滩涂风机基础选型与设计

据测算，今后风力发电年增长将达到30%以上，到2020年风力发电可提供世界电力需求的12%，创造180万个就业机会，并在全球范围内减少100多亿吨二氧化碳废气排放[1]。我国风能资源丰富，理论储存量32亿kW，实际可利用2.5亿kW，适宜大规模开发利用。

2000年以后，由于国家鼓励对可再生能源的开发和利用，国内风力发电行业得到了迅速发展，截至2006年底，全国风电装机总容量达到260万千瓦，排名世界第6位，亚洲第2位，成为继欧洲、美国和印度之后发展风力发电的主要市场之一。按照《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，风电到2020年装机要达到3000万kW，很可能超越核电，成为我国第三大发电形式。风机是一种新型高耸构筑物，其基础应要满足特殊的要求。本文以浙江慈溪风电场工程为背景，介绍了风机基础选型和设计的主要内容，供类似工程参考。

1、慈溪风电场概况 浙江省经济发达，但一次能源短缺，水能资源开发程度已较高，近年来缺电严重。另一方面，浙江省地处东南沿海风能带，风能开发利用潜力很大，是我国风能资源最丰富的12个省市之一。慈溪风电场位于浙江省慈溪市东北面的半掘浦~徐家浦一带的沿海滩涂上，沿海地形开阔，风能资源较为丰富，是一个良好的风电场建设场址。风电场东西长约13 km，北邻已建成的标准海塘，南为养殖区，宽约1.5 km。风电场目前地貌为鱼塘，地面高程一般为0.3~2.2 m，地形北东低，南西高。风电场规划安装33台单机容量1.5 MW的风力发电机组，转轮直径77 m，轮毂高度60 m，发电出口电压12 kV，总装机容量49.5 MW。 　　

2、工程地质 　　工程区处于浙北宁绍平原区，海拔较低，地势平坦。本区上部第四系沉积物厚度达110 m左右，下伏基岩为侏罗系（J3）凝灰岩。本场地为较厚覆盖层区。地震基本加速度为0.05g，相当于地震基本烈度Ⅵ度。勘察深度内均为第四系沉积物，为冲积、海积及河口~海陆相沉积，自上而下分为6大层14个亚层，部分土层缺失，主要土层情况见表1。 　

3、风机特点分析 ，风机属高耸结构，主要由塔筒、机舱和叶轮组成。在风机基础设计中主要荷载包括：惯性力、空气动力荷载、运行荷载等其他荷载。一般的，静力荷载比较明确，对结构、基础造成的影响也较容易确定，而风力机组叶轮旋转及风机控制运行过程中产生的动荷载对基础的影响则比较复杂。由于风机塔筒较高，水平风荷载在基础顶面产生的弯矩比较大，往往是风机基础设计的控制性荷载。又由于风向的变化，风机基础所受到的弯矩作用方向也反复变化，使风机基底受到反复的拉压作用，有可能造成风机地基基础的承载力减损和位移累计。风机价格昂贵，对于基础的水平位移和不均匀沉降控制也比较严格。风力发电机组的这些特点，对风机基础设计提出了比较高的要求。 　　

4、风机基础设计方案 　　4.1基础选型 　　本工程场地土①-2层吹填土工程性能较差、②-2层沙质粉土工程性能一般、②-3层砂质粉土工程性能较好但埋藏较深，若采用天然地基，其承载力和变形不能满足结构要求。而桩基础具有承载力高，沉降小且均匀、抗震性能好等特点，能够较好地承受垂直荷载、水平荷载及由风机产生的振动或动力作用[3]。基于以上考虑，本工程风机基础采用桩基础。 　　4.2桩型选择 　　可供选择的桩型有两种：预应力混凝土管桩和钻孔灌注桩。本工程场地浅部存在稍密的②-2层砂质粉土，属中等压缩性土层，工程性能一般；②-3层砂质粉土，呈中密状，工程性能良好，是短桩桩基较好的持力层；下部存在⑤-1层粉砂、⑥-1层粉质粘土，是长桩桩基的良好持力层。根据工程经验，粉土、粉砂随着打桩的进行具有明显的挤密效果，可以显著提高桩基承载力。若采用钻孔灌注桩方案，其特点是无噪音，桩长、桩径可根据上部荷载进行控制。但是灌注桩费用高，施工工期长，沉渣难以控制，灌注桩水下混凝土浇筑存在施工用水难以解决的问题[4]。根据场地地质条件，通过选择合适的打桩设备、合理的打桩顺序及施工工艺，成桩是可行的，所以本工程风机基础采用高强度预应力混凝土管桩（PHC桩），桩身直径为600 mm。 4.3持力层选择 　　综合考虑上部荷载要求、土层力学性状，本工程可采用的持力层有②-3层砂质粉土、⑤-1层粉砂及⑥-1层粉质粘土。本工程针对不同风机处的土层分布情况，选择不同的土层作为桩基持力层，设计时考虑软弱下卧层的影响。 　　4.4桩基布置 　　根据地质条件的不同，以及桩的长径比等限制条件，风机基础结构布置有如下两种形式。（1）基础型式一（长短桩方案）：风机基础采用圆盘形，圆盘直径17 m，埋深2.4 m，共布置34根桩径600 mm的PHC桩，分三圈布置，外圈16根长桩，中圈布置12根短桩，内圈布置6根长桩。结合具体风机的地质情况不同，长桩约45~58 m，短桩长10 m，长桩主要承担竖向荷载，短桩用于承担水平荷载。此型式适用于全部风机基础，如图1所示。（2）基础型式二（短桩方案）：风机基础采用圆盘形，圆盘直径18 m，埋深2.4 m，共布置54根桩径600的PHC桩，分三圈布置，外圈布置24根，中圈布置18根，内圈布置12根。结合具体风机的地质情况不同，桩长为10~14 m，此型式仅适用本工程中的9台风机。 　　

经对承台、桩和桩间土进行联合内力变形计算，并对每台风机桩基承载力进行复核计算，上述两种风机基础方案的桩基承载力和桩身强度都可以满足要求，但基础型式二的基础位移及转角偏大，故最终采用基础型式一。 　　4.5桩基计算 选取风机运行工况、地下水位和地震荷载的不同组合值，根据现行规范的规定，进行桩基计算，其中竖向力全部由长桩承担，短桩仅考虑其水平承载力。桩基竖向力采用材料力学法、假定承台为刚体进行计算。桩基水平位移计算考虑承台、桩和桩间土联合作用，因①-2层吹填土工程性能较差，所以不计入承台底和承台侧面吹填土的作用。　　对风机基础圆盘形承台取5个断面进行结构配筋和裂缝宽度计算，计算简图如图2所示。配筋计算原则如下：（1）对承台切取的各个剖面分别计算底部和顶部结构配筋；（2）假定承台沿剖面线位置发生破坏，并全部由剖面线切到的钢筋承担；（3）桩的反力按弹性支座法进行计算。计算得到的各剖面配筋需经裂缝宽度复核。另外，承台抗剪和抗冲切也需要经验算并满足要求。

风机属于高耸结构，具有水平荷载大、弯矩大、动力特性复杂的特点，对风机基础设计提出了较高的要求。慈溪风电场工程地处沿海滩涂，场址风力资源丰富，覆盖层较厚，需要仔细选择合适的基础型式。本文阐述