风力发电机基础设计探讨

风力发电机基础设计探讨

摘要：风力发电是目前新能源开发技术最为成熟、最具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式，已成为公认的战略替代能源之一，是实现能源可持续发展的重要举措。风力发电机组投资占风电场投资的比重较大,所以风力发电机基础的设计就变的尤为重要,本文就风力发电机基础设计流程及基础类型做了一下总结。

关键字：风机基础验算荷载类型基础选型外部条件基础设计优化地基处理

中图分类号： tb857+.3 文献标识码： a 文章编号：

风力发电一般基础设计主要包括基础选型、基础验算、基础设计和构造等，其一般流程如下：

一、风机基础验算主要内容

地基承载力 (受力层范围内软弱下卧层) 验算；基础的抗滑稳定、抗倾覆稳定等稳定性计算；甲乙级地基基础沉降和倾斜变形验算；基础的裂缝宽度;基础（桩）内力、配筋和材料强度验算；材料的疲劳强度验算；基础的抗滑稳定、抗倾覆稳定计算；基础动态刚度；抗浮稳定等。

采用桩基础时，计算和验算还应符合《混凝土结构设计规范》(gb50010-2010)和《建筑桩基技术规范》（jgj94-2008）及全国民用建筑工程设计技术措施2009-结构(地基与基础)等的有关规定的要求。

对受洪（潮）水影响的地基基础应满足防洪要求，并在基础周边一定范围内采取可靠永久防冲防淘保护措施。

二、主要荷载类型及工况

根据作用于风机基础上荷载随时间变化的情况，荷载可分为三类：

永久荷载，例如上部结构传来的竖向力、基础自重、回填土重等。可变荷载，例如上部结构传来的水平力，水平力矩、扭矩、多遇地震作用等。

偶然荷载，例如如罕遇地震作用通过塔筒传来的水平力、水平力矩等。

根据作用在风机基础可能同时出现的荷载，按极端荷载工况、正常运行工况、多遇地震工况、罕遇地震工况、疲劳强度工况等进行荷载组合，并按最不利效应组合进行设计。

三、基础选型

根据不同的地质条件，从结构形式主要分为:

1、扩展基础依靠重力平衡的板筏或梁筏,扩展基础包含方形、圆形、八边形等形状。

2、桩基础当地基的软弱土层较深厚，上部荷载大而集中，采用浅基础已不能满足高耸结构对地基承载力和变形的要求时，可采用低承台桩基础。风力发电机基础的桩基础宜优先采用预制钢筋混凝土管桩、（对抗拔桩宜采用预制混凝土方桩）或钻孔混凝土灌注桩（含钻孔扩底混凝土灌注桩）和钢管灌注桩。布桩的原则一般为：

细桩多布，短桩多布；中间稀布，周围多布；亦可调整桩长，基础周圈长桩，中间短桩；单桩承载力较大时，中间塔筒承台范围宜构造布桩。选用时应根据地质情况、上部结构类型、荷载大小、施工条件等通过技术经济比较进行综合分析后确定。

3、岩石锚杆基础，应用于基岩地基上，尤其是置于中风化、微风化基岩上的风电机组基础，宜优先使用端头扩孔的岩石锚杆基础。

四、设计应注意的几个事项

1、明确和落实外部条件

（1）、风机工作荷载特性

由于风机工作的荷载特性，水平力及倾覆力矩成为设计的主控荷载，这对基础的沉降变形、动刚度等提出了更严的要求。

（2）、风机机位选址的优化

风机基础设计的流程为：风资源专业综合考虑风资源、线路、道路及设备运输等情况进行微观选址工作。机位确定后进行地质详勘工作，土建专业根据地质详勘进行基础施工图设计。这种流程在整个风电场机位宏观定位以及风能的充分利用层面上是合理的,但在地形、水文、土层岩性分布变化大的场地，就需要风能、地质、水文及土建等各专业密切的配合进行选址,有的机位甚至需要舍弃。这种调整和优化往往比风机基础设计本身更为有效。

（3）、核实风机厂家提供荷载的准确性及类别

风机的生产厂家众多，且多为国外厂家或引进国外技术的国内厂

家，这些国家在结构设计时，所采用的极限状态设计方法、结构可靠度指标均不相同，故其外部荷载的标准也就存在一定的差异。因此，开展设计时工作时，首先落实荷载是否是标准值（针对国内设计标准而言），还是隐含了一定的安全系数、分项系数等；其次需要落实荷载所对应的具体工况(不同验算内容采用不同工况荷载)。

(4)明确风机厂家对基础环与风机基础的连接要求

根据风机厂家提供基础环与基础环调节螺栓的详图确定①排水孔及电缆孔的位置；②调节螺栓是否足够长(如长度不够长时，应在调节螺栓下增加支座) ；③调节螺栓支座埋件位置。

2、基础设计

（1）、基础结构型式的确定

风电机组基础承受的主要荷载为风荷载，由于风向随机性

（00~3600）均存在，故基础底板做为圆形或正多边形较为适宜。根据不同的地址条件,合理确定基础埋深,经多个风电场的验算和对比, 加大基础埋深对风机基础抗倾覆安全度的提高十分明显。（2）、地基承载力验算及变形控制

在合理确定基础底面积的前提下，风机基础对地基承载力要求不高，基底平均压力一般在150~180kpa，基础边缘最大压力为

180~220kpa，因此地基土承载力要求比较容易满足。

由于设计竖向荷载较小，风机基础整体沉降就较小，对风力发电机组的功率输出整体影响不大，其变形允许值可按《风电机组地基基础设计规定》fd003-2007(实行)进行控制。

为将风机基础的倾斜度控制在一个合理的范围内，设计过程中应根据地基土的土工试验压缩曲线，合理的确定基础类型和底面积，控制地基土压力处于弹性变形范围内，避免地基土产生较大、不可恢复的塑性变形。

（3）、地基稳定控制

风机基础的稳定验算主要包含抗滑验算和抗倾覆验算,实践表明，基础的水平抗滑验算容易得到满足。常规基础增强抗倾覆要求的主要手段有：①增大基础底面截面抵抗矩；②适当的增加基础埋深；③设置能提供竖向抗拔的构件，如抗拔桩或岩石地基的抗拔锚杆等。

3、地基处理

地基处理方案的选择需综合考虑地质条件、上部结构特点、环境条件（气象、噪声、振动等）、材料供给、工程费用以及工期等诸多因素，并经比较后，选择经济合理、技术可靠、施工进度快的方案。

(1)、换填或置换法

地基浅层处理最常见的一种方法，主要适用于地基持力层埋藏较浅，且无软弱下卧层的情况。当采用换填时，换填厚度不宜超过2~3m，否则经济性不高。滨海地区的风电场，合适的持力层一般埋深较深、地下水位较高，应用的可能性不大；山区埋藏较浅的岩石地基，若基岩面起伏较大，可采用部分或局部超挖换填（毛石混凝土）方案。