D风电场风机基础选型设计

D风电场风机基础选型设计

王瑞锋

王瑞锋

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州，贵阳，550081）

【摘要】我国风电场建设方兴未艾，风电机组逐渐呈现出以2MW及以上的单机容量为主的趋势。单机容量越大，上部荷载就越大，风机基础选型就愈发重要，文章通过D风电场个案，探讨风机基础选型。

【关键词】风机基础；基础选型；基础环；预应力锚栓

一、引言

截止2014年底，我国风电装机规模已达到1.15亿kW，居世界第1位，预计2020年装机规模将突破2亿kW，我国风电场建设方兴未艾。

根据有关统计资料，2014年中国不同功率风电场机组新增装机容量占比中，2MW及以上风电机组达到了52%，已成为风电场的主力机型。

风机单机容量大，上部载荷就大，塔筒与基础之间的基础环连接方式的弊端就更加突出。国内多个风电场出现基础环与基础顶部结合处出现较大缝隙甚至破坏，以至塔筒倾斜，风机被迫停止运行的事故。本文将以D风电场为例，针对常用的基础环和预应力锚栓两种连接形式、扩展基础和梁板式基础两种基础型式进行风机基础的选型探讨。

二、工程概况

D风电场位于云南省昆明市境内，共安装24台单机容量2000kW的风电机组，轮毂高度80m。

拟建场址范围内总体属于剥蚀、溶蚀低中山～中山地貌，场址地震动峰值加速度0.30g，相应地震基本烈度Ⅷ度，风机均位于玄武岩地层分布区域，根据地质专业结论，风机基础可选择均匀的全风化玄武岩或下伏岩体作为风机地基持力层，基础形式建议采用天然地基扩展基础。

三、风机基础选型

天然地基扩展基础主要有基础环扩展基础、预应力锚栓扩展基础和预应力锚栓梁板基础等几种型式。

风机塔筒与基础之间可通过基础环连接或预应力锚栓组合件连接，其中基础环为传统的连接形式，目前应用最多，基础环基础一般采用扩展式，不宜采用梁板式；但近几年预应力锚栓组件发展很快，被越来越多的业主所接受，造价也不断降低，预应力锚栓基础可采用扩展式或梁板式基础。

根据D风电场场址区工程地质条件，结合风机资料，本文针对基础环和预应力锚栓组件两种连接形式，基础环扩展基础、预应力锚栓扩展基础和预应力锚栓梁板基础三种基础型式进行技术经济比较。

（1）结构尺寸的拟定

经过计算分析，多遇地震工况为本风电场风机基础设计的控制工况，基础主要结构参数如下：

1）基础环扩展基础：底板直径18.3m，埋深3.5m；上部台柱直径7m，高1.3m；中部台体高1.6m；下部翼缘高1.0m。单台基础土石方开挖量1406m3，回填量922m3，混凝土量528m3，钢筋量52t。

2）预应力锚栓扩展基础：底板直径18.4m，埋深3.5m；上部台柱直径6m，高1.3m；中部台体高1.6m；下部翼缘高1.0m。单台基础土石方开挖量1419m3，回填量952m3，混凝土量506m3，钢筋量41t。

3）预应力锚栓梁板基础：底板直径19m，埋深3.5m；底板厚0.6m；肋梁宽0.9m，高1.1m～3.6m；环梁宽0.6m，高1.1m。单台基础土石方开挖量1497m3，回填量1183m3，混凝土量353m3，钢筋量43t。

（2）技术经济比较

1）技术性比较

基础环：为上部塔筒与基础的传统连接方式，2MW风机的基础环重量一般为15t左右。基础环整体预埋入基础混凝土中，上部露出基础顶部60cm左右，通过上法兰与风机塔筒连接。因基础环埋入混凝土的长度有限，应力集中现象明显；在长期振动荷载作用下，基础顶部与基础环接触处的混凝土，有被挤压破坏的隐患，现实中基础顶部混凝土与基础环交接处在运行中出现较大缝隙或混凝土被压碎导致上部塔筒倾斜的事故时有发生。

预应力锚栓组件：由下锚板、锚栓及上锚板组成。上下锚板为Q345E钢板，重量3t左右；预应力锚栓为φ42左右的超高强度钢；锚栓根数与风机塔筒下法兰锚栓孔数一致。

预应力锚栓贯穿基础整个高度并通过下锚板将锚栓锚固在基础底板，结构连续、无刚度和强度突变，基础整体性好，无薄弱环节，可有效减少钢塔架埋入基础部分的用钢量，比传统基础环基础增强了安全性；采用高强螺栓液压张拉器对锚栓施加准确的预拉力，使上、下锚板对钢筋混凝土施加压力，基础受弯作用时，迎风侧混凝土压应力有所释放但始终处于受压状态，混凝土不产生裂缝，其耐久性得到提高；基础柱墩中竖向钢筋几乎不受力，仅需按构造配置预应力钢筋混凝土中的非预应力钢筋，基础更为经济。另外预应力锚栓组件的生产供应周期较基础环大大缩短，有利于降低业主的建设周期，加快投资回报。

基础环重量在15t左右，体型较大，运输较为困难，并且需用较大吨位的吊车吊装，而预应力锚栓组件可以直接在基础垫层上分部组装，因各部件重量较轻，运输方便，组装灵活，可以选用较小吨位的吊车进行安装。

基础环扩展基础与预应力锚栓扩展基础施工周期相当，均在6～10天左右，而梁板式基础的钢筋制作、模板支护较扩展式基础复杂一点，单台基础施工周期在10～15天左右，比扩展基础施工周期略长一点。

2）经济性比较

梁板式基础与扩展基础相比可节省约30%的混凝土量，但是梁板式基础的钢筋制作、模板支护、混凝土浇筑较扩展基础复杂，对施工队伍的技术水平有更高要求，混凝土、钢筋的单价也更高，根据已有工程经验单价约高8%。

经计算单台风机基础造价为：基础环扩展基础80.35万元（含基础环13.78万/台），预应力锚栓扩展基础77.24万元（含锚栓组合件18万元/套），预应力锚栓梁板基础73.57万元（含锚栓组合件18万元/套）。预应力锚栓梁板基础比基础环扩展基础节省约6.78万元/台。

从经济性来看，最优的为预应力锚栓梁板基础，其次为预应力锚栓扩展基础，再次为基础环扩展基础。

3）综合结论

预应力锚栓与基础环比选：预应力锚栓组件与基础环相比，基础受力条件优化，基础内部应力状态改善，基础钢筋量减少；生产供货周期缩短，运输便利，施工安装灵活，可以有效避免国内多数风电场风机基础施工受制于基础环供货的不利影响，有利于风电场总体进度的推进；风机基础整体造价降低，因此采用预应力锚栓组合件优于采用基础环，推荐采用预应力锚栓组合件。

梁板式基础与扩展基础比选：梁板式基础与扩展基础相比，施工较复杂，施工周期较长，每台施工周期长7天左右，因此从施工工期方面考虑，扩展式基础较优，但梁板式基础更为经济，且土石方弃方更少，有利于山区水土保持。

经综合比较，推荐采用预应力锚栓梁板基础作为D风电场的风机基础型式。

四、小结

以D风电场为例，采用预应力锚栓梁板基础，每台风机基础将比采用传统的基础环扩展基础，节省钢筋约9t，节省混凝土约140m3，节省投资约6.8万元。2014年我国新增装机容量1900万kW，若全部采用预应力锚栓梁板基础，可节省钢筋8.5万t，节省混凝土130万m3，节省投资约6亿元。未来几年我国风电仍将高速发展，根据全球风能理事会发布的《全球风电发展展望2014》，2020年和2030年，我国风电场装机容量将达到217GW和414GW，因此选择更加优化合理的基础型式有利于节约社会资源，降低能耗，节省投资。

参考文献：

[1]《风电机组地基基础设计规定（试行）》FD003-2007；

[2]《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011；

[3]《高耸结构设计规范》GB50135-2006；

[4]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010；