楊丹萍，于 瑩，尹鐘霄

（吉林建筑科技學(xué)院 土木工程學(xué)院，吉林 長春 130114）

中國地域遼闊，自然資源豐富，風(fēng)能的有效開發(fā)及利用具有良好的社會前景。我國風(fēng)能開發(fā)利用較晚，但發(fā)展迅猛。風(fēng)電發(fā)展“十三五” 規(guī)劃指出，風(fēng)電已在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，截止至2020 年底，風(fēng)電累計并網(wǎng)裝機容量確保達(dá)到2.1 億KW 以上，其中海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機容量達(dá)到500 萬KW 以上；風(fēng)電年發(fā)電量確保達(dá)到4200 億KW 時，約占全國總發(fā)電量的 6%。近年來，大量學(xué)者和企業(yè)投入到風(fēng)能的開發(fā)中來，陸地風(fēng)電以及海上風(fēng)電技術(shù)的不斷發(fā)展也對風(fēng)電基礎(chǔ)提出了更高的要求。選取合適的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，并將結(jié)構(gòu)體系做到布置合理、傳力明確，需要加強的地方重點處理，次要的構(gòu)件避免浪費，風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)做到 “體系優(yōu)化”，而不僅僅拘泥于 “構(gòu)件” 這個層面。

1 風(fēng)電基礎(chǔ)概述

風(fēng)電基礎(chǔ)是風(fēng)力發(fā)電塔的重要結(jié)構(gòu)部分，不僅需要承受全部的上部荷載以及作用，還需要其在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的情況下進(jìn)行傳遞。與此同時，其穩(wěn)定性也是整體結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要考慮的關(guān)鍵點，使其最大化的發(fā)揮其力學(xué)性能、有效的控制工程成本、提高施工的便捷性等方面具有很好的前景。我國風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計的歷程大致可以分為三個階段：基礎(chǔ)開發(fā)階段、設(shè)計學(xué)習(xí)階段、創(chuàng)新設(shè)計階段。第一階段（2003年以前），截止2003 年，我國具備小型風(fēng)電基礎(chǔ)的開發(fā)能力，在此之前我國風(fēng)電基礎(chǔ)研究處于萌芽階段，清潔能源、節(jié)能減排未受到重視，風(fēng)電場規(guī)模較小，風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計多由建筑設(shè)計院完成，沒有相應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范；第二階段（2003 年～2007 年），我國引入大型風(fēng)電基礎(chǔ)，并開始嘗試設(shè)計開發(fā)，隨著國家對風(fēng)電行業(yè)的重視，風(fēng)電基礎(chǔ)的研究也得到了快速發(fā)展，我國2005 年開始了風(fēng)電基礎(chǔ)規(guī)范的制定工作，并于2007 年發(fā)布。與此同時，相關(guān)的設(shè)計軟件也投入使用；第三階段（2007～至今），我國已經(jīng)具備大型基礎(chǔ)設(shè)計能力，并開始創(chuàng)新型風(fēng)電基礎(chǔ)的設(shè)計研究[1]。

2 風(fēng)電基礎(chǔ)的主要形式

2.1 陸上風(fēng)電基礎(chǔ)

我國陸上風(fēng)電基礎(chǔ)形式主要包括擴展基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、巖石錨桿基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力墩式基礎(chǔ)、梁板基礎(chǔ) 。其中擴展基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、巖石錨桿基礎(chǔ)應(yīng)用較多。

擴展基礎(chǔ)又稱為重力式擴展基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)形式是陸上風(fēng)電基礎(chǔ)的常見形式，其通過將基礎(chǔ)面積進(jìn)行擴展，使上部荷載和作用得到一定的擴散，從而滿足設(shè)計要求 。它具有良好的抗彎與抗剪性能，施工過程中不需要大開挖，結(jié)構(gòu)的整體性好，力學(xué)模型建立簡單且收斂性好，使用過程中安全可靠，適用范圍廣。但是，其基礎(chǔ)工程量較大，增加了工程造價，且對于土層要求較高，地基軟硬不均以及土質(zhì)較差的情況并不適用。

樁基礎(chǔ)通常采用灌注樁和預(yù)應(yīng)力混凝土樁，該基礎(chǔ)形式主要適用于地基軟硬不均以及土質(zhì)較差的情況。這種情況下上部結(jié)構(gòu)對變形的要求不能被滿足，通常會采用此基礎(chǔ)形式。該基礎(chǔ)形式具有承載力以及穩(wěn)定性好，基礎(chǔ)不均勻沉降小，抗震性以及抗爆性好，能適應(yīng)不良地質(zhì)災(zāi)害以及周邊的荷載變化等優(yōu)點。但是樁基礎(chǔ)在工程成本方面造價較高，其施工也較為復(fù)雜，并且在設(shè)計方面計算難度大。郭文文等[2]采用ABAQUS 有限元軟件進(jìn)行單樁基礎(chǔ)、圓盤式混合單樁基礎(chǔ)以及重力式圓盤基礎(chǔ)的模擬，模擬采用真實的環(huán)境設(shè)定，考慮土體與樁體的相互影響以及土體自身的彈塑性性能，并對其進(jìn)行承載力、剛度以及強度驗算。模擬研究表明采用圓盤式混合單樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性及其各項承載能力都顯著提高。

巖石基礎(chǔ)包括巖石錨桿基礎(chǔ)和樁錨桿基礎(chǔ)，常用于大兆瓦風(fēng)機類型（大于1500KW），巖石層整體性較好的情況。當(dāng)巖石層分布不均勻時，不可采用此基礎(chǔ)類型。樁錨桿基礎(chǔ)可適用于地質(zhì)條件惡劣。例如，灘涂、淤泥層等地質(zhì)條件，但是當(dāng)土層塌陷性較大時會對樁成孔造成影響，需要進(jìn)一步技術(shù)處理。馬逸鵠等[3]提出了一種新型預(yù)應(yīng)力自鎖頭錨桿，通過自鎖頭和巖石間壓緊摩擦錨固，并通過施加預(yù)應(yīng)力減小錨桿的疲勞應(yīng)力幅，其可代替?zhèn)鹘y(tǒng)巖石錨桿用作基礎(chǔ)和巖石間的錨固。通過4 組疲勞試驗和靜力試驗分析表明，其抗疲勞性能以及極限抗拔承載力顯著提高，可安全可靠的應(yīng)用于工程中 。Salcher 等[4]針對悉尼地鐵西北隧道工程進(jìn)行了巖石錨桿和錨索錨桿在砂巖和頁巖中的拉拔試驗研究，研究采用端錨防腐蝕鋼螺栓，樹脂灌漿纖維增強塑料螺栓，水泥灌漿錨桿和摩擦錨桿進(jìn)行試驗，探討錨桿類型、注漿劑、巖性、錨桿材料和鉆孔直徑對其抗拉拔性能的影響，并針對于施工過程中的問題，例如灌漿部分密封，樹脂混合不足等提出了建議。

2.2 海上風(fēng)電基礎(chǔ)

海上風(fēng)電的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式主要包重力式基礎(chǔ)、三角架基礎(chǔ)、單樁基礎(chǔ)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)、筒型基礎(chǔ)、浮式基礎(chǔ)，最常用的形式為單樁基礎(chǔ)以及重力式基礎(chǔ)[5]。重力式基礎(chǔ)多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其設(shè)計簡單，穩(wěn)定性及可靠性好，但是體積較大，造價較高且抗腐蝕性差。通常適用于海水深度低于十米的土質(zhì)較硬的淺海。單樁基礎(chǔ)通常是將一根鋼樁打入一定深度的海底，適用于深度不超過30m 的海域。其具有造價低的優(yōu)點，雖然單樁成本較低，但是隨著時間的增長，海水的腐蝕性會對其結(jié)構(gòu)造成很大影響，特別是處于海底地震帶時，結(jié)構(gòu)容易有倒塌風(fēng)險。海上風(fēng)電基礎(chǔ)的受力非常復(fù)雜，在承受上部結(jié)構(gòu)傳遞的靜力荷載的同時，還要承受動荷載和偶然荷載的作用，在選型時，海水深度、海床及地質(zhì)條件等是考量的關(guān)鍵。Byrne 等[6]針對于海上風(fēng)電基礎(chǔ)的設(shè)計方法以及計算模型進(jìn)行了研究，由于荷載由風(fēng)荷載和波浪荷載組成，具有周期性。傳統(tǒng)的計算模型基于塑性理論，其二維加載以及單調(diào)加載兩方面仍然具有限制性，將傳統(tǒng)模型進(jìn)行調(diào)整，得到符合結(jié)構(gòu)構(gòu)件和環(huán)境條件的計算模型。

3 風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計

3.1 風(fēng)電基礎(chǔ)計算方法

目前根據(jù)風(fēng)電基礎(chǔ)的特點，其在計算時主要考慮荷載工況、結(jié)構(gòu)動力及靜力、結(jié)構(gòu)沖刷及腐蝕等因素的影響。荷載工況主要包含風(fēng)機荷載和環(huán)境荷載，風(fēng)機荷載由葉輪靜風(fēng)壓荷載、湍流荷載、尾流荷載、發(fā)電機偏引荷載和機組重力荷載等[7]組成，此部分目前由生產(chǎn)廠家提供數(shù)據(jù)。環(huán)境荷載通常在海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計時考慮，由波浪力產(chǎn)生的荷載以及海流力產(chǎn)生的荷載兩部組成。風(fēng)電基礎(chǔ)的計算主要包括靜力計算以及動力計算兩部分，結(jié)構(gòu)靜力分析需要進(jìn)行基礎(chǔ)承載力、強度、變形以及穩(wěn)定性的計算；結(jié)構(gòu)動力部分計算包括模態(tài)分析及疲勞分析等，主要考慮風(fēng)荷載的動態(tài)特征。趙儉斌等[8]針對于風(fēng)電基礎(chǔ)疲勞損傷的計算方法進(jìn)行了分析比較，并以海上單樁風(fēng)機基礎(chǔ)為例進(jìn)行疲勞分析，運用全時域動力分析模型以及頻域疲勞損傷計算流程分析了阻尼比取值、風(fēng)與波浪聯(lián)合作用、應(yīng)力幅概率分布模型對基礎(chǔ)疲勞損傷的影響。遲洪明等[9]利用三維有限元計算方法進(jìn)行了風(fēng)電基礎(chǔ)受力狀態(tài)分析，并結(jié)合計算結(jié)果及已有破壞形態(tài)資料，分析得出其應(yīng)力集中區(qū)域并對其采取有效的加固措施。王其標(biāo)等[10]利用流函數(shù)波浪理論對近海風(fēng)電樁基礎(chǔ)進(jìn)行了分析，通過Morison 方程與P-y 曲線法對不同水深情況下的水平向受力性能進(jìn)行研究，分析風(fēng)電基礎(chǔ)的受力特點及變形規(guī)律。研究表明水深對樁基的承載力有直接影響，波浪計算模型的準(zhǔn)確有利于設(shè)計前期波浪力的有效估算，Morison 方程主要考慮了波浪作用，而對于海流與波浪的耦合作用需要進(jìn)一步分析。

3.2 風(fēng)電基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計

風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計主要包括基礎(chǔ)體型設(shè)計、承臺設(shè)計、樁基設(shè)計等方面?！敖Y(jié)構(gòu)優(yōu)化” 指的是在安全、合理的結(jié)構(gòu)形式下使結(jié)構(gòu)做到最經(jīng)濟，而不是只要把鋼筋混凝土用量降下來就算是優(yōu)化。在基礎(chǔ)體型設(shè)計時，根據(jù)風(fēng)電基礎(chǔ)的荷載特性，通常采用中心對稱的圓形基礎(chǔ)。承臺設(shè)計需要考慮其半徑、埋深、厚度、配筋等影響因素，優(yōu)化承臺設(shè)計可有效減少工程量，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少工程造價。練繼建等[11]提出了一種應(yīng)用于海上風(fēng)電系統(tǒng)的新型牽索錨固式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)具有可適用于不同水深環(huán)境、結(jié)構(gòu)簡單、剛度可調(diào)整等優(yōu)點。采用正常運行工況以及極端風(fēng)況兩種工況進(jìn)行研究，并以某工程為例，運用單因素分析的方法得出索纜根數(shù)、索纜牽拉位置、索纜夾角等參數(shù)對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響。王剛等[12]對基礎(chǔ)的抗冰設(shè)計進(jìn)行了研究分析，寒區(qū)海上風(fēng)電基礎(chǔ)處于結(jié)冰海域時，面臨諸多不確定因素，基于設(shè)計合理性驗證監(jiān)測要素分析，建立了海上風(fēng)電基礎(chǔ)加錐抗冰分析現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)。通過在我國北黃海某風(fēng)電場的工程應(yīng)用，確定了海冰與風(fēng)電基礎(chǔ)錐體結(jié)構(gòu)作用破碎行為，驗證了結(jié)構(gòu)抗冰性能與抗冰設(shè)計合理性。

4 結(jié)語

（1）目前，全世界對于能源的保護(hù)意識不斷增強，清潔能源的推廣和應(yīng)用已成為一種必然的趨勢。風(fēng)力發(fā)電作為可再生能源，是最具競爭力的能源之一，基于我國風(fēng)電場建設(shè)的迅速發(fā)展，新型風(fēng)電基礎(chǔ)的研究具有很好的研究與應(yīng)用前景。

（2）風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮其影響因素。海上風(fēng)電基礎(chǔ)設(shè)計時，由于海水的腐蝕，還需要對結(jié)構(gòu)的受腐蝕情況、海上土質(zhì)的復(fù)雜性與含鹽量對基礎(chǔ)的作用以及海上風(fēng)振對基礎(chǔ)的影響進(jìn)行考慮。