摘要：近年来，能源危机、环境污染和温室效应问题日益加剧，绿色清洁能源的开发和利用逐渐得到人们的重视，促进了风电技术的迅速发展。文章对目前常见的重力式扩展基础、桩基础、岩石锚杆基础、梁板式基础和沉筒无张力基础的结构形式和施工工艺进行了介绍，并比较了其适用条件和优缺点，为合理的选择陆上风电基础结构提供了参考。
关键词：风能；基础形式；稳定性
能源危机、环境污染和温室效应正在逐渐变成全球性问题，人们需要寻求新能源以应对气候变化和传统能源短缺危机[1]。风能是一种清洁、资源丰富、不产生温室气体的自然可再生能，在当前情况下，风能已成为全球能源开发利用的一大热点[2]。根据全球风能理事会（GWEC）《2014全球风电装机统计数据》，2014年全球新增风电装机容量首次超过5000万千瓦，达到5148万千瓦，累计装机容量达到3.70亿千瓦（36955.3万千瓦）。2014年中国新增装机容量达到2335万千瓦，约占世界风电新增总装机容量的45.2%，累计装机容量达到1.15亿千瓦，约占世界风电累计装机容量的31%。由于中国的强劲表现，亚洲也成为全球装机最多的区域，年新增装机容量2616万千瓦。
现如今，陆地风电场正属于快速建设时期，根据国内的研究和工程实例结果表明，风电场的成本构成中，风电机组是重中之重，其次是塔筒和基础的费用，约占风电场总成本的20%，所占成本比例较大，在保证风机基础安全性的同时，应最大限度的减少基础开挖量、混凝土与钢筋用量等，以达到节约造价的目的，因此，选择合理的陆上风电基础结构显得尤为重要。
我国幅员辽阔，地形多变，地质条件复杂，因此在不同地质条件下选择合适的基础形式尤为重要。目前，我国陆上风电基础形式主要有以下几种：重力式扩展基础、桩基础、岩石锚杆基础、梁板式基础和沉筒无张力基础等。但风电基础形式并不单一固定，在特定情况下也可以采取一种或多种基础形式结合以提高基础承载特性，降低投资成本。
1 陆地风机基础形式
风电机组基础承受360°方向重复荷载且大偏心受力，目前风机基础的设计方式是把极限荷载即最大受力情况运用到基础各个方向，所以设计出的基础一般为轴对称或中心对称形式。
1.1重力式扩展基础
重力式扩展基础是最常用的一种基础，靠结构本身及其上填料或压载的重量抵抗外力，承担作用于基础上部的轴向力和弯矩，维持建筑物的抗滑稳定和抗倾稳定。基础底面形状常见的由圆形、矩形和六边形等多种式样，基础尺寸一般非常大，直径范围为12 m~18 m，埋深为2.5 m~3.5 m。
重力式扩展基础在施工时首先应进行施工基面的开挖和场地的平整。其次进行垫层浇筑，垫层浇筑前或浇筑期间需安装好预埋件，浇筑时及时振捣以防止气泡产生。随后进行基础环吊装，基础环要吊平，便于支撑柱安装、装好后进行支撑的焊接，绑扎钢筋、预埋电缆管、支模、最后进行混凝土浇筑和养护。
1.2桩基础
桩基础由基桩和连接于桩顶的承台共同组成，按施工工艺分为混凝土预制桩和混凝土灌注桩，按桩的性状和竖向受力情况分为摩擦桩和端承桩。其中，摩擦桩桩顶的竖向荷载由桩侧阻力承担，端承桩的竖向荷载主要由桩端阻力承担[3]。
桩基础通常在天然地基上的基础沉降量过大时和地基承载力不满足时采用，可用于地基不允许发生不均匀沉降的高层或多层建筑物及工业型建筑物和高耸类建筑物中，以防止建筑结构发生倾斜，也可用于一些大型的、精密性高的设备基础中减小设备基础的震幅，以达到保护结构目的。但桩基础工程量较大，造价较高、施工工期长、难度较大，施工过程中打桩工艺复杂，不易保证基础安全性。
在桩基础进行设计时，应结合地区经验考虑桩、土、承台的共同作用，计算桩顶反力、桩基础沉降和水平位移，复核基桩抗压承载力、水平承载力和抗拔承载力是否满足要求，并对承台台柱和灌注桩进行配筋计算，根据裂缝宽度验算结构和有关构造要求，进行配筋布置。
混凝土预制桩在进行施工前，首先要进行预制桩的制作。预制桩在制作时首先需将现场地面平整，清扫干净并夯实地面，在地面上铺设底膜和侧膜并在侧膜中间位置安装上一根预制桩后进行浇筑，完成后拆除侧膜。
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1.3岩石锚杆基础
岩石锚杆基础是以混凝土和锚杆灌注于钻凿成型的岩孔内的基础，依靠锚固体与岩层之间的粘结力传递结构物的拉力以保持基础及岩土体的稳定，有抗浮、抗倾倒、抗震、加固地基等特点。工程实践表明，岩石锚杆基础是一种经济而可靠的基础形式[4]。
岩石锚杆基础适用于埋深较浅、岩石完整性高、裂隙少的基岩，由于锚杆埋深较浅，减少了混凝土和钢筋用量，对降低成本有利。但锚杆施工工艺复杂，不确定因素较多，施工工期长，施工条件复杂，目前应用不太广泛。
在岩石锚杆基础设计中，验算单根锚杆的抗拔承载力以及满足《风电机组地基基础设计规定》中其他对基础的要求。
岩石锚杆基础在施工前首先需要对施工基面进行开挖和场地平整，按设计要求清理施工基面，铲除覆盖层，使岩石完全暴露出来并及时清理危石，以保证一个平整的施工场地，其次按照基础平面布置图进行基础放线和定位，然后钻机组装和对位、钻孔和清孔，最后进行锚杆插入和混凝土浇筑和养护。
1.4梁板式基础
梁板式基础是由基础台柱、底板、径向梁及环梁组成，根据肋梁的设置分为单向肋和双向肋两种型式。梁板式基础主要通过基础环将风机上部荷载传递到基础的径向梁、环梁上，径向梁、环梁共同受力承担绝大部分荷载，是主要的受力部件。
梁板式基础设计时需要对地基承载力、局部受压承载力进行验算。梁板式基础适用于变形能力较差的地区。与传统的重力式基础比较，梁板式基础所用混凝土和钢筋量较少。但梁板式基础受地基梁板布置的影响，基础刚度变化不均匀，在荷载较大时易导致受力配筋突变，受力比较复杂，同时梁板式基础占地面积大，对基坑养护回填的要求较高，施工难度较大。
梁板式基础施工工艺与重力式扩展基础基本相同，但在支模、混凝土浇筑两方面施工要求比重力式扩展基础高。由于梁板式基础的径向梁与环梁相交且径向梁与基础台柱相交，因此会产生多个弧形，另外由于径向梁之间是空的会造成模板数量会大幅增加，模板面积变小。由于梯形坡面较多，浇筑混凝土时对混凝土塌落度以及施工人员振捣要求都有所提高。
1.5沉筒无张力基础
沉筒无张力基础，是一种由混凝土筒体和高强度预应力螺栓组成的空心混凝土结构，通常埋设深度在6~10m，筒体内外为波纹钢桶，桶厚约500mm。风机塔筒和基础筒体由高强度的预应力螺栓自锁系统连接，通过筒形基础周围较大的基础表面积和周围土体的侧摩阻力承担抗拔和抗压。
沉筒无张力基础应用广泛，适用于砂土、粉土、极软土等极端恶劣地质条件，尤其适用于湿陷性黄土地区。与重力式扩展基础相比，沉筒无张力基础混凝土和钢筋用量较少，开挖量减少，具有较好的经济效益。但由于对沉筒无张力基础的研究尚有欠缺，而引用国外进口的波纹钢筒造价较高，所以在国内风电场的应用并不广泛。
沉筒无张力基础在施工时首先进行基坑开挖和清理，将波纹钢筒置于挖好的基坑内，波纹钢筒相当于外模板，需用素混凝土回填基坑的超挖部分。高强预应力锚栓直接与塔筒下法兰连接。内筒相当于基础的内模板，用素土回填基础中心，以保证基础的刚度。内筒与外筒距离一般为500 mm即钢筋混凝土基础主体厚为500 mm，最后预埋电缆套管和接地装置并混凝土浇筑。
2 结语
风机基础的稳定是保证风机机组安全稳定运行的前提，因此，根据不同的地质条件合理的选择风机基础尤为重要。文章通过对几种常见的陆地风机基础形式和其相应施工工艺的介绍，以及其适用条件和优缺点的比较，对以后工程应用中合理的风机基础的选用提供了参考。
参考文献：
[1]张玉卓，蒋文化，俞珠峰，等.世界能源发展趋势及对我国能源革命的启示[J].中国工程科学，2015，17（9）：140-145.
[2]水电水利规划设计总院风电机组地基基础设计规定[M]．北京：中国水利水电出版社，2007．
[3]张文勇.岩石锚杆基础在风电基础工程中的应用与研究[D].湖南：湖南科技大学，2015.
论文作者:王超慧,刘学洋
论文发表刊物:《基层建设》2017年第23期
论文发表时间:2017/11/21
标签：基础论文; 混凝土论文; 风电论文; 岩石论文; 风机论文; 重力论文; 板式论文; 《基层建设》2017年第23期论文;