关于风机基础选型与设计方案的探讨

关于风机基础选型与设计方案的探讨

侯金廷王帅举

平高集团华生电力设计有限公司河南郑州450000

摘要：随着风能的广泛使用，我国的风电装机量也跃居世界首位，风机基础是保证风电机组平衡运行的关键，大功率的风机结构十分复杂，基础设计要求严、标准高，基础选型特别重要。本文讨论了风机的基础类型和特征，以沿海风电场1.5兆瓦风机组为例，探讨了基础设计方案，以期可以找到更好的风机基础选型的方法，保证风力发电场可以安全、高效的运行。

关键词：风机；基础选型；设计

随着科学技术的发展，社会在不断进步的同时也带来了严重的环境问题，而风能作为一种清洁的可再生能源越来越受到人们的关注和重视，开发和使用风能是一种大趋势。风力发电在创造就业机会的同时，更重要的是可以减少大量二氧化碳等有害气体的排放，经过多年的不懈努力，我国风电装机量现居世界首位，在开发使用风能方面取得了明显的成效。风机基础是整个风电机组正常平稳运行的保证，因为风机架很高，水平风的荷载在基础顶面产生的弯矩很大，而弯矩通常是风机基础设计的重点。风机对基础的不均匀沉降和水平位移的要求很高，在做基础选型的时候，要优先选择抗变形能力更好的基础方案。在整个风电场建设中，风机基础的土建部分占有绝大部分比重，所以，进行风机基础的优化选型特别重要。

1风机基础的类型及特征

风机的基础根据埋深的程度，可以分为浅基础和深基础，根据是不是由人工进行处理，分为天然基础和人工基础。浅基础一般指小于5米的基础，根据结构形式可以分为扩展基础、条形基础、锚杆基础、联合基础、筏形基础等，风机的扩展基础一般在地基的承载能力强、浅部持力层状况良好、沉降性能佳的地区使用，比如我国西北部的内蒙、新疆等地的风电场。锚杆基础就更适合在岩石基础的地区使用，比如山区的风电场。深基础则多用于软弱地基之处，象我国东部沿海地区的风电场，大多都是使用的深基础，深基础的主要形式有：沉井基础、桩基础。桩基础适合在对倾斜度要求严格的状况下使用，还适合应用于一些较高的构筑物，拥有比较好的抗震能力，可以有效控制地基沉降的速度。现在，在风电场应用得最多的是预制钢筋混凝土桩，如果桩身的结构是主要的控制点，最好是选用预应力桩。灌注桩更适合用在范围比较窄的区域，以减少振动、噪音等对周边环境的不良影响。大直径的钻孔灌注桩对混凝土的施工质量要求更高，操作要求更严格，单一桩柱的承载力都是由桩身本来的强度来决定的。钢管桩有连接简便、强度大、容易贯入等优点，但钢管桩的价格比较高，一般工程通常都不大使用，只有一些重特大的工程才使用这种。沉井基础是一种没有底没有盖的井状结构，工程完工后，会成为基础的主要组成部分，适合用在土质不稳定的人工填土、含水层、砂土、黏土和卵石等土层。沉井下降通常是用机械或人工挖土，让沉井用自身的重量，减少与井壁之间的阻力，不断下沉，直到停留在符合要求标高的位置。主要工作程序包括：前期准备工作、制作沉井、下沉沉井、接长井壁、封底沉井等。沉井基础有很多优点，第一，稳定性好，有比较大的承载面积；第二，刚性强，抗震能力较好；第三，下降得比较深入，还可以在水下进行作业；第四，可以适用于不同性质的土层，把基底安置在承受力最好的土层之上。另外，如果在水里作业，还可以同时兼有防水的功效，做成防水的围堰，也可以与其他类型的基础进行组合，达到更稳定的效果。如果水位下面是粉细沙层，极有可能产生流沙现象，导致沙土进入井体内部，使沉井斜倒。

2风机桩基础设计方案

以某沿海风电场安装1.5兆瓦风机组为例，在最开始进行基础设计时，主要注意以下几点：

2.1基础选型

本方案设计中，选择的基础主要有：直径为18米的圆形风机基础，每台风机用31根PHC600管桩，桩长约13-15米，分3层放置，外圈24根，中圈4根，内圈3根。风机位于新建的海堤之内，轮毂高度为65米，基础混凝土约435立方米，基础钢筋约54吨。

2.2基础选择

本工程中选择采用桩基础，因为其承载能力强，沉降速度慢，可以承受更多的荷载，可以减少因风机振动而产生的影响。我国沿海地区使用桩基础的建筑很多，已经有了很多的设计、施工、使用经验，在实践中用得较多的桩基础有：预制混凝土桩、碎石桩、灌注桩、钢桩等。其中，钢桩费用最高，而且不太适合在水中含有腐蚀成分的地区使用，所以，此处不考虑使用钢桩。而碎石桩的工程量比较大，要在软土中加入碎石来固定地基，以增强地基的承载能力，此法所需费用偏高，而且效果还不是特别好，不能完全消除基础倾斜的状况，所以此处也不能选择使用。剩下的两种是用得比较多的预制混凝土桩和灌注桩，在本方案中，采取哪种更好呢？灌注桩一般选用的是大直径的钻孔灌注桩，使用的焊接钢筋，水下再浇筑混凝土。因为水下浇筑混凝土的难度比较大，所采用的混凝土强度一般要在C30以上，灌注桩直径一般为1米到1米2，比较容易制造，且方便运输。预制混凝土则多用现在比较先进的PHC桩，即预应力高强混凝土管桩，PHC桩在工厂预制，采用高压蒸汽进行养护，桩身由高强度的混凝土和高强度的预应力钢丝组成，混凝土的强度等级至少为C80，一般采用锤击的方式打入地下。两种方式相互比较，灌注桩的施工质量很难得到保证，且在施工时会遇到用水困难的难题，而PHC桩费用更少，施工简便且工程速度快，还可以更好的防止基础出现不均匀以及减少水平位移的现象。所以，在选择时更多的是倾向于PHC桩。

2.3桩径选择

PHC桩的外径根据实际需要在300-800mm等多种型号中进行挑选，根据以往工程实践的经验，不同直径的PHC桩价格差距并不是很大，但是承载能力却相距甚远，所以在选择的时候，桩径越大，费用越低。但是也不能选择过大的桩径，因为这样就要使用大吨位的打桩机，不是一般的道路可以承受的。根据本工程的实际情况，可以选择DN600直径的管桩，再配合使用D80的动力锤击式的打桩机，就可以保证工程顺利完成。

3结语

风力发电常用的基础主要有深基础和浅基础，风机的扩展基础在一般情况下，多应用于浅部持力层较好，地基承载能力强，防沉降能力好的地方，深基础一般用在地基较软弱的地区。桩基础承载能力强，具有较强的控制变形的能力，更适合在沿海的风场建设中使用。风机设计并不是简单的、一蹴而就的事情，而是一个根据实际情况不断修正、不断改进的过程，只有科学、合理的选择风机基础，才能保障风力发电场安全高效的运行，创造更好的社会效益和经济效益。

参考文献：

[1]张宁，郭春雷，孙建勋.风机基础结构设计与计算[J].水利水电工程设计.2018（01）：39-41.

[2]王育新.山地风电机组基础选型研究[J].建材与装饰.2018（35）：193-194.

[3]杨文.横梁风电场风机基础选型研究[J].水电与新能源.2017（06）：64-66.

[4]张浩.黑龙江某风电场风机基础设计[J].中国高新技术企业.2013（01）：35-38.

[5]康传芳，汤镇宗.山地风电场风机基础优选方案探讨[J].安徽建筑.2012（03）：102-103+117.