浅析沿海滩涂风电场的风机基础和道路设计

-1-浅析沿海滩涂风电场的风机基础和道路设计肖晶晶，沈永强（上海勘测设计研究院新能源分院，上海200434）摘要：该文通过某沿海滩涂风电场的设计，介绍了滩涂风场中的风机基础和道路设计优化思路，从而降低工程造价，节省工程投资。滩涂风场的地质和地形往往比较复杂，但是只要充分结合现场情况，优化结构设计，从而使设计更合理，缩短工期的同时，降低项目投资，满足业主的要求。关键词：滩涂风电；风机基础；场内道路；设计优化中图分类号：TU447OnthecoastalbeachwindfanbaseandroaddesignXiaoJingjing,ShenYongqiang(ShanghaiInvestigation,Design&ResearchInstitueEnergyBranch,ShangHai200434)Abstract:Inthispaper,acoastalbeachthroughthedesignofwindfarms,tidalwindfieldintroducedintheoptimizationoffanbaseandroaddesignideastoreducecost,saveconstructioninvestment.Tidalwindfieldisoftenmorecomplexgeologyandtopography,butaslongasthefullyintegratedon-siteconditions,optimizingthestructuredesign,whichmakethedesignmorereasonable,shortentheconstructionperiodwhilereducinginvestmentandmeettherequirementsofowners.Keywords:Beachwindpower;Fanbase;Pitroad;DesignOptimization0引言近年来，随着全球能源、资源和环境问题的突出，特别是全球气候变化日趋明显，风电越来越受到世界各国的高度重视。风能作为一种清洁的可再生能源，它的开发和利用已成为当前当前“节能减排”和应对气候变化的重大战略决策之一，风电产业在世界各国得到了较快的发展。我国风电已经连续4年翻番增长，到2009年底，累计装机容量达到了2627.626万kW，从世界第四位跃居世界第二位，新增装机1375万kW，位居世界第一。未来一两年，我国的风电有望超越美国，成为世界第一。[1]我国拥有漫长的海岸线，近海风能在我国有着广阔的发展前景，沿海风电的开发将成为我国风能发展的一个方向和制高点。沿海风电开发又包括滩涂风电和海上风电，虽然与海上风电相比，滩涂风电的运行环境相对较好，但是滩涂风电的设计也有很多不利因素，场地内的地质条件存在差异，风机多位于养殖池中，交通极为不便，而业主又要求造价不能太高，这给我们的设计工作带来很多困难。本文结合某滩涂风电场的工程设计，探讨风机基础和场内道路在滩涂风电场中的设计。1工程概况及地质条件河北某沿海地区滩涂风电工程，总装机容量为49.5MW，安装单机容量1500kW的风力发电机组33台，新建110kV升压变电站1座。风机基础采用低桩承台式结构，基桩采用φ800mm的钻孔灌注桩，外圈桩长34m～38m，内圈桩长28m～34m，同一基础内圈桩长比外圈桩作者简介：肖晶晶（1983-），男，助理工程师，风力发电.E-mail:[e-mail]-2-长短4m～6m。各风机间由场内道路连接，共设置3条进场道路，场内道路总长为17.0km，设5座跨河涵管，路面高程2.6m；路面宽5.0m；路面结构由厚40cm的碎石土组成。地基土层组成从上至下，按其成因可分为5层，其中第⑤层土又根据土性和工程性质差异分为⑤1和⑤2两个亚层。各土层分布特点如下：①层填土，黄褐色，松散状，由粘性土和砂土组成，主要位于进场道路及场内虾池间的路基上。该层土厚0.20m～3.50m，平均厚1.50m，平均标贯击数5.0击。②层细砂，黄褐色，稍密状，局部为中密状，中等压缩性含贝壳，砂粒成分主要由长石、石英等组成，粒度均匀，粘粒含量低，该层多夹粉土薄层，该土层厚1.50m～9.00m，平均厚5.60m。标贯击数5～25击，平均标贯击数14.1击。②层内夹有1～2层粉质粘土②t层，②t层分布不均匀，平均标贯击数5.1击。③层淤泥质粉质粘土夹粉质粘土，灰～灰黑色，流塑～软塑状，高压缩性，混砂粒，多夹粉性土薄层。该层顶面埋深约6.4m，厚度0.60m～11.70m，平均厚度为6.40m，含水量平均值为38.5%，平均标贯击数6.4击。③层内局部夹一层③t层粉砂，平均标贯击数14.5击。④层细砂，灰褐色，中密状，中等压缩性，砂粒成分主要由长石、石英组成，夹少量粘性土。该层顶面埋深9.2m～14.8m，厚0.70m～7.30m，平均厚度为2.85m，标贯击数10～30击，平均贯击数20.1击。④层局部内夹有一层④t层粘性土，粘土层含水量平均值为35.1%，平均贯入击数6.3击。⑤1层细砂，灰褐～黄褐色，密实状，低压缩性，由长石和石英组成，均粒结构，次棱角形。该层层面埋深11.5m～19.0m，厚1.00m～7.70m，平均厚度为2.96m。平均贯击数40.9击，该层局部缺失。⑤2层细砂，灰褐～黄褐色，状态密实，平均贯击数大于50击。该层土未钻穿，但已揭露厚度＞25m。该层局部夹有⑤2t层粉土透镜体，⑤2t层含水量平均值为22.5%，平均标贯击数30.6击。[2]2基础方案的确定2.1基础方案比选由于风机基础承受外部荷载较大，[3]风机基础若采用②层细砂作为天然地基的持力层，其下伏的③层淤泥质粘土夹粉质粘土属高压缩性土，不能满足风机基础的地基承载力、变形和稳定要求，所以本风场采用桩基础。[4]目前实际工程中应用的桩基型式一般为预制打入桩和钻孔灌注桩，预制打入桩中尤以预应力高强混凝土管桩（PHC管桩）在工程造价上最有优势，但本工程地基土层不均匀，局部⑤1层细砂的标贯太大，沉桩时可能存在难度；且沉桩设备对场地地表承载力要求较高，风机基础间设备搬运困难；此外由于本场区地下水对钢筋具有腐蚀性，预应力筋对腐蚀敏感，管桩接桩处防腐处理困难，施工质量难以保证，在风机运行下，有一部分工程桩较长时间的处于抗拔状态，一旦接头出现较强腐蚀，降低接桩的连接强度，将造成较大的安全隐患。[5]所以在本风场总考虑采用防腐措施的钻孔灌注桩。2.2基础结构设计根据风机荷载资料及预埋件的结构型式，风机基础采用低桩承台式结构，上部承台高度为2.5m，分为上下两节，上节为直径φ6.00m、高h=0.50m的圆柱体，下节为边长8.00m、高度均为2.00m的正六边形棱柱体，承台下均匀布置2圈共14根外径φ80cm的钻孔灌注桩。10根灌注桩沿半径6.0m的圆周均匀布置，4根灌注桩沿半径3.0m的圆周均匀布置，根据-3-地基条件不同，外圈桩长为34m～38m；内圈桩长为28m～34m。同一风机基础，内圈桩长比外圈桩长短4m～6m。根据土层分布情况，桩基持力层选为⑤2层细砂。图1风机基础结构断面图图2风机基础结构平面图3场内道路的布置3.1场内道路平面布置风电场场内道路可作为运行期间的永久道路，道路参照等外道路修建，但同时要满足施工期间超长件（40.25m叶片）和超重件（60.5t机舱或80t主变）的设备运输要求。[6]场外-4-道路利用现有道路与场内道路连接。道路的平面布置基本原则是保证行车安全、以满足重、大件设备运输要求的前提下，充分利用现有道路、田埂与地形地貌，做到工程量小、造价低、运行方便，并有利于施工和养护。平面线型由圆曲线和直线组成，圆曲线最小半径50m，圆曲线半径＜250m的路段设置超高和加宽，圆曲线和直线之间设超高加宽缓和段，超高加宽缓和段部分设在圆曲线外的直线段上，缓和段长度最小不小于10m。路线一般不设纵坡，局部路面高程变化及与现有道路连接段纵坡≯8%，纵坡变坡处采用圆曲线光滑连接，圆曲线半径≮20m。3.2场内道路纵断面设计场内道路横断面设计采用单幅的路幅形式，同时兼顾施工期间风机安装的大型施工设备的通行要求，公路行车道宽4.5m，两侧路肩宽分别为0.25m，在圆曲线路段，按规定加宽内侧路面；在直线路段采用双向横坡，由路中央向两侧倾斜，形成直线式路拱，行车道横坡为2%，路肩横坡为2%。曲线段圆曲线半径＜250m时，按规定设置超高，形成单一横坡，道路超高加值见表1。表1道路圆曲线加宽及超高值平曲线半径（m）道路内则路面加宽值（m）超高横坡i（%）507.04606.03705.0804.5904.01003.521103.51203.01303.01402.51502.5不设超高160～2502.0250不设加宽4设计优化由于本工程位于滨海滩涂区，风机位于虾池，海参养殖池中，地基浅层分布一层淤泥质粘土，地基条件也相对较差，地下水埋深浅，且没有防洪设施，场内道路和风机基础高程需满足防洪要求，而当地的土石方紧缺，需到50km以外购运；征地也相对比较困难，业主又要求尽可能的降低工程造价，并专门聘请了相关专家对方案进行设计咨询，使工程既安全又经济。为了最大限度的满足业主要求，进行了多方案的比较，充分结合现场滩涂的地质情况及风机基础的受力特点，对风机基础的结构，桩的布置进行了优化设计；道路设计也进行了两次优化论证，使设计方案更加经济合理，在满足工程结构安全条件的前提下，加快建设工期、节约工程造价。4.1风机基础设计优化1、由于本工程地区没有防洪设施，风机基础顶高程尚须满足防洪要求，但是由于当地的土石方紧缺，为了减少土土石方填筑，充分考虑了基础环预埋件的高度，降低风机基础的顶高程。2、由于风机基础是属于大偏心荷载结构，一般设计时都是充分考虑了基桩的抗压作用，-5-而抗拔承载力往往不属于控制工况，但由于本工程位于沿海滩涂上，地下水位较高，如果按常规设计势必造成基础承台的砼的方量较大，不够经济。考虑充分发挥基桩的抗拔作用，结合滩涂风电场的地质特点，降低了风机基础的承台高度，调整风机基础承台的砼方量，当高水位时，允许部分基桩承受拔力作用，从而节约工程造价。3、由于目前在风电的桩基的桩顶竖向力计算中还没有比较成熟的软件，我们采用了以有限元计算为原理的丰海程序进行计算，虽然其主要用于港口工程中，但我们采用其计算结果标准值再进行后处理的方法，以满足我们风电规范中的要求。通过丰海计算，单个基础内圈的桩顶竖向力比外圈的小20%左右，所以设计时将内圈的桩长减少，比外圈的桩短10%～20%，节约工程造价的同时，也加快了施工进度。4、由于风机基础位于海边滩涂地区，按规范要求需要采取可靠的、永久的防冲、防淘措施。如按规范建议采用铺土工膜加混凝土预制块或者铺土工膜加大块石和防淘墙，则明显成本较高，考虑本地区虽然属于海边滩涂，但是风机基础多位于虾池、海参养殖池中，水位变动不大，流速也比较缓，所以可以考虑相对比较经济的植草格梗护坡。4.2场内道路设计优化1、由于风电场内多为虾池、海参池，风机位置布置的也比较分散，其间有港汊纵横交错，各风机之间的连接比较困难，在满足施工期通车要求的同时，还要考虑运行期间的检修维护的使用，采用了用埋设跨河涵管的方法，把场区被港汊分割开的几个区域连成一片，缩短道路长度。2、由于场内征地困难，土石方也比较紧张，采用汽车吊的方案可以大大减小路面宽度。3、由于本工程地区没有防洪设施，路面如考虑防洪要求则会导致填方较高，考虑本工程的场内道路属于等外公路，仅做为风电场内使用，所以降低了道路高程，仅按五年一遇的防洪水位来考虑，不仅降低了工程造价，而且也利于业主的征地和协调工作。4、由于沿海的土石方比较紧张，可以结合当地筑路经验及路面结构设计。5结论在滩涂风电场的设计中，由于地质条件和地形地貌比较复杂，往往导致工程造价比较高，设计时应充分考虑现场情况，优化设计，节约投资，减少对周围环境的影响。本文以某沿海工程为实例，对滩涂风电场的风机基础和道路设计做了简单的介绍，希望能给类似的