侯彬

摘要：風(fēng)力發(fā)電是最有競爭力的替代能源，已經(jīng)成為全球能源領(lǐng)域的最佳投資方向之一。風(fēng)力發(fā)電朝著高塔筒、大容量、長葉片的方向發(fā)展，對風(fēng)力發(fā)電機組基礎(chǔ)的設(shè)計提出更高的要求。本文結(jié)合工程實例，探討了松軟地層中PHC預(yù)應(yīng)力管樁承臺基礎(chǔ)的選擇、布置與計算，并通過樁基試驗與檢測，驗證了PHC預(yù)應(yīng)力管樁承臺基礎(chǔ)的可行性，以期為以后同類工程的設(shè)計提供可借鑒的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：松軟地層;風(fēng)力發(fā)電機組;基礎(chǔ)設(shè)計;預(yù)應(yīng)力管樁

The Foundation Design of a Wind Farm in Soft Ground

HOU Bin

（Wuling Power Co.， Ltd.， Changsha， Hunan Province， 410004 China）

Abstract：Wind power is the most competitive alternative energy and has become one of the best investment directions in the global energy field. Wind power generation is developing towards the direction of high tower， large capacity and long blades， which puts forward higher requirements for the design of wind turbine foundation. Combined with engineering examples， this paper discusses the selection， layout and calculation of PHC prestressed pipe pile cap foundation in soft ground， and verifies the feasibility of PHC prestressed pipe pile cap foundation through pile foundation test and detection， which was expected to provide reference experience for the design of similar projects in the future.

Key Words： Soft ground; Wind turbine; Foundation design; Prestressed pipe pile

近年來，作為應(yīng)對能源短缺和氣候變化雙重挑戰(zhàn)的重要手段，發(fā)展以風(fēng)能、太陽能為代表的新能源得到了世界各國的普遍重視。2019年，全球新增風(fēng)電裝機容量超過60 GW，同比增長19%，累計裝機達到650 GW。中國作為全球最大的風(fēng)電市場，2019年僅陸上風(fēng)電新增投產(chǎn)容量就達23.8 GW，累計并網(wǎng)容量達230 GW。隨著風(fēng)電平價上網(wǎng)的實施，風(fēng)電設(shè)備也朝著高塔筒、大容量、長葉片的方向發(fā)展，風(fēng)電設(shè)備的發(fā)展在提升風(fēng)能利用效率的同時，風(fēng)機基礎(chǔ)承受的上部荷載也越來越大，對基礎(chǔ)的設(shè)計也提出了更高的要求。本文以國內(nèi)某平原風(fēng)場為例，介紹了松軟地層風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機組基礎(chǔ)的設(shè)計，對類似風(fēng)電場的建設(shè)提供一定的借鑒。

1 概述

某風(fēng)電場位于安徽省宿州市境內(nèi)，總裝機規(guī)模49.5MW，安裝17臺單機容量為3MW的風(fēng)力發(fā)電機組（其中一臺限發(fā)1.5MW），輪轂中心高度130m。風(fēng)電場內(nèi)自然地面以下40m范圍內(nèi)各土層的埋藏條件及工程地質(zhì)特性如下：

①₁層人工填土：灰黃、褐黃色，稍濕，可塑，性質(zhì)不均。素填土，主要成分為粘性土，厚度變化較大，一般層厚1.0～2.0m。

①₂層粉質(zhì)粘土：灰褐色、灰黃色，濕，可塑，混少量鈣質(zhì)結(jié)核，含植物根莖，一般層厚0.5～1.9m。

②層粉質(zhì)粘土：灰黃色，稍濕，硬可塑，局部硬塑，含氧化鐵錳質(zhì)，干強度中等、韌性中等，層厚0.9～4.7m，一般層厚約2.5m。

③₁層粉砂：灰黃色，飽和，中密～密實，該層局部分布，層厚1.6～6.2m，一般層厚約4.0m。

③₂層粉質(zhì)粘土：灰黃色，濕，可塑～硬塑，含少量氧化鐵錳質(zhì)，性質(zhì)不均，該層局部缺失，層厚0.9～6.4m，一般層厚約4.0m。

④層粉質(zhì)粘土：肉紅色，稍濕，硬塑，含氧化鐵錳質(zhì)，干強度中等、韌性中等，層厚1.7～6.6m，一般層厚約4.5m，可作為短樁的樁端持力層。

⑤層粉質(zhì)粘土：灰黃色，稍濕，可塑～硬塑，性質(zhì)不均，夾層狀、薄層狀中密～密實粉土，個別深度夾有30-40cm厚的粉土層，層厚2.3～10.3m，一般層厚約7.3m，可作為端承摩擦樁的持力層。

⑥₁層粉質(zhì)粘土：灰黃色、褐黃色，稍濕，硬塑，局部堅硬，含少量氧化鐵錳質(zhì)，層厚2.1～4.4m，一般層厚約3.2m，層頂深度約17.1～24.2m，是本工程風(fēng)機基礎(chǔ)良好的樁端持力層。

⑥₂層粉質(zhì)粘土：褐黃色、灰黃色，稍濕，硬塑～堅硬，含氧化鐵錳質(zhì)，干強度中等、韌性中等，層厚6.3～9.1m，一般層厚約7.6m，層頂深度約21.5～26.0m，是本工程風(fēng)機基礎(chǔ)良好的樁端持力層。

⑥₃層粉質(zhì)粘土：灰黃色、灰白色，稍濕，硬塑～堅硬，含氧化鐵錳質(zhì)，干強度中等、韌性中等，混少量鈣質(zhì)結(jié)核，粒徑1～4cm，層頂深度約30.0～33.5m。

本風(fēng)電場工程規(guī)模為中型，風(fēng)電機組單機容量3MW，輪轂中心高度130m，風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級，抗震設(shè)防烈度為7°，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），風(fēng)電場區(qū)場地基本地震動峰值加速度為0.15g，基本地震動加速度反應(yīng)譜特征周期為0.40s，設(shè)計地震分組第一組，場地類別為Ⅱ類，按抗震設(shè)防烈度為7度時，判定擬建風(fēng)電場區(qū)淺部③₁粉細砂不會發(fā)生液化 ^[1]。

2 荷載計算

目前，陸上風(fēng)電機組的上部荷載主要還是由風(fēng)電機組廠家提供，本工程風(fēng)電機組的上部荷載標(biāo)準(zhǔn)值（不含安全系數(shù)）見表2。

風(fēng)電機組基礎(chǔ)所受上部結(jié)構(gòu)的荷載主要為垂直力、水平力、彎矩及扭矩，其中水平力和彎矩均很大，且變化復(fù)雜，同時考慮荷載模型偏差等因素，設(shè)計中應(yīng)采用修正安全系數(shù)k₀，k₀值為1.35。

風(fēng)電機組基礎(chǔ)嚴(yán)格按《風(fēng)電機組地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)定（試行）》（FD003-2007）等現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范進行設(shè)計，基礎(chǔ)設(shè)計的荷載應(yīng)根據(jù)不同荷載組合情況下的極端荷載工況、正常運行荷載工況、多遇地震工況、罕遇地震工況等各種工況進行計算。極端荷載工況包括上部塔架結(jié)構(gòu)傳來的極端荷載效應(yīng)，疊加基礎(chǔ)承受的其他有關(guān)荷載;正常運行荷載工況包括上部塔架結(jié)構(gòu)傳來的正常運行荷載效應(yīng)，疊加基礎(chǔ)承受的其他有關(guān)荷載;多遇地震工況包括上部塔架結(jié)構(gòu)傳來的正常運行荷載效應(yīng)，疊加多遇地震作用和基礎(chǔ)承受的其他有關(guān)荷載;罕遇地震工況包括上部塔架結(jié)構(gòu)傳來的正常運行荷載效應(yīng)，疊加罕遇地震作用和基礎(chǔ)承受的其他有關(guān)荷載^[2]。相關(guān)荷載分項系數(shù)見表3。

3 風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計

3.1 風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計的特點

風(fēng)機塔架高130m，屬于高聳構(gòu)筑物，其中上部結(jié)構(gòu)包括風(fēng)機塔架、發(fā)電機組和葉輪等。風(fēng)力發(fā)電機組基礎(chǔ)設(shè)計時，主要荷載包括：慣性力、空氣動力荷載、運行荷載及其他荷載。風(fēng)機塔架作用在風(fēng)機基礎(chǔ)頂面的主要荷載為垂直力、水平力、彎矩及扭矩，其中水平力和彎矩均很大。一般情況下，風(fēng)機塔架所受的靜力荷載較為明確，塔架對基礎(chǔ)造成的影響也比較容易確定，而風(fēng)力發(fā)電機組葉輪旋轉(zhuǎn)及風(fēng)機運行過程中產(chǎn)生的動荷載則比較復(fù)雜，對基礎(chǔ)的影響也要復(fù)雜的多。目前主流風(fēng)機塔筒高度一般都超過90m，水平風(fēng)荷載在基礎(chǔ)頂面產(chǎn)生的彎矩很大，同時風(fēng)電機組對塔架的傾斜度十分敏感，水平風(fēng)荷載往往是風(fēng)機機組基礎(chǔ)設(shè)計的控制性荷載。由于風(fēng)向的變化莫測，風(fēng)機基礎(chǔ)所受到的彎矩作用方向也反復(fù)變化，風(fēng)機基礎(chǔ)基底受到的拉壓作用也反復(fù)變化，很可能造成風(fēng)機地基基礎(chǔ)的承載力的減損和位移的累積。風(fēng)力發(fā)電機組基礎(chǔ)設(shè)計的這些特點，對設(shè)計工作提出了更高的要求，在滿足風(fēng)機機組承載力的要求外，還要嚴(yán)格控制風(fēng)機基礎(chǔ)的水平位移和不均勻沉降^[3-4]。

3.2 基礎(chǔ)選型

風(fēng)電機組主要的基礎(chǔ)型式有：擴展基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和巖石錨桿基礎(chǔ)，基礎(chǔ)型式的選擇一般應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場建設(shè)場地的地基條件和風(fēng)電機組上部塔架結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)的要求綜合確定，必要時還需進行試算，為進一步提升項目經(jīng)濟性，一般還要開展技術(shù)經(jīng)濟性比選。當(dāng)天然地基為軟弱土層或高壓縮性土層等承載力較低的地基時，天然地基不滿足上部結(jié)構(gòu)物荷載作用下的強度、變形和穩(wěn)定性的要求，采用樁基礎(chǔ)是技術(shù)經(jīng)濟較優(yōu)的技術(shù)方案。

根據(jù)本風(fēng)電場場地工程地質(zhì)條件，場地上覆第四系地層結(jié)構(gòu)松散，主要為耕植土、粉質(zhì)黏土，地基工程性質(zhì)較差，強度較低，土層厚度較大，不能滿足重要建（構(gòu)）筑物對其強度、變形和穩(wěn)定性的要求，因此風(fēng)機基礎(chǔ)宜優(yōu)先考慮采用承臺樁基礎(chǔ)^[5-6]。

目前在風(fēng)電場中應(yīng)用較多且技術(shù)較成熟的樁基礎(chǔ)形式主要有預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PHC預(yù)應(yīng)力管樁）基礎(chǔ)及鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。根據(jù)工程場地地基土的特性及分布情況，樁型可考慮采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁、灌注樁等。

3.3 風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計

（1）直徑0.8m灌注樁

初步擬定該型風(fēng)機基礎(chǔ)采用28根直徑為800mm的鋼筋混凝土灌注樁，樁的混凝土強度等級為C30，樁長24m，分兩圈布置，從外往內(nèi)，第一圈16根，第二圈12根。承臺采用C40混凝土，基礎(chǔ)分上、中、下三部分，上部為圓柱體，高1.0m，直徑為7.6m;中部為圓形臺柱體，頂面直徑7.6m，底面直徑19.0m，高1.4m;下部為圓柱體，直徑為19.0m，高1.0m，風(fēng)機基礎(chǔ)承臺埋深為3.0m。單臺風(fēng)機基礎(chǔ)混凝土方量為542.5m³。單根灌注樁混凝土方量為12.06m³，單個基礎(chǔ)灌注樁混凝土方量為337.78m³。

基礎(chǔ)布置圖見圖1。

（2）PHC預(yù)應(yīng)力管樁

初步擬定該型風(fēng)機基礎(chǔ)采用38根直徑為600mm的PHC預(yù)應(yīng)力管樁，樁長22m，分兩圈布置，從外往內(nèi)，第一圈22根，第二圈16根。承臺采用C40混凝土，基礎(chǔ)分上、中、下三部分，上部為圓柱體，高1.0m，直徑為7.6m;中部為圓形臺柱體，頂面直徑7.6m，底面直徑19.0m，高1.4m;下部為圓柱體，直徑為19.0m，高1.0m，風(fēng)機基礎(chǔ)承臺埋深為3.0m。單臺風(fēng)機基礎(chǔ)混凝土方量為542.5m³。

基礎(chǔ)布置圖見圖2。

3.4 樁基計算

風(fēng)電機組樁基礎(chǔ)計算時，采用考慮承臺與樁協(xié)同工作的彈性抗力計算方法，計算時采用北京木聯(lián)能軟件技術(shù)有限公司開發(fā)的《CFD風(fēng)電工程軟件-機組塔架地基基礎(chǔ)設(shè)計軟件》（V6.1）計算^[7]。

對直徑0.8m灌注樁單樁豎向抗壓、抗拔、水平承載力進行計算，單樁豎向承載力為2413.55kN，單樁抗拔承載力為1613.08kN，單樁水平承載力187.99kN，滿足規(guī)范要求。

對PHC預(yù)應(yīng)力管樁單樁豎向抗壓、抗拔、水平承載力進行計算，單樁豎向承載力為2127.01kN，單樁抗拔承載力為908.14kN，單樁水平承載力57.64kN，滿足規(guī)范要求。

3.5 樁基方案比選

由于兩種樁型的風(fēng)機基礎(chǔ)承臺都一樣，故只需對樁的工程量及造價進行比較。

從上表可以看出，同等條件下采用直徑PHC預(yù)應(yīng)力管樁造價較低。

近年來，PHC預(yù)應(yīng)力管樁在我國使用廣泛，PHC預(yù)應(yīng)力管樁可對天然土體進行擠密，擠密可以提高淺層土質(zhì)的承載力，同時可以充分利用淺層土體的側(cè)摩阻，單樁承載力有保證;PHC預(yù)應(yīng)力管樁為工廠預(yù)制生產(chǎn)，產(chǎn)品化程度較高，質(zhì)量容易保證;施工工序較為簡捷，打（壓）樁速度較快，成樁較為迅速，不需要進行泥漿護壁，施工場地整潔，不存在交叉作業(yè)，不需進行樁體養(yǎng)護，工程的質(zhì)量和施工進度容易保證，可大幅度提高整體施工進度;樁身混凝土強度為C80，樁身混凝度密實性較好，并且施加預(yù)應(yīng)力，按不出現(xiàn)裂縫進行設(shè)計，適應(yīng)腐蝕性環(huán)境。

因此，本項目推薦采用直徑600mm PHC預(yù)應(yīng)力管樁承臺基礎(chǔ)方案。

4 樁基試驗及檢測

根據(jù)地質(zhì)鉆探資料，勘探深度內(nèi)地基土層大部分均混有鈣質(zhì)結(jié)核物，粒徑0.5～4cm，可能對PHC預(yù)應(yīng)力管樁的沉樁造成困難。為確保成樁效果，確定風(fēng)機基礎(chǔ)單樁承載力，本工程在風(fēng)機基礎(chǔ)施工前，委托試樁單位進行了PHC預(yù)應(yīng)力管樁試樁工作。

試樁選取10#、17#風(fēng)機機位中心各打3根試驗樁（機位正中心1根、另2根在左右兩側(cè)間距2.0m處，3根樁在同一直線上）進行抗壓、抗拔、水平力靜載試驗。試驗樁類型為PHC 600 AB 130，十字型樁尖。允許接一次樁，上下兩段樁長相差不宜超過4m?？紤]采用錘擊法沉樁，重錘輕擊，開始時采用較小落距，入土一定深度且樁身穩(wěn)定后，再按設(shè)計要求落距進行錘擊。接樁采用鋼端板焊接法進行，樁段頂端距地面1m左右時進行焊接接樁，接樁一般在樁尖穿過較硬的土層后再進行，接樁時上下段樁的中心線偏差按照不大于2mm控制，節(jié)點彎曲矢高不得大于樁段長度的0.1%。停錘標(biāo)準(zhǔn)以標(biāo)高控制為主，并按最后一陣10擊總貫入度達到50mm時即可停錘。

承載力檢測試驗在試驗樁沉樁完成后15天后進行。單樁水平靜載荷試驗采用單向多循環(huán)加卸載法，取預(yù)估水平極限承載力的1/10作為每級荷載的增量。每級荷載施加后，恒載4min后可測讀水平位移，然后卸載至零，卸載后等待2min測讀殘余水平位移，以上便為一個加卸載循環(huán)。循環(huán)5次，則完成一級荷載的位移觀測。

單樁抗拔靜載荷試驗采用慢速維持荷載法，每級加載量宜為預(yù)估極限荷載的1/10，每級荷載施加后按第5、15、30、45、60min測讀一次，以后每隔30min測讀一次。每一小時內(nèi)的樁頂上拔量不超過0.1mm，并連續(xù)出現(xiàn)兩次時達到相對穩(wěn)定。

單樁豎向抗壓靜載荷試驗采用慢速維持荷載法，，每級加載量宜為預(yù)估極限荷載的1/10，每級加載后，每第5、15、30、45、60min各測讀一次，以后每隔30min測讀一次。在每級荷載作用下，樁的沉降量每小時沉降小于0.1mm出現(xiàn)兩次可視為穩(wěn)定。

樁基單樁承載力設(shè)計與試驗情況見表5。

綜上可知，采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁方案，粒徑1～4cm鈣質(zhì)結(jié)核不影響沉樁施工，可以保證成樁效果，單樁承載力滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

5 結(jié)語

根據(jù)以上工程實踐可以看出，在平原地區(qū)松軟地層厚度較大不適宜采用擴展基礎(chǔ)時，風(fēng)力發(fā)電機組基礎(chǔ)采用PHC預(yù)應(yīng)力管樁是經(jīng)濟技術(shù)較為合適的方案。樁基沉樁試驗和檢測結(jié)果均表明，樁基承載力可以滿足各種工況下風(fēng)機塔架上部結(jié)構(gòu)的承載要求。通過本工程的設(shè)計探討，為以后松軟地層地區(qū)風(fēng)電場風(fēng)機機組的工程設(shè)計積累了一定的經(jīng)驗，希望可為同類工程設(shè)計提供一些參考與借鑒。

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