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高海拔山地风电场风机基础设计与施工

时间:2016-10-27来源: 作者: 点击: 149次

李根森1,王斯伟1,2,白宝华1,周丰1

1.中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司,昆明,650051

2.天津大学建筑工程学院,天津300072

摘要:风电场的核心在于风电机组的安全运行,稳定的发电以产生效益,而风电机组的安全运行则需由安全可靠的风机基础来提供保障。风机基础作为风电场的重要组成部分,其具有单位体量大,投资占比不小,对施工技术及措施有较高要求等特点。而云南地处云贵高原西部和青藏高原南延部分,为充分利用高海拔处的丰富风资源,风电场多选址高海拔山地地区,其风场的山地、高海拔等特性对风机基础的设计提出了个多的要求,因此,选择合理的风机基础方案显得尤为重要。

关键词:高海拔山地;风机基础;设计选型

中图分类号:         文献标识码:A            

 

Design and construction of wind turbine foundation in high altitude mountain wind farm

Li Gensen1 , Wang Siwei1,2 Bai Baohua1, Zhou Feng1,

(1. CHINA ENERGY Yunnan Power Design Institute Co. Ltd., Kunming Yunnan 650051, China

2. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

ABSTRACTThe core of the wind farm is the safe operation of wind turbines, stable power generation to produce benefits, and the safe operation of the wind turbine is safe and reliable. Fan base as an important part of the wind farm, the unit has a large amount of investment, the proportion of investment is not small, the construction technology and measures have higher requirements and other characteristics. And Yunnan part of Yunnan Guizhou Plateau in Western China and the Tibetan Plateau South extension, in order to make full use of the high altitude of the abundant wind resources, wind farm multi site high altitude mountain area, the wind field of the mountain, the high altitude characteristics of wind turbine foundation design the multiple requirements. Therefore, selection of reasonable selection of fan based scheme is particularly important.

KEYWORDShigh altitude mountain; wind turbine foundation; design and type selection

 

课题基金:云南省重大科技专项:高海拔山地风电站设计关键技术研发及工程应用示范。项目编号:2013ZB007


0 背景

高海拔山地地区的风电场具有自身的独特之处。而正是这些特点,对高海拔山地风电场的风机基础设计提出了更多更高的要求:

基底持力层千差万别,承载力相差较大,需要根据地勘资料选择安全稳定的地基持力层、受力合理的基础形式;如遇不良地质情况,应进行合理的处理,减少不均匀沉降;抗震设防要求高,抗震不利地段,需进行更高的抗震设防设计。同时,高海拔山地一般缺水,大量混凝土现场搅拌困难,需要尽量减少混凝土用量;场地海拔高,一般远离城市,材料运输不便,也需要尽量减少工程用料。

高海拔山地地区,有的风电场地区,往往存在较完整、中等风化的基岩,如果采用一般的重力式基础,既不能充分利用基岩的高承载力,又使混凝土用量较多。在这种情况下,采用新型的基础形式才合理。

综上所述,对于高海拔山地风电场,有必要根据各个项目具体的地质条件、施工条件和地理位置等,采用一种较为经济合理、安全稳定的基础形式。

1 高海拔山地风电场风机基础设计的特点

云南地区的风电场相对于低海拔及平原地区,其设计主要具有以下的“云南特色”。

1.1高海拔、地形复杂

云南地势西北高东南低,东部为滇东、滇中高原,地势小坡状起伏,平均海拔2000米左右。西部为横断山脉纵河谷区,高山深谷相间,相对高差较大,地势险峻,西南部海拔一般在15002200米,西北部一般在3000米至4000米。因此,相对其他地区,境内地势相对较高,属于高海拔地区。

由于高山山脉处,风资源一般好于其他地区,致使云南的风电场多选址高山山脊顶部,海拔一般在2000米至4000米之间。

云南高原波状起伏,相对平缓的山区只占总面积的10%。境内高山峡谷相间,山脉盆地相套,分布有滇西纵谷区、伊洛瓦底江和怒江的分水岭怒山、澜沧江和金沙江的分水岭云岭等,海拔高差最大可达6000多米,地形十分复杂。

1.2高抗震设防要求

    云南地处印度洋板块和欧亚板块碰撞带的东南侧,是主要的受力区域,是我国地震最多、震灾最重的省份之一。根据资料显示,20世纪中国大陆23.6%的7级以上大震、18.8%的6级以上强震发生在仅占全国国土面积4.1%的云南。并且,云南84%的国土面积,基本地震烈度在Ⅶ度以上,是全国平均水平的2倍多。

由此可见,云南地区风电场的抗震设防烈度普遍高于其他省份,且目前建设的大部分风电场大多位于八大地震带范围内,对抗震设防要求较高。此外,由于风电场多位于条状突出的山嘴、山脊,属于抗震不利地段,对地震效应有放大作用。相同地震烈度下,地震作用更大,设防要求也更高。

1.3高温差

云南地处低纬度高原,地理位置特殊,地形地貌复杂,且受高原季风影响,气候的区域差异和垂直变化十分明显,日温差可达20摄氏度以上。而对于地处海拔3000米以上的风电场,冬季还常常伴有积雪和大风,温度可达0摄氏度以下,而夏季温度则达20摄氏度以上。

因此,本地区的风电场日温差和年温差都较大,并且可能存在冬季施工的情况,对施工和混凝土养护都提出了较高的要求。

1.4复杂地质地层条件

 高海拔山地地区地质构造发育,断裂构造分布较广,褶皱构造多向发展。滑坡、危岩和崩塌、泥石流等地质灾害及不良地质作用对风电场有一定影响。基础开挖范围内常常存在石芽、孤石、松石、溶槽、溶沟、漏斗、落水洞、峰林等。基底持力层既有承载力相对较低的黏性土,也有相对较完整的基岩,也有岩石互层和岩土组合地基等。

2 高海拔山地风电场常用的风机基础形式

高海拔山地风电场常采用的基础形式主要有以下三种:

2.1圆形扩展基础

形扩展式基础是国内应用最为广泛的一种风机基础形式,属于重力式基础,通过自身的重量来平衡外部作用。基础分上、中、下三节。根据以往经验,上节高0.5 m1.5m,平面半径为3.0m4.0m;中节为圆台,高1.0 m1.5m,顶面半径一般与上节半径相同,底面半径一般与下节半径相同;下节高一般取为1.0m,平面半径根据荷载大小确定。具体形式如下图2.1所示:

 

2.1 圆形扩展基础体型图

圆形扩展式基础的优点是施工工艺简单,施工工期短,可操作性强等。缺点是混凝土及钢筋用量较大,经济性较差。

2.2梁板式基础

梁板式基础也属于重力式基础,但梁板式基础将中间部分混凝土挖空,通过肋梁、周圈环梁和底板形成梁板体系,将荷载传至地基。梁板式基础的特别之处在于,将混凝土尽量分布在远离截面形心处以产生更大的截面抵抗距,在抵抗外部作用的同时,达到减少混凝土用量的目的。梁板式基础体型如下图2.2所示:

 

2.2 梁板式基础体型图

圆形梁板式基础的优点在于,相对于圆形扩展式基础,混凝土用量更少,基础占地也较小。其缺点为体型复杂,配筋复杂,支模也叫复杂,因此施工较复杂,工期相对较长。

2.3预应力岩石锚杆基础

预应力岩石锚杆基础不是通过自身的重力去平衡外部作用,而是通过锚杆预先对基础施加预应力,将基础与基岩压紧,在基础与地基之间产生压应力,以抵消外部弯矩作用产生的拉应力,使基础与基岩始终不脱开,达到平衡外部作用的目的。因此,预应力岩石锚杆基础可以充分的利用基岩的高承载力,而不必通过加大混凝土用量来平衡外部作用。其体型剖面如下图2.3所示:

 

2.3 预应力岩石锚杆基础示意图

预应力岩石锚杆基础的优点为,相对于以上两种基础,混凝土用量最小,占地面积也最少。但该基础对基岩要求较高,需要进行相关的锚杆拉拔试验,锚杆造价也较高,且锚杆施加预应力也较复杂,只有在完整、较硬的岩石地区才能采用。

2.4高海拔山地风电场常用基础形式的优劣对比及适用范围

高海拔山地风电场具有自身的特点,各种风机基础形式也具有各自的优缺点。在实际设计中,根据实际情况选择合理的风机基础形式。下面对不同的基础形式进行对比,以说明各种的使用范围:表2.1 不同基础形式的主要经济性能对比

序号

项目

圆形扩展基础

圆形梁板式基础

预应力岩石锚杆基础

1

风机基础占地面积

较大

半径7m-10.5m

最大

半径7m-11m

最小

半径6m-8m

2

C35/ C40混凝土

最多;400m3-600 m3

较多;300m3-500 m3

最少;150 m3-300 m3

3

C15混凝土垫层

最多

较多

最少

4

钢筋量

最多;42t-60t

较多;33t-55t

最少;18t-36t

5

锚索量

一般30-36根;每根8-15m

6

土石方开挖

最多

较多

最少

7

土方回填

最多

较多

最少

8

总价

最多

较多

最少

注:以上对比值根据以往工程统计得出,具体以计算为准。

根据以上对比可知,无论从占地面积还是工程造价来看,预应力岩石锚杆基础经济性能最好,圆形梁板式基础次之,圆形扩展基础最差。根据以往的工程经验,相对于圆形扩展基础,预应力岩石锚杆基础最多可节约成本(单就单个造价而言)41.6%,但具体工程应根据作用大小计算确定。

3高海拔山地风电场常用的塔筒与基础连接形式

根据目前塔筒厂家的生产条件,以及高海拔山地风电场的工程应用实际,目前主要有以下两种塔筒与基础的连接形式:

3.1基础环式

基础环为最先采用的基础连接形式,也是使用最为广泛的一种连接形式。基础环由上法兰、基础环筒壁和下法兰三部分组成。其中,基础环筒壁一般水平向分三块焊接成整体,再上下分别与上法兰和下法兰焊接成完整的基础环。基础环通过下法兰支撑于预先架好的支撑系统,再通过铺设穿孔钢筋,浇筑混凝土固定于基础。之后通过上法兰与塔筒进行螺栓连接,完成塔筒与基础的固定连接。基础环的形式如下图所示,基础环上法兰顶一般高出混凝土顶面450mm600mm,以满足安装要求。

 

3.1 基础环连接形式

基础环连接形式的优点在于基础环吊装、调平方便,整体性较好。缺点在于基础环拼装时焊接要求较高,对调平精度要求高,且需要穿孔钢筋锚固于混凝土内,钢筋用量高。

3.2锚栓式

锚栓式为最近兴起的塔筒与基础连接形式,它是通过预先架设好外套PVC管的锚栓,再浇筑混凝土,待混凝土达到一定强度时,对锚栓施加预应力,将上锚板与混凝土表面压紧,以固定上锚板。之后再将上锚板上的法兰与塔筒进行螺栓连接,最终达到塔筒与基础的连接。具体形式见下图:

 

3.2 锚栓连接形式

由此可见,锚栓式连接的优点在于,不需采用穿孔钢筋进行连接,且锚栓用钢量小于基础环,因此,总的用钢量较小。锚栓对基础混凝土有预压作用,基础混凝土大部分处于受压状态,不宜产生裂缝,基础耐久性好。但锚栓式连接需要进行锚栓张拉、二次灌浆等工序,施工要求高,施工周期相对较长。

3.3连接形式对比

基础环连接形式是使用时间最长、应该范围最广的连接形式,施工简单,施工经验丰富。而锚栓连接形式受力性能好,基础用钢量也少,是性能较好的连接形式,但施工工序复杂,锚栓张拉对施工队伍提出一定的要求。

3.1 不同连接形式对比

序号

项目

基础环形式

锚栓形式

1

受力性能

基础环范围内强度、刚度突变,易造成脆性破坏

强度、刚度突变较小

2

混凝土状态

既有拉应力,又有压应力

一定范围内混凝土一直处于受压状态,不开裂,提高结构耐久性

3

用钢量

有穿孔钢筋,用钢量大

相对较少

4

施工便易性

一次性整体吊装,定位方便,布筋方便

架设好所有锚栓再吊装定位,调平较难

锚栓张拉需专业队伍;二次灌浆用时长

4 高海拔山地风电场风机基础施工特点

4.1高海拔施工

由于高海拔的原因,场址温度较低,昼夜温差较大,若临近冬季,还伴有积雪、降温至0摄氏度以下等情况。在这种情况下浇筑基础混凝土,必须采取保温措施,控制基础内部与表面、基础表面与环境的温度差,同时也要保证混凝土有一定的凝固温度,以确保混凝土强度达到设计要求。为此,基础混凝土需满足相应的抗冻等级要求,并且在实际施工中,需要采取合理可行的保温措施,以保证基础混凝土的浇筑质量。

4.2复杂地形施工

由于风场大多地处山地,位置偏僻,各机位分散且通行不易,混凝土施工需特别考虑现场取水、现场搅拌的问题,而采用商品混凝土,则更需考虑运输时长,合理安排进场,避免混凝土压车等影响混凝土浇筑的情况。为此,风机基础设计需尽量优化基础体量,减少混凝土用量,以减少混凝土现场搅拌或商品混凝土运输的难度,保证基础浇筑质量。

4.3复杂地基持力层施工

在高海拔山地地区,地质条件复杂,在基坑开挖过程中常会遇到以下情况:

a)基础范围内持力层承载力不均匀,如遇岩土组合地基。此时,应根据具体的不同岩土分部情况,对土层或基岩进行换填处理;

b)开挖过程中遇到石芽、孤石、松石、溶槽、溶沟、漏斗、落水洞、峰林等情况。对于溶沟、浅溶槽,可先将溶沟、溶槽内的粘土等充填物清除,再用毛石混凝土换填至基底标高;对于基础位于石脊(石芽)上时,需将石脊(石芽)尖角削去,斜面凿成台阶,再用C15混凝土垫平。

4.4岩石地区基础设计与施工

岩石地区,地基承载力一般较高,如果采用传统的重力式基础,混凝土用量大,地基高承载力利用不充分。这时,有必要采用新型基础,如预应力岩石锚杆基础,以充分利用岩石的高承载力,同时还节约混凝土用量。

同时,大体积混凝土置于整块岩石上,由于岩石的刚度大,在混凝土养护过程中发生收缩时,会产生收缩裂缝。因此,对于岩石地基,宜设置滑动层减少收缩应力。

4.4不同基础形式的施工技术条件对比

圆形扩展基础施工最为便易,施工工序简单,施工周期最短,是目前工程实际中应用最广泛的基础形式,工程经验丰富,技术计算最为明确。预应力岩石锚杆基础施工最为困难,施工工序复杂,需要进行静载试验、原位试验等。施工中,等待混凝土达到设计要求时还必须进行锚杆张拉,预应力控制等工序,需要专业的施工队伍实施。基础建造完毕后,还需要进行锚杆预应力监控等,如果预应力变化明显必须进行预应力补强等。相对于以上两种基础形式,圆形梁板式基础施工难度居中,但支模复杂,钢筋绑扎困难,周期相对较长。具体技术对比见下表:

4.1 不同基础形式的施工技术条件对比

序号

项目

圆形扩展基础

圆形梁板式基础

预应力岩石锚杆基础

1

施工周期

最短

较长

最长

2

施工支模

最易

最难

较难

3

锚索张拉

4

地质要求

低;一般承载力大于180kpa即可

低;一般承载力大于180kpa即可

中风化岩体

承载力大于450kpa

5

现场试验

包括承载力取试验和原位试拔试验

6

预应力监测

注:承载力要求根据以往工程统计得出,具体以计算为准。

5 结论

综上,对基础形式和塔筒与基础连接形式的选择,可以给出以下建议,实际工程可根据具体情况进行选择:

1)预应力岩石锚杆基础经济性能最好。如果存在完整性较好、中等风化以上的基岩,能够使用该型基础。如果岩石机位较多,则优先推荐使用该型基础,通过抵消试验成本等额外成本,以降低总造价。

2)圆形扩展基础施工最为便易,施工周期最短,对地质要求最低。如果机位地质条件较差,施工周期较紧,施工队伍技能一般,优先推荐使用该型基础。

3)如果地质条件一般,施工周期允许,风机机位较多,也可以使用圆形梁板式基础,通过减少混凝土用量和用钢量来降低工程总造价。

4)锚栓连接形式受力性能好,基础环连接形式施工简单,施工经验丰富。由于塔筒与基础连接形式一般由厂家配套使用,如果风机厂家配套使用锚栓连接形式,优先使用该型连接,如果厂家配套使用基础环连接形式,则使用基础环形式。

 

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作者简介:

第一作者李根森(1985-),男,工程师,硕士,从事火电及新能源结构设计研究工作。

通讯作者: 王斯伟(1983-),男,高工,博士生,从事火电及新能源结构设计研究工作。

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