天然地基上风力发电机组塔架基础设计研究

王相耀　吴建喜

摘 要：风力发电机组塔架基础的合理设计关系到机组的安全运行，即位于地基条件较好的基础的设计，存在的隐患也很多。充分考虑具体的地质条件、机组各项参数，进行可靠的地基基础设计，在工程界形成共识。本文介绍了合理的风机基础设计考虑的因素、参数、尺寸的取舍，并给出了具体过程、尺寸，设计出了实际工程的基础。

关键词：基础；天然地基；基础沉降

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.080

风电场风力发电机组塔架是一种耸结构，叶片、轮毂、机舱位于塔架顶部，风荷载使塔架基础承受很大的倾覆力矩，这是机组塔架基础不同于一般的高耸结构的特点，在倾覆弯矩作用下短基础柱与基础底板交界处着承受着较大的集中应力，这一集中作用力可以达到应力计算值的3～5倍，风电场时因基础这一部位的损坏产生倒塌事故。由于较大的倾覆弯矩，基础底部产生较大的不均匀压力，严控不均匀沉降和偏心距，保证机组的正常运行，是有一特点。

1 塔架基础概念设计

1.1 材料

风机基础承受有风带来的低周疲劳荷载，材料应符合疲劳要求，混凝土强度等级不小于C30；钢筋应选用HRB400、HRB500高强钢筋。

1.2 地质条件

基础地基持力层应选择稳定性较好的土层上，未经修正的地基承载力特征值应大于150KPa，压缩模量大于8MPa。塔基附近无冲沟、断裂带、崩塌等不良地质条件。软弱地基、不均匀地基、湿陷性黄土等应采用合适的处理方式。

1.3 基础体型

基础环外围混凝土厚度不小于1000mm，基础底板外沿尺寸不小于1000mm，悬挑与根部厚度比值不大于2.5.基础环深入基础底板0.7m左右，电缆管位于基础环下法兰一定距离，从基础外边缘中部穿出。

1.4 基础配筋

基础环周围配置钢筋应均匀，环向距离不应大于400m，钢筋之间的间距150m左右，钢筋在基础环内外周边多圈均匀布置。底板钢筋宜环向布置，辐射筋内环间距不宜小于80mm，侧辐射筋外环间距不应大于300mm，环向筋间距宜为150～200mm。

2 天然地基风机基础设计案例

锡林郭勒盟正镶白旗哲里根图风电场风电场，建设规模为49.5MW，安装33台1.5MW的风力发电机组。

2.1 工程地质条件

ZK21钻孔地层岩性。根据钻探揭露ZK21钻孔地层结构为：

（1）0.00～3.50m为第四系上更新统洪冲积层（Q3pal）砾砂。岩性为浅黄色、黄褐色灰白色砾砂，密实、湿。最大可见粒径2.00cm左右，磨圆度一般，呈次棱角状，砾石成份较杂。本次勘探揭露层厚3.50m，层底高程1243.44m。地基承载力特征值f0=250 kPa

（2）3.50～20.00m为第三系上新统（N2）老粘土。岩性为老粘土，棕红色、黄褐色，结构致密，硬塑。局部含有钙质结核，为下部地层。本次钻探揭露最大厚度16.50m，钻孔未能揭穿该地层。其层底高程1243.44m。地基承载力特征值f0=300 kPa。

2.2 风机基础设计

根据《风电机组地基基础设计规定》（试行）FD003-2007，风机基础设计内容主要包括基础抗滑、抗倾覆安全系数、基底应力、基础沉降计算等。

2.2.1 主要构造要求

（1）基础埋深的确定：一般情况轮毂高度的1/30～1/20，综合考虑冻深、持力层条件等因素；

（2）基础底板直径：一般情况轮毂高度的1/5～1/3。

（3）基础边缘高度：基础直径的1/20～1/30，且不应小于1m。

（4）悬挑长度/悬挑根部高度≤2.5。

（5）混凝土：强度等级大于C40，抗冻等级根据气候确定。

（6）混凝土保护层厚度：根据钢筋部位和环境类别确定。

（7）最小配筋率：规范规定不小于0.2%，根据相关工程经验建议取值在0.15%～0.2%之间。每米宽度内的钢筋截面面积不得小于2500mm2。

（8）基础环应深入至基础或承台底板一定深度，并与基础或承台结构可靠连接。

（9）基础回填土压实度一般控制在0.94以上。

（10）基础棍凝土应一次浇筑成型。

（11）软弱地基上的垫层混凝土厚度宜大于20cm。基础混凝土浇筑前应对垫层混凝土或基岩表面进行凿毛处理，并冲洗干净。

2.2.2 基础设计

通常根据机组容量大小基础外形采用以下4方案

（1）钢筋混凝土正方形扩展基础：850KW以下。优点：设计计算简单，钢筋容易配置，施工方便；缺点：经济性较差。

（2）长方形基础： 850KW以下，长边顺主风向布置。优点：设计计算简单，钢筋容易配置，施工方便，经济性好；缺点：在主风向侧面风力较大时容易出现倒塔事故。

（3）八边形基础：各种型号机组均有采用。优点：经济性较好，基础底面钢筋容易配置，施工方便；缺点设计计算复杂，施工较复杂。适合于大容量机组。

（4）圆形基础：优点：经济性好；缺点：设計计算复杂，施工较复杂。适合于大容量机组。

单机容量为1.5MW的风电机组，轮毂高度为80m。根据设备厂家提出的风机技术参数及地质资料，风机塔架基础为圆形钢筋混凝土扩展基础，基础底面直径为17m，采用天然地基，埋深为2.8m。根据《水工混凝土结构设计规范》（DL/T5057-2009）的相关规定，本工程风机基础混凝土抗冻等级为F200。

3 结语

天然土基上的风机基础，地基沉降是设计要考虑的关键因素，不能因基础倾斜沉降造成较大二次弯矩，给风机的安全运行带来隐患，实行较严格的基础倾斜控制是风机基础设计成功的一个关键点。

参考文献：

[1]刘洋.关于风力发电中风机基础设计及施工中的经验浅析[J].林业科技情报，2011（01）.

[2]郑主平，吴启仁.响水风电场风机基础不均匀沉降原因及处理方法[J].水利水电技术，2009（09）.

作者简介：王相耀（1978-），硕士研究生，工程师。