风电机组基础选型优化设计概述

摘要：对目前国内风电机组基础型式进行介绍及总结，对各种基础型式的适用条件进行 分析，为结构优化设计提供依据。

关键词： 设计重要性；风电机组基础的型式；适用条件

中图分类号：TS737+.1文献标识码：A

一、背景

当今，随着经济的快速发展对能源需求的不断增长和人们环境保护意识的日益加强，以及传统能源的不可再生和急剧减少，世界各国不同程度上陷入了能源危机。因此，清洁能源的推广应用已成必然趋势。而作为可再生能源中最具竞争力的能源之一的风能发电，就变成了国内国外首推的可再生替代能源，并被广泛认为是最有发展前途的能源，因此风能也一直是世界上增长最快的能源。据全球风能理事会公布的年度数据显示，过去的十年间世界风能产业呈现“井喷式”发展。

近年来伴随着风电产业的长足发展，工程技术人员已经开始对各种大、中型风电工程建设项目的规划、设计、施工和使用进行研究。风力发电机组的投资巨大，其基础工程造价相应很高。因此，对风力发电机组基础工程部分进行受力特性分析以及优化设计研究是非常必要且迫切的。

随着新世纪世界能源的发展趋势，我国的风电产业得到了迅猛的发展。在风电场的工程建设方面，我国在风机工程的前期项目管理、技术管理和运行管理方面制定了一系列规程和规范。2006年12月18日，《风电场工程等级划分及设计安全标准》、《风电机组地基基础设计规定》通过了由水电水利规划设计总院组织的全国风电场工程设计单位、风电机组制造厂家和风电场工程建设单位等组成的专家、代表的评审，并于2007年9月以试行的方式。由于有了相应规范的统一指导，风力发电产业不断趋于成熟，经过我国项目业主和勘测设计单位的共同努力，现在风电塔筒的基础设计已步入成熟阶段。

二、风机基础设计方案的重要性

目前国内外已建成风场的风机机组基础形式主要有重力式扩展基础和梁板式基础、桩基础、岩石锚杆基础。重力式扩展基础的基础形式有正方形、正八边形和圆形三种形式，目前是国内风机基础应用最多，技术最成熟的基础形式，但是也是相对来说最不经济的基础形式；桩基基础按桩受力形式分为端承桩和摩擦桩，目前国内采用的桩基基础的已建风电工程主要分布在沿海等软弱土地基地区。桩基基础是深基础的一种，具有承载力高、沉降速度缓慢、沉降量较小等特点；梁板式基础也属于重力式基础，其受力形式类似于扩展式基础，只是受力结构改由扩展梁来承担，从工程造价来讲，由于梁与梁之间的空间并不浇筑混凝土，可以节省造价，但是支护模板稍复杂，对施工队伍的技术水平有一定要求。

因此对风电机组基础受力特性进行分析和研究，以使其达到保证风电的基础工程设计安全、完善行业标准和降低风电产业成本的目的，对促进风电产业发展具有重要的意义。

三、目前风机基础的主要形式及特点

1.自重式扩展基础

重力式扩展基础是目前国内应用最多，技术最成熟的风电基础，但开挖施工量大造成其成为最不经济的基础形式。其基础形式有三种：正方形扩展基础、正八边形扩展基础、圆形扩展基础，其中最为常用的是正八边形及圆形扩展基础。相对于其他两种基础形式来说圆形扩展基础具有各方向抵抗矩相等的特点，完全符合风力发电机基础承受360度方向重复荷载的要求，受力合理，见图1-1。

图1-1 自重式扩展基础

据实际的工程应用，相对于八边形基础，在荷载及埋深相同的情况下，圆形基础的混凝土量可节省约6%，钢筋量可节省约5%。在施工方面，较八边形基础圆形基础的钢筋绑扎及模板施工更容易，可有效地缩短工期。正方形基础及八边形基础采用方格网配筋方式，主要缺点是钢筋用量大、钢筋种类多，加工时间长。而圆形基础采用环径向的配筋方式，环径向配筋方式的体积配筋率要比采用方格网配筋小2%左右。

2.梁板式基础

梁板式基础属于重力式基础。其受力形式类似于扩展式基础，区别在于改由扩展梁主来承担荷载[20]。相同荷载作用下梁板式基础的平面尺寸与扩展式基础基本接近，以台柱作为基础中心，向四周对称的延伸几根扩展梁，以相同根数的次梁在扩展梁的端部连成整体，在整个基础底部设置底板，梁与梁之间的空间并不浇筑混凝土，而是等基础施工完成后填满覆土压实。受力结构由现在的悬臂梁替代传统的悬臂板，见图1-2。

图1-2梁板式基础

3.桩基础

桩基基础根据单桩的持力特性，可以分为摩擦桩和端承桩两类。根据桩的施工方法分为预应力混凝土管桩与钢筋混凝土灌注桩。国内已建风电场工程采用桩基基础的例子也不少，通常在沿海等软弱地基采用。作为深基础的一种，桩基基础具有承载力高、沉降速度缓慢、沉降量较小等特点。见图1-4。

图1-3 桩基基础

4.岩石锚杆基础

对锚杆施加预应力后，将其应用到风机塔筒的基础当中来，成为一种新型的风机塔筒的基础形式，见图1-6。锚杆基础可以分为端部扩大头锚杆与普通锚杆两种形式。这种形式的基础主要通过施加的预应力作用将风机塔筒的上部结构束缚在地基上来抵抗上部塔筒传来的倾覆荷载。锚杆基础的施工简便，基础开挖量较其他基础形式非常小且抗拔承载力高，具有安全经济等优点。

图1-4 锚杆基础

5、P&H无张力基础

P&H无张力基础概念设计为后张拉空心混凝土圆管，基础施工中使用两层波纹钢筒用来作为模板和支撑，基础直径一般在4m~5m，圆形坑深度一般在8m~12m之间。其型式可以理解为大直径的预应力混凝土管桩。在大的力矩倾覆和侧向力作用下P&H基础有自由转动的趋势，基础主要通过被动土压力来抵抗外部载荷。对于岩石地基不适用此方案，因岩石开挖难度太大，用此方案不经济。

四、合理的风机基础型式的选择

影响风机基础工程造价的主要因素有：基础混凝土量、钢筋量、土石方开挖、土方回填夯实工程量。设计时在满足规范要求的前提下，优化风机基础型式以降低基础的造价。进行风机基础设计首先要仔细分析岩土工程勘察报告，对基础底面以下的各个土层特性进行深入分析，根据分析结果选取合适的基础形式。对可以采用的不同基础型式分别进行计算，根据计算结果确定基础尺寸及工程量。通过对不同方案进行技术经济比较，综合比选后确定合适的基础方案。