灘涂風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)選型與設(shè)計(jì)

據(jù)測(cè)算，今后風(fēng)力發(fā)電年增長(zhǎng)將達(dá)到30%以上，到2020年風(fēng)力發(fā)電可提供世界電力需求的12%，創(chuàng)造180萬個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)，并在全球范圍內(nèi)減少100多億噸二氧化碳廢氣排放[1]。我國(guó)風(fēng)能資源豐富，理論儲(chǔ)存量32億kW，實(shí)際可利用2.5億kW，適宜大規(guī)模開發(fā)利用。

2000年以后，由于國(guó)家鼓勵(lì)對(duì)可再生能源的開發(fā)和利用，國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)得到了迅速發(fā)展，截至2006年底，全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到260萬千瓦，排名世界第6位，亞洲第2位，成為繼歐洲、美國(guó)和印度之后發(fā)展風(fēng)力發(fā)電的主要市場(chǎng)之一。按照《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》，風(fēng)電到2020年裝機(jī)要達(dá)到3000萬kW，很可能超越核電，成為我國(guó)第三大發(fā)電形式。風(fēng)機(jī)是一種新型高聳構(gòu)筑物，其基礎(chǔ)應(yīng)要滿足特殊的要求。本文以浙江慈溪風(fēng)電場(chǎng)工程為背景，介紹了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)選型和設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，供類似工程參考。

1、慈溪風(fēng)電場(chǎng)概況 浙江省經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，但一次能源短缺，水能資源開發(fā)程度已較高，近年來缺電嚴(yán)重。另一方面，浙江省地處東南沿海風(fēng)能帶，風(fēng)能開發(fā)利用潛力很大，是我國(guó)風(fēng)能資源最豐富的12個(gè)省市之一。慈溪風(fēng)電場(chǎng)位于浙江省慈溪市東北面的半掘浦~徐家浦一帶的沿海灘涂上，沿海地形開闊，風(fēng)能資源較為豐富，是一個(gè)良好的風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)場(chǎng)址。風(fēng)電場(chǎng)東西長(zhǎng)約13 km，北鄰已建成的標(biāo)準(zhǔn)海塘，南為養(yǎng)殖區(qū)，寬約1.5 km。風(fēng)電場(chǎng)目前地貌為魚塘，地面高程一般為0.3~2.2 m，地形北東低，南西高。風(fēng)電場(chǎng)規(guī)劃安裝33臺(tái)單機(jī)容量1.5 MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，轉(zhuǎn)輪直徑77 m，輪轂高度60 m，發(fā)電出口電壓12 kV，總裝機(jī)容量49.5 MW。 　　

2、工程地質(zhì) 　　工程區(qū)處于浙北寧紹平原區(qū)，海拔較低，地勢(shì)平坦。本區(qū)上部第四系沉積物厚度達(dá)110 m左右，下伏基巖為侏羅系（J3）凝灰?guī)r。本場(chǎng)地為較厚覆蓋層區(qū)。地震基本加速度為0.05g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅵ度?？辈焐疃葍?nèi)均為第四系沉積物，為沖積、海積及河口~海陸相沉積，自上而下分為6大層14個(gè)亞層，部分土層缺失，主要土層情況見表1。 　

3、風(fēng)機(jī)特點(diǎn)分析 ，風(fēng)機(jī)屬高聳結(jié)構(gòu)，主要由塔筒、機(jī)艙和葉輪組成。在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中主要荷載包括：慣性力、空氣動(dòng)力荷載、運(yùn)行荷載等其他荷載。一般的，靜力荷載比較明確，對(duì)結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)造成的影響也較容易確定，而風(fēng)力機(jī)組葉輪旋轉(zhuǎn)及風(fēng)機(jī)控制運(yùn)行過程中產(chǎn)生的動(dòng)荷載對(duì)基礎(chǔ)的影響則比較復(fù)雜。由于風(fēng)機(jī)塔筒較高，水平風(fēng)荷載在基礎(chǔ)頂面產(chǎn)生的彎矩比較大，往往是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的控制性荷載。又由于風(fēng)向的變化，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)所受到的彎矩作用方向也反復(fù)變化，使風(fēng)機(jī)基底受到反復(fù)的拉壓作用，有可能造成風(fēng)機(jī)地基基礎(chǔ)的承載力減損和位移累計(jì)。風(fēng)機(jī)價(jià)格昂貴，對(duì)于基礎(chǔ)的水平位移和不均勻沉降控制也比較嚴(yán)格。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的這些特點(diǎn)，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提出了比較高的要求。 　　

4、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案 　　4.1基礎(chǔ)選型 　　本工程場(chǎng)地土①-2層吹填土工程性能較差、②-2層沙質(zhì)粉土工程性能一般、②-3層砂質(zhì)粉土工程性能較好但埋藏較深，若采用天然地基，其承載力和變形不能滿足結(jié)構(gòu)要求。而樁基礎(chǔ)具有承載力高，沉降小且均勻、抗震性能好等特點(diǎn)，能夠較好地承受垂直荷載、水平荷載及由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)或動(dòng)力作用[3]。基于以上考慮，本工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。 　　4.2樁型選擇 　　可供選擇的樁型有兩種：預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和鉆孔灌注樁。本工程場(chǎng)地淺部存在稍密的②-2層砂質(zhì)粉土，屬中等壓縮性土層，工程性能一般；②-3層砂質(zhì)粉土，呈中密狀，工程性能良好，是短樁樁基較好的持力層；下部存在⑤-1層粉砂、⑥-1層粉質(zhì)粘土，是長(zhǎng)樁樁基的良好持力層。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，粉土、粉砂隨著打樁的進(jìn)行具有明顯的擠密效果，可以顯著提高樁基承載力。若采用鉆孔灌注樁方案，其特點(diǎn)是無噪音，樁長(zhǎng)、樁徑可根據(jù)上部荷載進(jìn)行控制。但是灌注樁費(fèi)用高，施工工期長(zhǎng)，沉渣難以控制，灌注樁水下混凝土澆筑存在施工用水難以解決的問題[4]。根據(jù)場(chǎng)地地質(zhì)條件，通過選擇合適的打樁設(shè)備、合理的打樁順序及施工工藝，成樁是可行的，所以本工程風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（PHC樁），樁身直徑為600 mm。 4.3持力層選擇 　　綜合考慮上部荷載要求、土層力學(xué)性狀，本工程可采用的持力層有②-3層砂質(zhì)粉土、⑤-1層粉砂及⑥-1層粉質(zhì)粘土。本工程針對(duì)不同風(fēng)機(jī)處的土層分布情況，選擇不同的土層作為樁基持力層，設(shè)計(jì)時(shí)考慮軟弱下臥層的影響。 　　4.4樁基布置 　　根據(jù)地質(zhì)條件的不同，以及樁的長(zhǎng)徑比等限制條件，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)布置有如下兩種形式。（1）基礎(chǔ)型式一（長(zhǎng)短樁方案）：風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用圓盤形，圓盤直徑17 m，埋深2.4 m，共布置34根樁徑600 mm的PHC樁，分三圈布置，外圈16根長(zhǎng)樁，中圈布置12根短樁，內(nèi)圈布置6根長(zhǎng)樁。結(jié)合具體風(fēng)機(jī)的地質(zhì)情況不同，長(zhǎng)樁約45~58 m，短樁長(zhǎng)10 m，長(zhǎng)樁主要承擔(dān)豎向荷載，短樁用于承擔(dān)水平荷載。此型式適用于全部風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，如圖1所示。（2）基礎(chǔ)型式二（短樁方案）：風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用圓盤形，圓盤直徑18 m，埋深2.4 m，共布置54根樁徑600的PHC樁，分三圈布置，外圈布置24根，中圈布置18根，內(nèi)圈布置12根。結(jié)合具體風(fēng)機(jī)的地質(zhì)情況不同，樁長(zhǎng)為10~14 m，此型式僅適用本工程中的9臺(tái)風(fēng)機(jī)。 　　

經(jīng)對(duì)承臺(tái)、樁和樁間土進(jìn)行聯(lián)合內(nèi)力變形計(jì)算，并對(duì)每臺(tái)風(fēng)機(jī)樁基承載力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，上述兩種風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)方案的樁基承載力和樁身強(qiáng)度都可以滿足要求，但基礎(chǔ)型式二的基礎(chǔ)位移及轉(zhuǎn)角偏大，故最終采用基礎(chǔ)型式一。 　　4.5樁基計(jì)算 選取風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況、地下水位和地震荷載的不同組合值，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定，進(jìn)行樁基計(jì)算，其中豎向力全部由長(zhǎng)樁承擔(dān)，短樁僅考慮其水平承載力。樁基豎向力采用材料力學(xué)法、假定承臺(tái)為剛體進(jìn)行計(jì)算。樁基水平位移計(jì)算考慮承臺(tái)、樁和樁間土聯(lián)合作用，因①-2層吹填土工程性能較差，所以不計(jì)入承臺(tái)底和承臺(tái)側(cè)面吹填土的作用?！　?duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)圓盤形承臺(tái)取5個(gè)斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋和裂縫寬度計(jì)算，計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。配筋計(jì)算原則如下：（1）對(duì)承臺(tái)切取的各個(gè)剖面分別計(jì)算底部和頂部結(jié)構(gòu)配筋；（2）假定承臺(tái)沿剖面線位置發(fā)生破壞，并全部由剖面線切到的鋼筋承擔(dān)；（3）樁的反力按彈性支座法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算得到的各剖面配筋需經(jīng)裂縫寬度復(fù)核。另外，承臺(tái)抗剪和抗沖切也需要經(jīng)驗(yàn)算并滿足要求。

風(fēng)機(jī)屬于高聳結(jié)構(gòu)，具有水平荷載大、彎矩大、動(dòng)力特性復(fù)雜的特點(diǎn)，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提出了較高的要求。慈溪風(fēng)電場(chǎng)工程地處沿海灘涂，場(chǎng)址風(fēng)力資源豐富，覆蓋層較厚，需要仔細(xì)選擇合適的基礎(chǔ)型式。本文闡述