这些荷载作用下，风力发电机组基础极易破坏。且随着风力发电技术取得长足进展，风机塔架高度快速增加，叶轮直径越来越大，风场地质条件越来越复杂，风机基础设计难点越来越大，其对整个风电场的生存及风电场的经济效益显得越来越重要。

1. 项目概况

风电场位于宁夏某湿陷性黄土地区，项目总体装机容量为200MW，为80台2.5MW-D146m-H110m的风力发电的机组。

风电场地层：①自重湿陷性黄土，平均层厚8.2m；②湿陷性黄土，平均层厚5.8m；③老黄土，不具湿陷性，密实，平均层厚10.6m，可作基础（桩基）持力层；④泥岩，该层岩土较厚，致密结构，强风化，可作基础（桩基）持力层。

拟建场址区Ⅱ类场地，地震动峰值加速度为0.30g，相应的地震基本烈度为8度，地震动加速度反应谱特征周期为0.45s，设计地震分组为第三组。

2. 荷载资料

风机基础荷载主要有三类：永久荷载，可变荷载和偶然荷载，永久荷载主要包括上部结构传来的竖向力、基础自重和回填土自重等，可变荷载主要是上部结构传来的风荷载及多遇地震荷载等，偶然荷载主要是指罕遇地震荷载。

风机基础设计时要考虑的主要荷载有风荷载、地震荷载和疲劳荷载：

（1）风荷载：包括正常工况及极端工况荷载，为风机基础主要荷载，对于桩基础，一般由极端工况控制。

（2）地震荷载：包括多遇和罕遇地震工况荷载，一般为复核工况，地震烈度较高区（6度以上），其对基桩有较大影响，地震烈度9度及以上，其地基基础设计应做专门研究。

（3）疲劳荷载：疲劳荷载主要对承台配筋有影响。

经计算，本风机基础（桩基础）极端工况为控制工况，正常运行荷载工况和地震工况作为复核计算，疲劳荷载工况影响较小。风机荷载参数表如表2-1所示。

表2-1 风机荷载参数表

3. 风机基础选型

风机基础选型主要根据工程地质条件，结构荷载大小，通过比较分析，选择安全可靠、技术可行、经济合理、施工及检测便利的基础形式。

湿陷性黄土区一般处理方式有4种：地基处理、沉筒式无张力风机基础、预制桩基础、扩底灌注桩基础方案。

地基处理方法有垫层法、预浸水法、强夯法、挤密桩法，最大处理厚度分别为3m、6m、10m、15m，本风电场区湿陷性黄土厚度约14m，故只能采用挤密桩法，根据计算，采用桩径为0.6m的3:7灰土挤密桩，单台基础处理面积约770m2，挤密桩总长约8480m，基础混凝土约666m3，承台钢筋60t，单台基础造价约139.41万元。

沉筒式无张力风机基础依靠周边湿陷性黄土抵抗倾覆力矩和水平力，可靠性差。该基础型式为专利基础，施工单位单一，工程经验少，且其对沉筒内外波纹钢筒的材料性能及防腐等要求非常高，目前，国内已建成的风电场基本使用国外进口的波纹钢筒，造价偏高。

预制桩基础无法进行扩底处理，桩端承载力较小，其桩基的竖向承载力很难满足存在负摩阻力的湿陷性黄土地区的要求，故不适用本类地质条件。

扩底灌注桩基础能穿过湿陷性黄土层，全部消除湿陷性土层，工程经验丰富，施工、检测技术均较成熟，施工质量容易控制，通过桩端扩底可以大幅度提高桩端承载力，扩底部分存在一定施工难度，但目前施工技术条件成熟，施工器械先进，扩底问题很容易解决，且施工经验丰富，通过扩底可以大幅度减少桩长，降低工程造价。

4. 桩径选择

桩径应与桩长相适应，桩的长径比主要根据桩身不产生压屈失稳及考虑施工现场条件来确定。根据工程经验，对当穿越自重湿陷性黄土时的灌注桩不宜大于50。

钻孔灌注桩常见的直径为0.6~1.0m，本文通过木联能软件对桩径为0.6~1.0m的情况下风机基础安全性和经济性进行分析，分析时考虑以下因素：桩长根据基桩竖向承载力要求确定；桩数量根据基桩的最小中心间距确定；桩受力形式为摩擦端承型桩，考虑负摩阻力影响；桩混凝土为C30，主筋为HRB400，箍筋为HPB300。

根据分析结果，得到桩基础的安全及经济性对比表如表4-1和表4-2所示：

表4-1不同桩径下基础安全性对比表

由上表可知，桩径为0.7m时，基桩的长细比大于50，易发生压屈失稳破坏，不宜采用。

表4-2 不同桩径下单台基础承台经济性对比表

由上表可知，桩径为1m时：桩端入持力层3.2m小于2D，不满足要求。桩径为0.9m时，承台混凝土过大，承台的连续浇筑及养护难度较大，承台质量难保障，故不建议采用。桩径为0.8 m时，桩端入持力层深度（6.7 m）大于2D，满足要求；经济性方面，承台及基桩综合造价最低（119.3万），且低于挤密桩方案（139.4万）；施工难度方面，其钻孔数量相对较少，有利于施工进度，且目前工程上钻孔0.8m项目较多，施工经验丰富，施工设备齐全。

5. 结语

通过对宁夏某湿陷性黄土风电场风机基础进行优化设计发现，从技术安全、经济性及施工便利性等方面分析发现，厚度较大的湿陷性黄土地区建设风机基础，扩底灌注桩方案优于灰土挤密桩方案。对不同桩径进行分析发现，桩径太小，基桩容易发生压曲破坏，其抗裂弯矩也难满足要求；经济方面，桩径、桩长、承台大小等方面需要综合考虑，从而得出最经济的方案。施工方面，桩径越小，桩长越长，桩数越多，基桩施工难度越大，不利于缩短施工工期和桩基检测。

参考文献

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