廣東徐聞洋前風電場場址基礎設計

0風力發電機支撐結構風力資源是一種清潔的能源。風能發電是新能源技術最成熟、開發條件最具特色、商業前景最好的發電方式之一。塔筒和基礎構成風力發電機組的支撐結構,將風力發電機支撐在60~100m的高空,從而使其獲得充足、穩定的風力來發電。就風力發電機組支撐結構高度而言,其應歸屬于高聳結構一類,因此塔筒基礎的設計應該遵照高聳結構的相關規定。從這個角度講,基礎設計不能等同于一般的建、構筑物1場區地震活動情況廣東徐聞洋前風電場場址位于湛江市徐聞縣東部的新寮鎮(新寮島)東部海岸。風電場場址所在地區在區域構造上位于錦盒凹陷帶上,處于構造復雜地區,第四紀以來地震活動頻繁,但據記錄,未發生過7級以上地震。從總的分析來看,場地屬相對穩定地區,對工程建設影響不大。場區內相對平坦寬闊,大部分為風積沙丘,臨海地域多為海積砂堤、砂壩、砂地、淺灘,砂壤土比較貧瘠,植被稀疏,地形呈起伏狀,局部高差較大,砂堤內側低洼、平坦處布有大量利用海水養殖的魚塘、蝦池。巖土體工程地質分層見表12粉細砂層基礎穩定的控制(1)本工程采用中山明陽公司生產的MY1.5SMW機組33臺(風輪直徑70m,掃風面積4900m(2)根據地質勘察結果,部分機位基礎土層中存在有淤泥質粘土層或可能產生輕微至中等液化的粉細砂層等不利于基礎穩定的軟弱夾層。因此,在進行基礎設計時,應充分考慮這些不利因素對風機基礎穩定的影響,采取一定的工程措施以保證基礎的穩定和風力發電機的正常運行。(3)根據地質勘察對工程區地下水樣進行的水質分析,由于工程區地下水受海水浸入和沿海養殖場排放水的污染,地下水中硫酸根離子及氯離子含量較高,鋼筋砼結構在干濕交替條件下具強腐蝕性。因此在確定基礎形式時,應結合硫酸根離子和氯離子的侵蝕機理對基礎鋼筋砼結構的抗腐蝕進行設計和研究,并根據各種基礎形式采取相應防護措施時的可行性、投資和施工難易程度等方面對擬定的基礎形式進行比選,最終確定基礎形式,確保基礎結構的安全。3風機承臺形式的確定風力發電機的承臺作為一種動力機械基礎,用于安裝、支承風力發電機組,平衡其在運行過程所產生的各種荷載,以確保機組安全、穩定地運行。承臺的設計一是要滿足風機基礎環結構布置要求,二是能夠承受風力發電機組在運行過程中風荷載作用下所產生的動荷載并將其傳至地基。其設計在土建工程基礎的設計中是一個特例,目前國內此方面的標準和規范還很不完善徐聞洋前風電場工程在進行風機承臺設計時,依據中山明陽公司設計中提供的MY1.5S機組的基礎受力條件及布置要求,并結合場地地質條件,以基底應力為控制擬定了2種形式進行比較:方案1主要依靠自重來承擔由基礎環傳至基礎承臺的荷載值(簡稱重力式承臺)。其設計原則是,在保證機組的布置要求前提下,通過調整基礎底面和剖面尺寸,增加基礎自重,使基礎底面在任何工況下的邊緣最大應力P圓形基礎承臺可采用放射形配筋,這種配筋方式與基礎內的主拉應力方向一致,因此受力性能較好。同時放射形配筋基本上可以保證鋼筋的長度整齊劃一,減少鋼筋的規格,給施工帶來方便。圓形基礎的另一優點是布樁比較靈活,不受樁數量的限制。因此圓形基礎更適合設計成標準基礎廣泛使用。圓形基礎的缺點是在基礎的核心區內鋼筋需要截斷,而此區域是基礎受力最大的區域,因此需要慎重處理鋼筋構造。多邊形基礎承臺宜采用方格形配筋,一方面可以避免鋼筋長短不一,同時鋼筋不必在基礎核心區內截斷。鋼筋在基礎內貫通對基礎的受力有利。本工程采用八邊型基礎承臺,各方向抵抗荷載的能力較均勻,且鋼筋布置方便,集合了圓形基礎及多邊形基礎的優點。4不得超過基礎一般負荷的承載能力風力發電機承臺的基礎設計應滿足以下2個基本條件:一是要求作用于基礎上的荷載不得超過基礎容許的承載能力,以保證基礎在防止整體破壞方面有足夠的安全儲備;二是控制承臺的位移和沉降,以保證風力發電機組不會因基礎的變形而損壞或影響機組的正常運行。4.1改變基礎層析模型承臺基礎的形式一般為以下3種:天然地基、復合地基及樁基礎。當基底最大壓力小于地基承載力設計值、基底最小壓力不小于零且基礎地層中無軟弱夾層時,應優先考慮以天然地基作為承臺的基礎;當基底壓力無法單獨或同時滿足上述2個條件,但基礎地層中無軟弱夾層時,可采用擴大承臺基底面積、增加基礎自重或復合地基(換填法、強夯法、振沖法及砂石樁法等)改善地基承載能力的形式。當基礎地層中存在不利地層、采取以上工程措施后地基承載力仍然無法滿足要求或經技術經濟比較更合理時,宜采用樁基礎的布置形式。由于本工程風機承臺選用復合式承臺,場址地表土層工程性狀差,且場區內局部區域粉細砂、中細砂存在地震液化問題。若采用淺基礎,需換填基礎下可能液化的地層,工程量巨大,且現場地下水位埋藏較淺,換填時需要采取基坑維護措施。風電機組極限荷載為強風作用下的巨大彎矩(參考廠家資料為79210kN·m),基礎會出現很大拉應力,淺基礎需要設計為直徑20m的大基礎,自重才能滿足要求。通過經濟性比較及施工周期等綜合考慮,此方案不可取。若采用碎石樁等復合地基改善地基,按現有施工技術條件,碎石樁等只適用于處理10m左右的地基,且下部要求有較好持力層,本工程場址地表以下30m均沒有較好持力層,無法滿足基礎沉降要求。故此方案不可行。本工程最后選定通過承臺自重和樁基礎的抗拔作用來共同承擔由基礎環傳至基礎承臺的荷載值,風機承臺基礎選用樁基礎。4.2風機基礎施工技術特點樁型的選擇應根據風電場的地質條件、樁基施工的可行性和難易程度、樁基工程投資及施工工期、環境保護對樁基施工的特殊要求等幾個方面經過技術經濟比較后確定。由于本工程風機基礎均坐落于沿海沙灘地上,地下水中氯離子及硫酸根離子含量較高。采用鋼樁或組合樁,一是樁基本身投資較高;二是鋼結構的防腐難度較大、成本較高且易在沉樁過程中受到破壞。而砼樁由于其低成本及適用范圍廣等優點,在基礎工程領域得到了廣泛的應用,施工技術也比較成熟。因此,本工程在樁型選擇時根據地質條件,對鉆(沖)孔樁和預制管樁2種砼樁型在相同地層和相同承載力條件下的樁長、樁徑及可比投資進行了分析和計算。(1)灌注樁施工質量優點:適用于不同土層;單樁承載力大;僅承受軸向壓力時,只需配置少量構造鋼筋。缺點:施工工序較復雜,施工時期相對較長;樁身質量不易控制,容易出現斷樁、縮頸、露筋和夾泥的現象;0.6m灌注樁是直徑最小的一種樁,因而單樁承載力變化較大;一般不宜用于水下樁基;由于在海邊現場施工,無法控制受污染的地下水和鹽霧對砼和鋼筋的侵蝕,樁體抗腐蝕性能較差。(2)樁型及基礎配筋的確定優點:多為空心管且采用預應力鋼筋,在提高強度的同時節省了樁身材料,成本較低;由于其屬半擠土樁或擠土樁,樁尖進入強風化巖層或密實的砂層后,經過劇烈的擠壓,樁尖附近的強風化巖層或密實砂層的狀態發生很大變化,其密實度得到極大的提高,從而獲得更高的樁端承載力;樁身質量易于保證和檢查;適用于水下施工;由于在工廠預制且樁身砼的密度大,樁體抗腐蝕性能強;施工工序簡單,可提高工效,縮短工期,節省投資。缺點:施工時易引起周圍地面隆起,有時還會引起已就位鄰樁上浮;錘擊法下沉的預制樁施工時,震動噪音大;長樁接樁時,接頭處形成薄弱環節,如不能確保全樁長的垂直度,則將降低樁的承載能力,甚至出現斷樁現象;不易穿透較厚的堅硬地層,必要時需輔以其他施工措施,如采用預引孔、水沖孔等。通過計算,由表2可知,在同等的計算假定條件下,預制管樁在樁徑可減小的同時,其計算樁長可比灌注樁的計算樁長減少10%~40%,可比投資減少10%~30%。分析其原因,筆者認為主要是管樁為擠土樁或半擠土樁,由于其成樁過程中的擠土效應,極限端阻力標準值取值較大,樁頂荷載主要由樁端阻力承受,樁側阻力相對樁端阻力而言較小,為擠土摩擦端承樁;而鉆(沖)孔樁為非擠土樁,極限端阻力標準值取值小,樁頂荷載由樁側阻力和樁端阻力共同承擔,但大部分由樁側阻力承受。因此,在同等的計算假定條件下,鉆(沖)孔樁的設計所需樁長比預制樁所需樁長要多。結合本工程特點,最終確定樁基礎的樁型為預制管樁。根據本工程風機基礎的特點:(1)坐落于沿海沙灘地上,基礎地層中存在軟弱夾層,且地下水位較高;(2)地下水中氯離子及硫酸根離子含量較高,對基礎樁基抗腐蝕性要求較高;(3)根據風機設備定貨和安裝要求,基礎施工工期較短;(4)施工場地遠離村莊或居民點,采用錘擊法進行預制樁施工時震動噪音不會對周圍環境產生大的影響。結合樁型比較結論,本工程最終確定樁基礎的樁型為管徑600mm的先張法預應力PHC預制管樁。最終選定的承臺及樁基礎布置詳見圖1。基礎配筋既要滿足強度要求,又要方便施工。在配筋上應力求簡單、明確。不論是圓形還是多邊形基礎,均要雙層配筋,特別是樁基承臺。因樁要承受上拔力,因此承臺的頂部會產生拉應力,在頂部配置鋼筋是必須的,配筋量應經計算確定。5礦渣硅水泥承臺混凝土施工考慮到當地地下水對鋼筋混凝土具有強腐蝕性,并且承臺混凝土屬大體積混凝土,在基礎混凝土的選擇上承臺采用礦渣硅酸鹽水泥,以提高承臺混凝土的密實性與耐久性,降低混凝土的水化熱,同時在混凝土中還摻用適量的鋼筋阻銹劑、引氣劑、高效減水劑等復合外加劑,提高減水緩凝效果,并在承臺底部與側邊混凝土表面加涂防腐涂層等措施采用上述措施施工完畢的承臺基礎目前性能良好,未發現任何表面裂紋及貫穿性裂紋。6風機基礎設計層面基礎環境的注意點通過對廣東徐聞洋前風電場工程風機基礎的設計,筆者認為:(1)應充分認識風機基礎形式選擇的重要性。風機基礎投資在整個風電場投資中僅占了很小一部分,但風機基礎是關系到風力發電機組能否安全穩定運行的一個致關重要的因素。因此進行風機基礎設計時,應充分考慮地層中不利因素(如軟弱夾層等)對基礎穩定的影響,在盡量節省基礎投資的同時,要保證基