9MW分散式风电场工程可行性研究报告-8_土建工程

8 土建工程批 准： 董德兰核 定： 胡永柱 审 查： 关庆华 校 核： 王丽萍编 写： 李玉坤 华能陕西定边周台子9MW分散式风电场工程可行性研究报告8 土建工程8.1工程地质条件及工程等别8.1.1工程地质条件华能陕西定边周台子9MW分散式风电场工程场址位于陕西省定边县城东南约28km的贺圈镇，东经1074430.93，北纬374416.41，场址区南北长约3.5km，东西宽约2.0km。场址区海拔高度在1500m1550m之间，地形平均坡度25。黄土斜坡近南北倾向，南高北地，东西两侧分布有较大的沟壑。地表为耕地和少量植被。区域地貌主要以特有的黄土塬、梁、峁地形为特征。（1）场址区50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.40s，相对应的地震基本烈度为度。场址区属构造稳定区。（2）根据工程地质条件复杂程度，场地为一般场地，场地等级为二级场地（中等复杂场地）、地基等级为二级地基（中等复杂地基），场地环境类别为类。（3）场址区地基土为第四系松散堆积土，共分为3层：层，粉土及砂质粉土，厚度一般数十厘米，结构松散，以风成次生黄土及粉砂为主，力学性质差，建议挖除；层，粉质粘土，褐红色，稍湿，硬塑，属于中低压缩性土，承载力标准值为160200kPa，建筑物或者风机基础适当的处理就可以做为天然持力层；层，老黄土，黄色黄褐色，稍湿，硬塑，承载力标准值为180260kPa。该层可以作为集控中心建筑物基础下卧层，或风机基础持力层。表8.1 地基土层物理力学参数建议值岩土名称密实状态埋深（m）重力密度(天然)（kN/m3）孔隙比压缩系数(MPa-1)压缩模量(MPa)内聚力(kPa)摩擦角（o）承载力特征值(kPa)中密515.00.850.158123022160180密实816.50.70.0815204025180260（4）场地地表水系不发育，地下水埋深大，地下水对建筑物基本无影响，滑坡、泥石流不发育。场址地基土对混凝土结构、混凝土结构中的钢筋及钢结构为微腐蚀性；根据中国季节性冻土标准冻深线图及当地工程建设经验，场址区存在季节性冻土，最大季节性冻土深度为地面以下1.0m1.2m。8.1.2 工程等别及主要建筑物级别华能周台子分散式风电场工程总装机容量9MW，包括5台单机容量为2000kW的风电机组、箱式变压器，风机所发电量通过35kV集电线路接入已有的周台子110kV升压变电站。根据FD002-2007风电场工程等级划分及设计安全标准（试行），风电场工程等别为等中型工程；风电机组地基基础设计级别为1级；根据抗震设计标准，风电机组地基基础的抗震设防类别为丙类；机组塔架基础洪水设计标准重现期为30年。8.2风电机组及箱式变电站基础8.2.1风电机组基础设计8.2.1.1设计依据（1）设计采用的主要规程规范a.风电场工程等级划分及设计安全标准（试行）FD002-2007；b.风电场机组地基基础设计规定（试行）FD003-2007；c.高耸结构设计规范（GB50135-2006）；d.建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）；e.建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）；f.混凝土结构设计规范（GB50010-2010）；g.建筑结构荷载规范（GB50009-2001）；h.建筑抗震设计规范（GB50011-2010）；i.建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）；j.建筑桩基检测技术规范（JGJ1062003）；k.湿陷性黄土地区建筑规范（GB50025-2004）。（2）设计基本资料a.工程地质资料见表8.1地基各土层地基承载力建议值、表8.2桩基力学参数建议值。b.风机荷载本阶段设计以W105/2000-80m机型为依据，作用于基础环顶面荷载资料见表8.2。表8.2 作用于桩基础环上法兰顶面的荷载(不含安全系数)工况名称FFxy(kN)Fz(kN)Mxy(kNm)Mz(kNm)极端荷载工况1.00650.62091.6398712289.8正常运行荷载工况1.00312.7 1948.7 20558.5 76.3 表中：Fxy上部结构传来的水平力合力； Mxy上部结构传来的水平合力矩； Fz上部结构传来的竖力； Mz上部结构传来的扭矩。风机塔筒重量：55.8t；叶轮重量：31.63t；塔架重量：124.59t。8.2.1.2风机基础及地基处理方案比选由于风电场所在区域为自重湿陷性场地，地基土的湿陷等级为级，且厚度较厚，采用天然地基将不能满足风机基础对承载力及地基变形的要求，风电机组基础形式只能采用地基处理后的复合地基或桩基础。本工程将在湿陷性土层深度22m为前提的条件下，对桩基方案、复合地基方案进行比选，论证比较后确定适宜本风电场风电机组基础形式。（1）桩基根据湿陷性黄土地区建筑规范GB50025-2004第5.7.2条规定桩端应穿透湿陷性黄土层，且应支承在可靠的土层中。在湿陷性黄土地区桩侧存在负摩阻力，由于预制桩在打桩过程中会将桩周土挤密，造成单位面积上的负摩阻力比灌注桩大，且在黄土地区比灌注桩穿透性差，所以通常采用干作业成孔的灌注桩,桩端将穿透层黄土状土层，支撑在层粉质粘土层上。1) 摩擦端承桩本方案风机基础采用干作业摩擦端承桩。经计算拟定桩基础的布置为：承台底部为直径16.5m，高0.8m的圆柱；上部为顶面直径6.2m，高1m的圆柱；中间为高1.2m的圆台。承台底部布设混凝土扩底灌注桩19根，桩长23m，桩身直径0.9m，扩底直径1.85m。基础表面采用10cm厚混凝土散水。桩及承台具体布置见图8.1。图8.1 摩擦端承桩布置示意图2）端承摩擦桩本方案风机基础端承摩擦桩（不扩底混凝土灌注桩）。经计算拟定承台底部为直径16.5m，高0.8的圆柱；上部为顶面直径6.2m，高1m的圆柱；中间为高1.2m的圆台。承台底部布置20根混凝土灌注桩，桩长34m，桩身直径1.0m。基础表面采用10cm厚混凝土散水。桩及承台布置见图8.2。图8.2 端承摩擦桩布置示意图（2）复合地基在湿陷性黄土地区常用的地基处理方法有垫层法、强夯法、挤密法等。风机基础采用扩展基础，基础体型为圆形。1）灰土挤密桩灰土挤密桩复合地基方案是通过向桩孔内夯实3:7灰土或2:8灰土的方法对灰土桩进行挤密夯扩，从而达到挤密地基土、消除湿陷性、减少沉降的目的。灰土挤密桩的地基处理深度较浅，以湿陷土层22.0m考虑，基础底部采用挤密桩进行地基处理，桩孔直径0.4m，等边三角形布置，桩孔之间的中心距为孔径的2.5倍约 1.00m，桩孔估算数量959根，处理深度将根据场地的土质情况、工程要求和成孔及夯实设备等综合因素确定，初步估算挤密深度17.0m，处理范围为基础底面外缘的宽度，每边不小于处理土层厚度的1/2，并不应小于2.0m，故处理范围应为直径33.5m的圆，处理后的复合地基承载力特征值应达到200kPa，桩顶标高以上应设置0.5m厚的灰土垫层，一方面可使桩顶和桩间土，另一方面有利于改善应力扩散，调整状土的应力比，并对减小桩身应力集中有良好作用。扩展基础的体型为：承台底部为直径16.5m，高0.8m的圆柱；上部为顶面直径6.2m，高1m的圆柱；中间为高1.2m的圆台。基础表面采用10cm厚混凝土散水。挤密桩及基础布置见图8.3。图8.3 灰土挤密桩方案示意图2）垫层法垫层法是一种浅层处理湿陷性黄土地基的传统方法，处理厚度一般为1.0m3.0m，处理厚度超过3.0m时，挖、填方量大，施工期长，施工质量不易保证。以湿陷土层22.0m考虑，在自重湿陷性黄土场地，最小处理厚度不应小于湿陷土层深度的2/3，且下部未处理湿陷性土层的剩余量不应大于150mm。若基础底部采用2：8灰土垫层进行地基处理，垫层厚度为基础底面以下11.5m，垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，基坑底部开挖直径28.3m，并按1：0.5坡度放坡。处理后的复合地基承载力特征值应达到200kPa。扩展基础的体型为：底部为直径16.5m厚0.8m的圆柱；中部为底面直径16m，顶面直径6m，高1.2m的圆台；上部为直径6.0m，高1.0m的圆柱。表面采用土工膜防水和10cm后混凝土散水。布置见图8.4。图8.4 垫层处理示意图下面从工程投资、施工技术条件方面对四个地基处理方案进行比较分析。3）强夯法强夯法具有加固效果显著、使用土类广、设备简单、施工方便，节省劳力、施工期短、节约材料和施工费用底等优点而被广泛的应用。采用强夯法处理湿陷性黄土地基，土的含水量至关重要，天然含水量低于10%的土，夯击时表层土容易松动，夯击能量消耗在表层土上，深层土层不宜夯实，消除湿陷性土层的有效深度小，天然含水量大于塑限含水量3%以上的土，夯击时呈软塑状态，容易出现橡皮土。强夯的单位夯击能，应根据施工设备、黄土地层的时代、湿陷性土层的厚度和要求消除湿陷性土层的有效深度等因素确定。单位夯击能大，消除湿陷性黄土层的深度也相应大,本工程中湿陷土层厚度22.0m左右，基础底面下部有19.0m厚湿陷土层，处理厚度约12.0m，单位夯击能需要大于8000kN.m，但设备的起吊能力增加太大往往不宜解决，因此本阶段暂不考虑强夯法处理方案。（3）工程量及投资比较各方案主要工程量比较表见表8.3，工程投资概算汇总表见表8.4。可以看出，该风场的风机基础工程采用扩底灌注桩具有很明显的经济优势。表8.3 主要工程量比较表工程或费用项目单位灌注桩(扩底)灌注桩(不扩底)灰土挤密桩垫层法土方开挖m31054105416987384土方回填m37587585251891承台混凝土C40m3352352352352垫层混凝土C20m346.246.246.246.2钢筋t36363636灌注桩混凝土C30m3292534顶面散水混凝土C20（厚10cm）m3272762.572素土回填21323252：8灰土m320503095复合土工膜（厚3mm）m21269注：表中工程量数字均为方案比较阶段值。表8.4 各方案基础投资比较表（以方案一为基准）项 目灌注桩(扩底)灌注桩(不扩底)灰土挤密桩垫层法承台基础（万元）50505050桩基或地基处理（万元）639312370合计（万元）113143173120差值（万元）030607（4）施工技术条件比较桩基方案的优点是穿透湿陷性土层，全部消除地基土的湿陷性，施工、检测周期较短，需处理的范围较小，地基变形的均匀性好，不均匀沉降较小。扩底桩增加一道工序，但采用机械钻孔结合人工扩底很容易解决。混凝土灌注桩施工质量较容易控制。灰土挤密桩方法的优点是因地制宜、以土制土、费用较低，但施工、检测的周期较长，需处理的范围大，处理深度受限制，一般最大处理深度为15m左右，对本风电场而言，采用此方法不利因素主要有以下两个方面：本风场湿陷性土层较厚，为17.5m22.5m，采用灰土挤密桩处理不能穿透湿陷性土层，难以消除全部深度范围内的湿陷性，且地基变形的均匀性较差；本风场土层天然含水率平均值低于10%，低于成孔要求的最低含水率12%，成孔时，需对处理范围内的土层进行增湿，增湿至最优含水率16%，给施工造成较大困难。垫层处理也作为较常用的湿陷性地基处理方法，施工机械也较简单，但是，由于地域的限制，本地换填料运输距离较远。（5）结论根据以上比较，扩底混凝土灌注桩方案工程量小，投资较少。同时，风力发电机组属高耸建筑物，对基础不均匀沉降要求较严格，混凝土灌注桩施工简便，质量易于保证，安全可靠，有利于减少地基不均匀沉降，是本风场的最适宜方案。经分析，本风电场风机基础采用扩底混凝土灌注桩是经济合理的。8.2.1.3主要设计控制指标风机桩基础设计主要控制指标见表8.5。表8.5 设计主要控制指标表项 目单位正常运行荷载工况控制值极端荷载工况控制值备注.桩基础承载力复核（1）竖向力Nik（平均压力）kNRaRa（2）竖向力Nmax（最大压力）kN1.2Ra1.2Ra（3）竖向力Nmin（最大拔力）kNRR（4）水平力HikkNRhRh.变形验算（1）沉降量mm200200（2）倾斜率0.0050.005表中Ra单桩竖向承载力特征值Rh基桩水平承载力特征值8.2.1.4计算内容（1）桩的竖向承载力验算偏心竖向力作用下，单桩的竖向荷载计算如下：式中：Ni第i根桩的反力；Fzk基础环法兰盘以上风机及塔架传递的竖向荷载；Fxk Fyk荷载效应标准组合下，基础环法兰盘以上风机及塔架传递的水平荷载；Mxk Myk荷载效应标准组合下，作用于基础环法兰盘的力矩；G1k桩基承台自重标准值；G2k桩基承台覆土自重标准值；xi、xj、yi、yj第i、j基桩的距离；n桩基中的桩数；hd基础环顶标高至承台底面的高度。根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定基桩抗压极限承载力特征值时，按下式估算，桩身长度及桩侧、桩端阻力取值见地质部分列表：Ra=/K式中：Ra单桩竖向承载力特征值；单桩竖向承载力标准值；K安全系数，取K=2；fsi、fp各土层桩极限侧阻力、桩极限端阻力，层自重湿陷性土层fsi30kPa，负摩阻-10kPa，、层非湿陷性土层fsi40kPa，fp1500kPa；桩底端横截面面积；桩身周边长度；第层土的厚度，层自重湿陷性土层厚取，。桩底端横截面面积；桩身周边长度；偏心竖向力作用下，竖向承载力应满足下式要求：Nikmax1.2Ra式中，Ra基桩竖向承载力特征值。（2）桩的抗拔承载力验算基桩的抗拔承载力特征值计算如下：式中： ui桩身周长，对于等直径桩取u=d；对于扩底桩按风机机组地基基础设计规定表9.3.12-1取值； 抗拔系数，沙土0.50.7，粘性土、粉土0.70.8；基桩自重。抗拔承载力验算应满足下式要求：NikminR式中，R基桩抗拔承载力特征值。（3）桩的水平力计算单桩承受水平荷载计算如下：Hk荷载效应标准组合下，作用于桩的水平力；风机基础的水平受力分析可按弹性支点法进行分析计算，地基土水平抗力系数m应按地区经验取值；弹性支点法计算简图基本挠曲方程应按下式确定：(0zl)(z=0)(z=0)式中：E桩的弹性模量； I桩横截面的抗弯刚度； x水平位移； z自桩顶计算的桩身任意深度； m地基土水平抗力系数的比例系数；土的水平抗力系数的比例系数m见表8.6。表8.6 地基土水平抗力系数表序号地基土类别预制桩灌注桩m（MN/m4）相应单桩在地面处水平位移（mm）m（MN/m4）相应单桩在地面处水平位移（mm）1淤泥、淤泥质土、饱和湿陷性土24.5102.566122流塑（IL1）、软塑（0.750.9粉土，松散粉细砂，松散、稍密填土4.5610614483可塑（0.25IL0.75）状黏性土，湿陷性土，e0.750.9粉土，中密填土，稍密细砂610101435364硬塑（0IL0.25）、坚硬状黏性土，湿陷性土，e0.75粉土，中密的中粗砂，密实老填土10221035100255中密、密实的砾砂、碎石类土1003001.53注1：当桩顶水平位移大于表列数值或灌注桩配筋率较高（0.65）时，m值应适当降低；当预制桩的水平向位移小于10mm时，m值可适当提高。注2：当水平荷载为长期或经常出现的荷载时，应将表列数值乘以0.4降低采用。注3：当地基为可液化土层时，应按JGJ 94规定执行。（4）桩基础变形计算计算地基沉降时，地基内的应力分布，可采用各向同性均质线性变形体理论假定。其最终沉降值可按下式计算：式中： s桩基最终沉降值；m桩端平面以下压缩范围内土层总数；Esj，i 桩端平面以下第j层土第i个分层在自重应力至自重应力附加应力作用段的压缩模量；nj桩端平面以下第j层土的计算分层数；桩端平面以下第j层土第i个分层厚度；桩端平面以下第j层土第i个分层的竖向附加应力；p沉降计算经验系数；注：倾斜率的计算指桩基础倾斜方向基桩的沉降差与其距离的比值。8.2.1.5设计结果及结论（1）设计体型及尺寸本工程风机基础设计以W105/2000-80m机型为依据。根据风电场工程地质条件和风机荷载资料，经过分析比较，本阶段确定风电机组塔架基础采用干作业扩底混凝土灌注桩基础。拟定基础尺寸见表8.7，风机基础体型见附图19。表8.7 基础尺寸表项 目数 量圆形基础底面直径D(m)16.5基础圆台顶面半径为R1(m)3.3基础上台柱半径为R1(m)3.1基础底板外缘高度H1(m)0.8基础底板圆台高度H2(m)1.2台柱高度H3(m)1.0基础埋深(m)3.0桩数（个）19桩身直径(m)0.9扩底直径(m)1.85桩长(m)23（2）计算结果及结论通过计算，W105/2000-80m机型桩基础计算成果见表8.8。表8.8 桩基础计算成果表项 目单位正常运行荷载工况极端荷载工况备注计算值允许值计算值允许值1.桩基础承载力复核（1）平均竖向力kN1544.42396.71531.62396.7（2）最大竖向压力kN2290287628272876（3）最大竖向拔力kN0449.1168.2449.1（4）水平承载力kN22.387212.27641.162212.2762.变形验算沉降变形验算mm20.7420020.66200倾斜率0.00070.0050.00140.005由表8.9可知，设计桩基础的承载力和变形力均满足设计要求。W105/2000-80m型机组塔架基础工程量（单台）：开挖量1059.3m3、回填量758m3，基础承台C40混凝土量352m3、基础C20垫层混凝土量47m3、基础承台钢筋量35t；钻孔灌注桩C30混凝土量292m3、桩基钢筋量20.4t。为了保证风机基础的正常运行，拟选取3台风机基础进行沉降变形观测，观测墩和基准墩的混凝土量（单台）为5m3。下阶段应根据有关规范进行工程地质的详勘工作，为桩基础设计提供必要的依据，结合确定的风机机型和荷载资料，对风机桩基础进行优化设计。8.2.2箱式变电站地基基础设计根椐风电场电气设计，风电机组与箱式变电站组合方式为一机一变方案，即每台风机设一座箱式变电站。推荐方案箱式变电站容量为2300kVA，根据地质条件和箱式变容量，确定箱式变电站基础为混凝土基础，基础体型为3m5m1.7m（长宽高），其中埋深1.2m，地上0.5m，箱式变均直接搁置在C25钢筋混凝土基础上，箱式变电站基础与电力电缆沟相连。经计算，每台箱式变电站基础开挖量约20m3、混凝土量约8m3，回填土约10m3。箱式变电站基础图见附图20。8.3接地网、电缆及架空线路8.3.1接地网在每台风力发电机基础与箱式变基础周围铺设人工接地网，接地装置采用接地扁钢和钢管。一台风机与一台箱式变共同组成一个独立接地网。8