筏板式风机基础在东台二期扩建项目中的应用

筏板式风机基础在东台二期扩建项目中的应用

姜斌1薛娟2

1.国华（江苏）风电有限公司224200；2.江苏方圆建设工程检测有限公司224200

摘要：筏板式风机基础解决了传统重力式承台基础结构混凝土工程量较大、混凝土浇筑时间长、浇筑过程易产生大量水化热等质量控制难点，同时避免了传统重力式承台基础结构混凝土大量水化热对基础耐久性的较大影响，并有利于控制工程造价。对后续类似风电场风机基础设计和施工具有一定的指导意义。

关键词：筏板式风机基础施工

1.工程概况及场址工程地质条件

1.1工程概况

东台二期项目扩建49.25MW风电场工程位于盐城东台市沿海公路内侧滩涂上，沿老沿海公路内侧一排展布，南起五七闸北，北至与大丰交界处，共布置2MW风机24台1.25MW风机1台，与东台风电场二期工程北区近平行展布，距离北风场以西约5km。海堤基本呈南北走向，总长度约14km。

1.2场址工程地质条件

1.2.1区域地质

地基土的构成与特征

根据钻孔揭露的地层结构、岩性特征、埋藏条件及物理力学性质，结合静力触探曲线和区域地质资料，主要为全新统海陆过渡相—海相淤涨沉积物，按其成因及沉积特征可划分为7个大层，6个亚层和1个夹层，自上而下分述如下：

该风电场属扬子断块区的下扬子断块，区域地貌上属黄海潮间带滩涂地貌单元。本区上部第四系沉积物厚度达350m左右，以下为上第三系地层（N）半固结粉砂、砂砾（厚度约480m），下伏基岩为上白垩统浦口组（K2p）粉细砂岩、砾岩。，勘探深度内均为第四系沉积物，上部②～③层为第四系全新统（Q4）冲海相粉土、粉砂，下部为晚更新世（Q32）陆相、滨海相沉积物。共分七个大层，细分为14个亚层及2个夹层。从上至下为①-3层冲填土、②-1层粉土（Q4）、②-2层粉土（Q4）、③-1层粉砂夹粉土（Q4）、③-2层粉砂（Q4）、③-夹层粉土（Q4）、④-1层粉质粘土、④-2层粘质粉土、⑤层层状粉土（Q32）、⑥-1层粉砂夹粉土（Q32）、⑥-2层粉砂（Q32）、⑥-夹层粉土、⑦-1层粉质粘土、⑦-2层粉质粘土夹薄层粉土（Q32）、⑦-3层粉砂（Q32）。

1.2.2地震及液化本场地不良地质作用不发育，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值0.15g，区域构造稳定较差，不考虑场地环境地质条件，拟建场地属稳定性较差场地，场地工程建设适宜性分类属较适宜场地，可进行工程建设。本地区50年超越概率为10％时地震动峰值加速度为0.15g，地震基本烈度Ⅶ度，场地特征周期为0.55s和0.75s，对应地震分组为第二组。建筑场地类别为Ⅲ类和Ⅳ类。由于场地上部存在厚层淤泥或淤泥质软土和轻微液化土层，属建设抗震不利地段。本场地土地基的液化等级为轻微，设计时可主要针对②-夹层粉土进行抗液化处理。

1.2.3地下水腐蚀性评价

拟建场区内的地表水对混凝土结构具弱腐蚀性；在干湿交替条件下，对混凝土结构中的钢筋具中等腐蚀性，在长期浸水条件下，对混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。浅层地下水对混凝土结构具微腐蚀性；在干湿交替条件下，对混凝土结构中的钢筋具中等腐蚀性，在长期浸水条件下，对混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。按照场地环境类型Ⅱ类、地层渗透性B类考虑，拟建场地地基土对混凝土结构具微腐蚀性，对混凝土结构中钢筋具中等腐蚀性，对钢结构具强腐蚀性。设计时应采取防腐蚀措施，场区地表水和浅层地下水均不能作为施工搅拌和养护用水。

2.可研阶段风机基础结构形式选型和分析

2.1风机基础结构形式选型

本工程采用两种风机基础结构形式，分别为传统的圆盘式和八边形筏板基础，下面主要对筏板式基础进行介绍。

八边形筏板基础形状类似于“车轱辘”，在采用的风电发电机组荷载下，基础埋深为3.3m。基础底板外接圆直径为20m，中心为八边形墩，外接圆直径为6.60m，与墩连接布置八根对称的1.2m宽地梁，基础外圈布置1.2m宽圈梁与地梁连接。每台风机采用38根DN600PHC桩，分三圈布置，外圈布置24根，中圈布置8根，内圈布置6根。

2.2筏板式承台和圆盘式承台两种不同型式比较

两种不同型式主要工程量比较如下表所示：

筏板式承台与圆盘式承台主要工程量表比较表（单台）

从主要工程量来看，八边形筏板基础与低桩圆盘形承台基础相比，主要是混凝土量有所减小，但是由于八边形筏板基础要求PHC桩准确的位于主梁和次梁下面，因此，对PHC桩施工的要求更为严格。同时筏板型基础为新型基础，在国内风电场特别是滩涂地质风电场运用较少。另外，筏板型基础对浇筑混凝土质量要求更高，从模板制作数量及费用、施工难易程度、造价等综合考虑，该基础形式有效的利用了基础埋深，覆土重量，减少了基础混凝土量。但是增加了桩基工程定位和混凝土浇筑质量控制的难度和模板工程和钢筋工程的复杂性。

3.数学模型监测分析

3.1二期扩建筏板式风机基础与同济大学合作建立数学模型

2012年8月24日，为了积累筏板式风机基础在江苏沿海的施工经验，节约风机基础造价，我公司工程部会同华东勘测设计院、同济大学对东台二期扩建49.25MW工程中筏板式风机基础进行了深入的探讨和研究。通过对基础沉降、基础板内力以及基桩轴力等项目的监测，了解风机运行时基础板与基桩内力动态变化和变形规律，将会为风机地基基础优化设计提供依据。

3.2测试分析

通过对基础沉降、基础板内力以及基桩轴力等项目的监测，了解风机运行时基础板与基桩内力动态变化和变形规律，为风机地基基础优化设计提供依据。

3.2.1测试内容

现场进行了如下几项测试：

（1）基底压力：在筏板底部埋设土压力盒来测试；

（2）桩顶反力：在桩顶埋设钢筋应力计来测试桩顶反力；

（3）基础梁内力：在梁板式基础梁中埋设钢筋应力计来测量梁的内力；

（4）基础振动特性：在基础顶部放置加速度传感器，测量风机运行时加速度并积分得到位移。

3.2.2测试目的

通过测试了解了风机运营其基础板与桩间土的接触反力及基底脱空现象；通过监测基顶轴力，风机运行时基桩的轴力变化特性，了解基桩抗压-拔受力过程，为梁板式桩筏基础桩基优化设计提供了依据；通过监测基础底板主筋轴力，分析基础底板运行时的内力变化，为梁板式基础的优化设计提供了依据；通过对基础加速度的监测，了解在风机运行时基础的振动特性;通过监测基础板的沉降，了解了在风机运行时基础的动态变形规律。

3.2.3设备埋设时间

（1）土压力盒应在风机基础场地开挖后，铺设碎石垫层时进行，埋设完土压力盒之后才能进行基础底部混凝土垫层的铺设；

（2）桩顶钢筋应力计应该在基地桩基灌芯时进行，在绑扎桩内连接钢筋笼时将钢筋应力计焊于钢筋上，然后将钢筋笼下于桩中，用膨胀混凝土进行灌芯；

（3）梁板式基础内钢筋应力计应与绑扎梁板式基础的钢筋笼同时进行，然后才能进行混凝土浇筑；

（4）应在基础顶部引出加速度观测点，以便测试时放置加速度传感器。

3.2.4测试时间

（1）在基础混凝土浇筑、养护完毕后应进行土压力盒的初始读数的测量；

（2）在上部塔架架设完毕之后，应进行土压力盒的测量以及钢筋应力计的测量；

（3）在风机施工完毕后并网发电之前，应视情况尽可能多次实时动态的的进行土压力盒、钢筋应力计以及加速度传感器的测试，并同步记录测风塔所记录风速；

（4）在风机并网发电之后，视情况进行若干次实时动态的的进行土压力盒、钢筋应力计以及加速度传感器的测试，并同步记录测风塔所记录风速。

4.根据分析结果应用到施工图设计

根据《风电机组地基基础设计规范（FD003-2007）》第5.0.5条款的规定，按照风电场工程的重要性和基础破坏后果（如危及人的生命安全、造成经济损失和，产生社会影响）的严重性，风电机组基础结构安全等级划分为两个等级。对于基础破坏后果“很严重”的重要的基础，结构安全等级为1级，对于基础破坏后果“严重”的一般基础，结构安全等级为2级。根据其条文说明，一般的对应于基础设计级别为1级的基础，其结构安全等级为1级，对应于基础设计级别为2、3级的基础，其结构安全等级为2级。本工程风电机组基础设计级别为1级，相应的基础结构安全等级为1级。

4.1优化后主要建筑材料选择

4.1.1风机基础（桩承台）：

强度等级：C40；轴心抗压：fc=19.1N/mm2；轴心抗拉：ft=1.71N/mm2；弹性模量：Ec=3.25×104N/mm2；预应力管桩混凝土（PHC，直径600mm）；强度等级：C80轴心抗压：fc=35.9N/mm2；弹性模量：Ec=3.80×104N/mm2；

A型桩力学性能：抗裂弯矩：180kNm；极限弯矩：270kNm；桩身竖向承载力设计值：4824kN；AB型桩力学性能：抗裂弯矩：233kNm；极限弯矩：374kNm；

4.1.2钢筋：

HPB300级钢筋：fy=270N/mm2；HRB335级钢筋：fy=300N/mm2；HRB400级钢筋：fy=360N/mm2；

4.3有关系数

4.3.1荷载修正安全系数

根据《风电机组地基基础设计规范（FD003-2007）》第5.0.7条款的规定，鉴于风电机组主要荷载——风荷载的随机性较大，且不易模拟，在与地基承载力、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采用经荷载修正安全系数（k0）修正后的荷载修正标准值。根据FD003-2007的规定，荷载修正安全系数k0=1.35。

4.3.2结构重要性系数

根据《风电机组地基基础设计规范（FD003-2007）》第7.3.1条款的规定，基础结构安全等级为1级的基础，结构重要性系数为1.1；基础结构安全等级为2级的基础，结构重要性系数为1.0。本工程基础安全等级为1级，相应的结构重要性系数γ0=1.10。

4.3.3荷载分项系数

根据《风电机组地基基础设计规范（FD003-2007）》第7.3.2条款的规定，当荷载效应对结构不利时，永久荷载分项系数为1.2，可变荷载分项系数为1.5。当荷载效应对结构有利时，永久荷载分项系数为1.0，可变荷载分项系数为0。

4.3.4空气动力学荷载

风机荷载资料由厂家提供，下表列出了各工况下的荷载值（不计荷载系数），下表荷载值均指到塔筒底部、基础环顶部的荷载值。

4.4主梁结构计算

极端工况是本工程风机基础设计的控制工况，本算稿只计算极端工况下的风机基础配筋和裂缝宽度，以下次梁计算一致。计算断面一取主梁和中墩相交处，此时梁高3600mm，梁宽1400mm。计算断面二取主梁和次梁相交处，此时梁高1711mm，梁宽1400mm。计算断面三取主梁和第二圈桩相交内侧，此时梁高2330mm，梁宽1400mm。计算断面四取主梁和第三圈桩相交内侧，此时梁高3070mm，梁宽1400mm。主梁底面抗弯配筋、抗剪配筋采用低水位极端工况下的计算结果，计算断面一出现大弯矩，计算断面二、三和四出现较大剪力；主梁顶面抗弯配筋采用高水位极端工况下的计算结果，计算断面一出现大负弯矩；根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）对主梁的配筋和裂缝宽度进行计算。

结论

筏板式风机基础解决了传统重力式承台基础结构混凝土工程量较大、混凝土浇筑时间长、浇筑过程易产生大量水化热等质量控制难点，同时避免了传统重力式承台基础结构混凝土大量水化热对基础耐久性的较大影响，并有利于控制工程造价。针对项目特点，本项目会同设计院、同济大学专家组攻克技术攻关，经过多次研究和探讨，采用预应力混凝土管桩加筏板式结构。同时与其他机组基础形式进行造价、施工质量控制、基础沉降等对比检验，对后续类似风电场风机基础设计和施工具有一定的指导意义。

参考文献

1.《国华东台风电场二期扩建49.25MW工程可行性研究报告》

2.《风力发电机组安全要求》(GB18451.1-2001，2006版)

3.《风电机组地基基础设计规定》（FD003-2007）

4.《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)

5.《风电场工程等级划分及设计安全标准》（FD002-2007）

6.《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)

7.《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)