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浅论风力发电机组地基基础类型
作者:佚名 来源:本站原创 更新时间:2018-10-9 17:12:02

浅论风力发电机组地基基础类型

王 恒

大连大保建设管理有限公司,地址:大连市开发区富有大厦B座901 邮编:130400;

【摘要】随着中国国力的不断增强,人民对生活的要求也在日益提高。国家推行降低环境污染的新能源政策,风力发电、光伏发电等低污染的形式逐渐得到人们的重视,本论文主要谈谈风力发电风机地基基础的类型。

【关键词】 风力发电机组;基础类型;

1风机机组地基基础的设计

风机机组地基基础的设计采用极限状态设计方法,荷载和有关分项系数的取值应符合相关规定,以保证在规定的外部条件、设计工况和荷载条件下,使风电机组地基基础在设计使用年限50年内安全、正常工作。

地基基础按风电机组的单机容量、轮毅高度和地基复杂程度划分基础设计等级:风机容量大于1.5MW或轮毅大于20m或复杂地质条件均为1级;单机容量小于0.75MW、轮毅高度小于60m或简单地质条件的岩土地基为3级;介于1级、3级之间的地基基础为2级。

风机机组地基基础设计应符合下列规定:

(1)

所有风电机组地基基础均应满足承载力、变形和稳定性的要求;

(2)

1级、2级风电机组地基基础,均应进行地基变形计算;

(3)

3级风电机组基础,一般可不做变形验算,但地基承载力特征值小于130kPa或压缩模量小于8MPa、软土等特殊情况除外。

在于地基承载力、基础稳定性有关的计算中。上部结构传至塔筒底部与基础环交界面的荷载应考虑安全系数标准值(k0=1.35)。

对地震基本烈度为7度及以上且场地为饱和砂土、粉土的地区,应根据地基土振动液化的判别成果,通过技术经济比较采取稳定基础的对策和处理措施;抗震设防烈度为9度及以上,或参考风速超过50m/s(相当于50年一遇极端风速超过70m/s)的风电场,其地基基础设计应进行专门研究。

受洪(潮)水或台风影响的地基基础应满足防洪要求,洪(潮)水设计标准应符合《风电场工程等级划分及设计安全标准》(执行)(FD002—2007)的规定。对可能受洪(潮)水影响的地基基础。在基础周围一定范围内应采取可靠永久防冲防淘保护措施。

2风力发电机组基础的防洪标准

 

资料收集:应收集风机基础荷载(包括正常运行荷载、极端工况荷载、地震作用、疲劳荷载等)、基础环、基础环支架、基础埋管、上部结构(包括叶轮、叶舱、塔筒等)质量、上部结构高度、结构自振频率、结构阻尼比、水平度要求等资料。

3地基的分类与处理

3.1地基分类与基础选型

A类:地形条件稳定,浅表地层均匀、承载力较高,非液化土层、软弱下卧层埋深较厚的土基和地质条件简单(岩层层面较平、结构面不发育、力学性质稳定)的岩基、一般而言,当风电机组基础坐落于地基承载力特征值大于160~180kPa,压缩模量大于10MPa的砂土和全(强)风化土上,且地下水位较低,则可考虑采用扩展基础。岩石较好的地基可采用锚杆基础。

B类:软弱地基,指主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土层构成的地基。由此类地基适合桩基础及复合地基,沿海以粉细砂及淤泥质土为主优先采用打入桩及钻孔灌注桩,预制打入桩中有条件时,优先采用预应力高强混凝土管桩(PHC)。较深地基土标贯击数较高(粘性土大于20击,砂土大于40击)的地区宜优先采用钻孔灌注桩。

C类:浅表地层承载力较低,土质松散、厚度较大,难以挖除,不宜采用天然地基,但下卧层条件较好,本类地基宜优先选用复合地基,如CFG桩、水泥搅拌桩、碎石桩、旋喷桩等复合地基。

D类:特殊、复杂地基,如岩基结构面发育、地层不稳定、膨胀土、湿陷性土、可液化土、欠固结土、盐渍岩土、污染土等须进行特殊处理的地基。特殊、复杂地基不宜作风电机组的地基,或要采取相应的特殊措施。

E类:岩溶、滑坡、危岩和坍塌、泥石流、采空区、地面沉降、活动断裂带等不良地质区域不应作为风电机组地基。

3.2地基承载力验算及变形控制

地基承载力特征值应有荷载试验或其他原位测试、公式计算及结合实践经验等方法综合确定。

基础整体沉降其变形允许值可按《风电机组地基基础设计规定(试行)》(FD003—2007)进行控制。

风机基础承受的倾覆力矩大,且较长时间地固定在某个方向(风能的主导方向),造成基地地基长时间处于某个方向上的大偏心受压状态,这样必将导致基础较大的不均匀沉降(倾斜)。因此在风机基础设计过程中,应与风机厂家充分沟通,并根据风机厂家具体机型的工作特征以及相关要求,在充分发挥风机效率的同时,经济合理的确定基础的型式和大小,并采取其他有效的措施,达到减小基础不均匀沉降的目的。

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上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,避免地基产生较大、不可恢复的塑形变形。

3.3地基稳定性控制

风机基础的稳定验算主要包含抗滑验算和抗倾覆验算。

3.4软土地基处理方法

(1)地基处理方法一般可采用密实法、置换法和灌浆法。

(2)确定地基处理方案前应进行现场试验,检查方案的可行性后,方可进行地基处理的施工图设计与施工。

(3)软土地基处理有很多种方法,可采用单种或多种方法相结合。方案选择应根据地质、工期、造价等具体情况,经技术经济比较,采用最优方案。地基处理后应进行静力稳定计算。竣工后的总沉降;量和不均匀沉降应不影响风电机组基础的安全运用。

(4)一般复合地基应写明复合地基做法,包括材料、复合桩直径、深度、布置方式、间距等和复合地基的承载力标准值。

(5)风力发电机组基础不宜建于土岩组合地基上

若出现土岩组合地基情况,优先考虑移动风机机位,即将风机机位移向全为土体(或者全为岩体)一侧,若无法移动风机机位,则需采取适宜的地基处理措施。

4重力式扩展基础设计

4.1风电机组的扩展基础一般指由台柱和底板组成的钢筋混凝土独立基础,包括坐落于天然地基和复合地基上两种。

4.2扩展基础本身应有足够的强度、刚度和耐久性,地基应有足够的承载力,且不产生超过上部结构安全和正常施工所允许的变形。

4.3基础机构型式及体型

风机机组扩展基础一般设计为大块体结构,扩展基础底面宜设计为圆形或正八边形等轴对称形状,以充分发挥材料的自身强度。

4.4扩展基础应满足地基承载力、变形及稳定性相关规范要求。另外,基地允许脱开面积应满足下表要求。如不满足要求应采取加大基础底面积或埋深等措施。

 

5岩石锚杆基础设计

5.1当地基为新鲜、完整的岩体时,可采用岩石锚杆基础。

5.2岩石锚杆基础的稳定性应根据工程地质和水文地质条件进行抗滑、抗倾覆、抗浮稳定计算。抗滑稳定计算应根据地质条件分别进行沿基础底面和地基深层结构面的稳定计算。

5.3岩石锚杆基础抗倾覆稳定计算中,基础所承受的倾覆力矩由锚杆和基础本身自重(含上部竖向荷载)共同承担。抗滑、抗浮稳定计算中,基础抗滑、抗浮力不足部分由锚杆承担。

6桩基础设计

6.1桩基应根据具体条件分别进行下列承载力计算和稳定计算:

(1)应根据桩基的使用功能和受力特征分别进行桩基的竖向承载力计算和水平承载力计算。

(2)应对桩身和承台结构承载力进行计算,对于桩侧土不排水抗剪强度小于10kPa且长径比大于50的桩,应进行桩身压屈验算;对于混凝土预制桩,应按吊装、运输和锤击作用进行桩身承载力验算;对于钢管桩,应进行局部压屈验算。

(3)当桩端平面以下存在软弱下卧层时,应进行软卧下我曾承载力验算。

(4)对位于坡地、岸边的桩基,应进行整体稳定性验算。

(5)对于抗浮、抗拔桩基,应进行基桩和群桩的抗拔承载力计算。

(6)对于抗震设防区桩基,应进行抗震承载力计算。

(7)应验算其整体水平位移。

6.2符合下列条件之一的桩基,当桩周土层产生沉降超过基桩沉降时,在计算桩基承载力时,应计入桩侧负摩阻力:

(1)桩穿越较厚松散填土、自重湿陷性黄土、欠固结土、液化土层进入相对较硬土层时;

(2)桩周存在软弱土层,邻近桩侧地面承受局部较大的长期荷载,或地面大面积堆载(包括填土)时;

(3)由于降低地下水位,使桩周土有效应力增大,并产生显著压缩沉降时。

6.3应根据桩基所处的环境类别和相应的裂缝控制等级,验算桩和承台正截面的抗裂和裂缝宽度。

6.4桩基结构的耐久性应根据设计使用年限、现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)的环境类别规定以及水、土对钢、混凝土腐蚀性的评价进行设计。

6.5单根竖向极限承载力标准值、极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值得确定应符合下列规定:

(1)单桩竖向静载试验应按现行行业标准《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106—2003)执行。

(2)对于大直径端承型桩,也可通过深层平板(平板直径应与孔径一致)荷载试验确定极限端阻力。

(3)对于嵌岩桩,可通过直径为1.3m岩基平板载荷试验确定极限端阻力标准值,也可通过直径为0.3m嵌岩短墩载荷试验确定极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值。

(4)桩的极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值,宜通过埋设桩身轴力测试元件由静载试验确定。并通过测试结果建立极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值与土层物理指标、岩石饱和单轴抗压强度以及静力触探等土的原位测试指标间的经验关系,以经验参数法确定单桩竖向极限承载力。

6.6工程桩应进行承载力和桩身质量检验。

6.7有下列情况之一的桩基工程,应采用静荷载试验对工程桩单桩竖向承载力进行检测,检测数量应根据桩基设计等级、本工程施工前取得试验数据的情况,按行业标准《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106—2003)确定:

(1)工程施工前已进行单桩静载试验,但施工过程变更了工艺参数或施工质量出现异常时;

(2)施工前工程未进行单桩静载试验的工作;

(3)地质条件复杂、桩的施工质量可靠性低;

(4)采用新桩型或新工艺。

7基础沉降观测

7.1基础施工前需设置永久性沉降观测基准点,作为沉降观测用。基点设置以保证其稳定可靠为原则,位置应靠近风机基础,但距离风机基础外边缘不小于40m(基础沉降影响范围之外),在一个观测区内,基准点不应少于2个。

7.2基础沉降观测点一般设置在基础承台上以便于观测,1台风机基础以均匀布置4个沉降观测点,沉降观测点也可以布置于台柱之上或置于基础边缘,观测点应做相应保护措施且宜高出地面10cm。

7.3沉降观测应从基础浇筑开始,施工期间观测次数不少于四次,竣工后第一年每隔2个月观测一次,以后每隔4个月观测一次。

7.4基础沉降应满足风机制造厂家对风机基础有关沉降的要求。

8材料选用

混凝土:基础混凝土C40~C45,垫层混凝土C15~C20。

钢筋:-HPB300,-HRB400。

钢材:钢结构的钢材宜采用Q235B碳素结构钢和Q345B低合金高强度结构钢。

风机基础混凝土强度等级宜采用C40 。

软土地基垫层宜加厚并采用C20。

位防止大体积混凝土的水化热温度过高,产生温度裂缝,混凝土中宜添加混凝土外加剂,混凝土中掺用外加剂的质量及应用技术应符合现行国家标准《混凝土外加剂》(GB8076—2008)、《混凝土外加剂应用技术规范》(GB20119—2003)等的规定。

9实例分析

2017年内蒙镶黄旗风电项目所采用的风机机组地基基础为扩展基础,与风机塔筒链接处采用锚栓组件链接,型式上比较趋近于钢结构上的地脚螺栓。本类型的特点是施工工艺简单,成活速度快,但此类型对地基土质要求较高,比较适合上述所提到的A类地基。基础环地基基础施工于上述内蒙镶黄旗风电项目基础类型相似,但基础环自重较大,前期施工需要吊车介入,但是基础环施工过程中调平次数少,调平数值准确,基础环施工能够加强风机基础的整体牢靠性。

参 考 文 献

[1] 《风力发电场标准化设计》

[2] 《风电场工程等级划分及设计安全标准》(执行)(FD002—2007)

[3] 《风电机组地基基础设计规定(试行)》(FD003—2007)

[4] 《混凝土结构设计规范》(GB50010—2002)

[5] 《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106—2003)

[6] 《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106—2003)

[7] 《混凝土外加剂》(GB8076—2008)

[8] 《混凝土外加剂应用技术规范》(GB20119—2003)

 

收稿日期:2018年6月30日

作者简介:

姓名:王恒(1990),男,吉林省扶余市,大学本科





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