贵州地区风电场风机基础地基处理方法浅析
2015-07-13
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一、引言
为加快我国可再生能源发展，更好地满足社会经济可持续发展的需要，促进风电产业的快速发展，国家制定并颁布了《可再生能源法》，同时制定了《可再生能源中长期发展规划》等一系列的规划和政策，使我国的风能开发建设进入了一个快速发展阶段。截止2013年底，我国风电装机规模已超过8500万kW，并网容量已达7716万kW，居世界第1位。
风电的发展需与经济社会的发展相协调，需与电网的发展相匹配，我国的风能资源集中分布于“三北”地区，但“三北”地区属于经济欠发达区域，电网容量有限，所能承受的风电并网容量制约了风电进一步发展，在这个瓶颈解决之前，风电市场已经瞄准了南方地区，贵州就是其中之一。最近几年贵州风电正发展的如火如荼。
二、贵州地区风电场的特点
贵州省地处我国西南部，全省国土面积176167km2，占全国总面积的1.83%。地貌属于高原山地，境内地势整体上为西高东低，自中部向北、东、南三面倾斜，平均海拔在1100米左右，全省地貌可概括分为：高原、山地、丘陵和盆地四种基本类型，高原山地居多，素有“八山一水一分田”之说。在部分海拔相对较高山地及高山台地，风能资源较丰富，具有一定的开发价值。
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），贵州大部分地区地震动峰值加速度≤0.05g（相应的地震基本烈度值为≤Ⅵ），区域构造稳定性好。
贵州地区喀斯特地貌分布广泛，喀斯特地区出露地层以沉积岩为主（碳酸盐岩夹泥岩、页岩，含煤层），出露二叠系峨眉山玄武岩组（P2β）玄武岩（火成岩）及龙潭组（P2l）砂岩、页岩夹煤层（煤系地层），东部及东南部出露元古界变余砂岩、砂质板岩、绢云母板岩等编制岩、断裂、褶皱构造发育，风电场地质条件复杂。
喀斯特地区风电场一般选择在地势较高的山原（夷平面）地带，由于水流的长期侵蚀及风化剥蚀作用，夷平面一般仅保留一些孤立的山丘、或分布范围有限的山脊，风机一般布置在这些地势较高、风资源较好的地带，布置分散，无规律性。喀斯特山区风电场区交通运输困难，施工难度大。喀斯特地区岩溶普遍发育，风机位置的选择很难完全避开，而且碳酸盐岩地层中往往夹有易风化的碎屑岩地层，因此，岩溶山区风机基础地基主要存在不均匀变形的工程地质问题，需进行地基处理。
三、贵州某风电场风机基础地基处理案例
（一）工程概况
某风电场场址区高程2300m～2800m，地势相对较高，场区山峦起伏，岩溶洼地、落水洞、溶沟、溶槽特别发育，属典型的溶蚀峰林地貌。场区缓坡地带高程较低，植被为草类植被、幼木林或低矮树木林，半坡或山脉顶部大部分基岩裸露，表层浅覆草类植被，基岩裸露部位的灰岩地带溶沟溶槽极为发育，部分地区形成小规模的石林。本工程场区地震动峰值加速度为0.05g，相应的地震基本烈度为Ⅵ度，区域构造稳定性较好。
该风电场安装33台1.5MW风电场机组，轮毂高度70m，叶轮直径82m。机组塔架地基基础设计级别为2级，基础结构安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，结构设计使用年限为50年。目前风电场已并网发电两年，各项指标正常。
（二）风机基础设计情况
风机塔架属于高耸结构，风电机组具有承受360°方向重复荷载和大偏心受力的特殊性，对地基基础的稳定性和变形要求高，基础所承受上部的水平荷载和倾覆力矩较大，应按大块体结构设计。
根据风机基础设计的一般原则，在满足上部结构荷载要求的前提下，宜优先采用型式简单、施工难度小、造价较低的浅基础。根据本工程场址区地形地质条件，风机基础采用钢筋混凝土圆形扩展基础。
经计算，风机基础底板直径16.50m，总高度3.10m，埋深2.80m。基底铺0.15m厚C20素混凝土垫层，垫层上浇筑主体基础钢筋混凝土，强度等级C35。单台风机基础C35混凝土量为400m3。正常运行工况，基础基底最大压应力143 kPa；极端荷载工况，基础基底最大压应力200kPa。
根据风机布置图及地勘报告，场区风机大多位于山丘顶部或山脊缓坡平台，风机位置大多分布厚度不大的残坡积覆盖层，一般厚0.5～3.0m，部分风机基础位置基岩裸露，场区大部分区域出露岩层为灰岩、白云岩、白云质灰岩等可溶岩，该区中风化岩体承载力、抗滑及抗变形性能均可满足设计要求，选择中风化岩体作为风机基础地基持力层。对于场区少部分玄武岩分布区，选择强风化层作风机地基持力层。
（三）地基处理
可研及施工图阶段，均按规范要求开展了详细的勘探工作，较全面地掌握了场区的地质情况，但鉴于我国风电开发的现状，在时间和设计费用都十分有限的情况下，不太可能对每个机位都布置较多地勘钻孔或采取更进一步的勘探手段，因此开挖揭露情况也往往会与前期的地勘资料有一些出入，特别是在贵州卡斯特地区，每个机位一两个钻孔常常不足以反映复杂多变的溶蚀情况。施工阶段，为及时、准确掌握风机基础地基的地质情况，确保风机的安全，设计项目部对风机基础地基验槽工作高度重视，地基开挖过程中，设计及地质技术人员现场全程跟踪、复核风机基坑地质条件，并对风机基坑进行地质鉴定、验收，满足相关要求后才允许浇筑垫层及后序工作。对有地质缺陷的地基，现场提出有针对性的处理措施建议，地基处理完成后才进行风机基础浇筑。根据地层地质情况，本风电场地基处理分如下几类：
1、玄武岩地层地基处理
本风电场少部分区域分布有玄武岩地层，该地层选择强风化层作为地基持力层，对风化强烈、泥化严重的地基，采取级配碎石或毛石混凝土换填。若下挖0～2m承载力满足要求，则采用级配碎石换填，级配碎石分层碾压夯实，分层厚度不大于30cm，压实系数不小于0.95；若下挖深度超过2m或软硬不均的地基，则直接用毛石混凝土换填，毛石混凝土需振捣密实。
如28#风机基础地基东侧为全风化玄武岩，西侧为粘土夹强风化玄武岩颗粒，为防止风机基础不均匀沉降，将风机基础中心直径18.5米范围深挖2.0m后整平碾压，再采用级配碎石回填至设计建基面高程，级配碎石需分层回填碾压，分层厚度不大于300mm，压实系数不小于0.95。
如33#风机基础地基南侧约1/3部分为全风化玄武岩，其余部分为中风化玄武岩，为防止风机基础不均匀沉降，将全风化玄武岩部分深挖至中风化玄武岩，回填C15毛石混凝土至设计建基面高程。
对于覆盖层特别厚、换填工程量特别大的个别机位，则结合风资源分布情况，经综合比较后，做了位置调整。
2、栖霞、茅口组地层地基处理
该区布置了大部分的风机，风机均位于山丘顶部，地下水埋藏深；风机位置大多基岩裸露，基岩主要为灰岩、白云岩，选择中风化岩体作为风机地基持力层，其承载力、抗滑稳定及抗变形性能能够满足设计要求。但该套地层多岩溶发育，多台风机基础基坑开挖揭露之后，出现大量的溶沟、溶槽，充填粘土或粘土夹碎石；部分风机位置附近有落水洞发育，根据地质缺陷的严重程度，移动风机位置或采取地基处理措施。清除充填物，换填毛石混凝土则是该地区常用的一种处理方法。如下图所示，对于这种类型的地基缺陷，均按溶沟、溶槽宽度的2～3倍向下清理后回填C15毛石混凝土，并将混凝土振捣密实。
3、马平组地层地基处理
该地层内常常夹瘤状灰岩及页岩，现场开挖揭露后发现部分风机基础建基面遇泥化严重的瘤状灰岩及页岩，该种地质缺陷均采用C15毛石混凝土置换的方式进行了处理，开挖揭露情况如下图所示。
4、地基处理效果评价
风电场项目业主委托专业的测绘公司对风电场风机基础进行了沉降观测，根据风机基础沉降观测报告，自2012年7月至2013年8月，风电场共进行了7次风机基础沉降观测。风电场全部33台风机基础累计最大沉降量为3.10mm，累计最大不均匀沉降量为3.30mm；通过7次沉降观测，风电场所有风机基础沉降均匀，沉降速率在规范限定范围内，风电场风机基础沉降趋于稳定。根据观测结果可以判断，地基处理达到了预期目标，解决了部分地基软硬不均，承载力不足等问题，确保了风机基础地基的固，为日后风机的安全运行打下良好基础。
四、贵州地区风机基础地基处理措施建议
鉴于风机基础大偏心的受力特点，地基处理要以保证地基的承载力满足要求、基础沉降均匀为原则。喀斯特地区往往存在溶沟、溶槽、石芽、软弱填充物等复杂地质情况，若不采取合理的地基处理措施，往往会留下不均匀沉降的安全隐患，危及风机的安全运行。
贵州喀斯特地区，灰岩分布广泛，而灰岩是一种良好的建筑石料，风电场可以就地开采，加工为砂石骨料。许多风机基础基坑挖出的石料也可以加工为很好的砂石骨料。砂石骨料的加工成本比北方许多风电场长距离采购的成本低很多，这为本地区地基处理提供了有利条件，无论是采用级配碎石换填还是混凝土换填，经济性都比较好。对于贵州地区风电场常见的风机基础地基缺陷，可以采取如下处理措施。
（一）非可溶岩山区地基处理措施建议
贵州喀斯特地区非可溶岩主要为玄武岩，砂岩、泥岩夹煤层，其共同的工程地质特征是岩体结构不均匀，岩体风化较深。对于该部分地区的风机基础，根据经验一般可选择强风化上部岩体做地基持力层；但对于强风化岩体深厚、风化强烈的岩体，应根据实际情况进行地基置换，因为该种岩体上部往往为粘土层，作为风机地基持力层存在地基不均匀变形稳定问题。
（二）岩溶地基的处理措施建议
第一，对于大的溶洞及溶蚀破碎带，地基处理的代价过大，不符合经济性的原则，建议移动风机位置，避开为宜。
第二，对于规模较小的溶沟、溶槽，建议按溶沟、溶槽2～3倍的宽度将溶沟、溶槽内的充填物清除，用毛石混凝土回填，振捣密实，保证风机基础地基的完整性和稳定性。
第三，对于跨度不大，洞壁坚固、完整，强度较高的裂隙状深溶洞，可在顶部做钢筋混凝土梁、板跨越。
参考文献：
[1]《风电机组地基基础设计规定（试行）》FD003-2007；
[2]《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011；
[3]《贵州建筑地基基础设计规范》DB2245-2004；
[4] 江正荣.《地基与基础工程施工禁忌手册》.机械工业出版社.2006.1
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