2019/01/21 
5958摘要：近年來，全球范圍內(nèi)的風(fēng)能開發(fā)獲得了大規(guī)模的發(fā)展，我國雖然風(fēng)能資源豐富，利用潛力巨大，但只是最近幾年在陸上風(fēng)力發(fā)電方面取得一定的發(fā)展，海上的風(fēng)力發(fā)電方面還只是剛剛起步。制約我國風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)因素有很多，其中風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)就是其中一項(xiàng)重要的原因。為促進(jìn)我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)健康、快速發(fā)展，本文對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)展開研究，通過總結(jié)分析現(xiàn)有風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式，提出了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中幾個(gè)關(guān)鍵問題，包括荷載的計(jì)算不明確、風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)域基礎(chǔ)的相互影響、設(shè)計(jì)方法的規(guī)劃化、基礎(chǔ)合理選型以及海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)安裝復(fù)雜等。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)涉及大量需要攻克的難題，這些問題的解決將打通制約風(fēng)電發(fā)展的瓶頸。
1 前言
隨著全球煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源的日趨枯竭，能源供應(yīng)安全和環(huán)境保護(hù)的壓力，迫使人們開始關(guān)注可再生能源，作為清潔、可再生的風(fēng)能開發(fā)利用收到高度關(guān)注。風(fēng)能具有節(jié)約資源、防止環(huán)境污染、可再生、具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展?jié)摿Φ葍?yōu)點(diǎn)。國外像荷蘭、英國、丹麥等國家的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)起步較早，發(fā)展較快。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國風(fēng)能資源總儲(chǔ)量為42.65億千瓦時(shí)，技術(shù)可開發(fā)量為2.98億千瓦時(shí)。
然而，守著巨大的風(fēng)能利用潛力，我國的能源資源利用起步卻非常晚，只在近幾年通過借鑒和引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)，才得到了一定程度的發(fā)展。其中風(fēng)力發(fā)電的開發(fā)利用主要包括陸上和海上兩大塊，目前，我國主要開發(fā)的是陸上風(fēng)電場，海上風(fēng)電開發(fā)提上日程的時(shí)間尚不久；國外的風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率已經(jīng)從最初的0.5MW到現(xiàn)在的5MW，且正在規(guī)劃功率更大的下一代風(fēng)力機(jī)，如此大的風(fēng)機(jī)對基礎(chǔ)提出了很高的要求。
基礎(chǔ)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的固定端，與塔筒一起將風(fēng)機(jī)豎立在60~100米的高空，是保證風(fēng)機(jī)正常發(fā)電的重要組成部分。在設(shè)計(jì)上，風(fēng)機(jī)應(yīng)歸屬高聳結(jié)構(gòu)，對于一般高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，采用的是簡潔的結(jié)構(gòu)形式，以盡量減少風(fēng)荷載，但是風(fēng)機(jī)的動(dòng)力來源主要是風(fēng)，要正常發(fā)電就要捕獲足夠的風(fēng)力，這就使得基礎(chǔ)不可避免要承受巨大的水平荷載，較之傳統(tǒng)的高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大的差別，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮地質(zhì)情況、風(fēng)向影響。另外，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)也是造成風(fēng)力發(fā)電成本高的主要因素之一，基礎(chǔ)的成本約占總成本的10%~30%。探討基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題、提出合理的基礎(chǔ)形式具有重要的理論意義和工程價(jià)值。
2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的幾種形式
隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的日益成熟，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)也得到長足的發(fā)展。陸上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)形式主要有重力式基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)；海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)形式主要包括重力式基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、角架基礎(chǔ)、浮動(dòng)式基礎(chǔ)以及吸力式沉箱基礎(chǔ)。
2.1 重力式基礎(chǔ)
重力式基礎(chǔ)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，靠重力來平衡風(fēng)機(jī)上的水平荷載和彎矩。這種結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，但尺寸和重量較大，多在陸上風(fēng)電場使用，有方形、圓形、圓環(huán)形和八邊形。
重力式基礎(chǔ)也可用于海上風(fēng)電場，但基礎(chǔ)的質(zhì)量會(huì)隨著水深的增加，從而增加建造成本，尤其是水深小于10米的海域，實(shí)踐證明與其他基礎(chǔ)形式相比，重力式基礎(chǔ)在20米以內(nèi)的海域使用在經(jīng)濟(jì)上是有優(yōu)勢的，對于超過20米的深海域，則需采用其他形式的基礎(chǔ)。
設(shè)計(jì)上，重力式基礎(chǔ)需進(jìn)行地基反力計(jì)算、地基承載力復(fù)核、軟弱下臥層驗(yàn)算、沉降和傾斜變形驗(yàn)算、抗傾覆驗(yàn)算、抗滑驗(yàn)算以及基礎(chǔ)板結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算。除此之外，還需要考慮瞬間荷載作用下的傾覆力矩和基礎(chǔ)的剛度。
2.2 樁基礎(chǔ)
樁基礎(chǔ)分為單樁基礎(chǔ)和多樁基礎(chǔ)?；炷羻螛痘A(chǔ)由一個(gè)大直徑混凝土圓柱組成，受力類似于水平樁；多樁基礎(chǔ)則由群樁和承臺(tái)共同抵抗傾覆力矩。
樁基礎(chǔ)具有承載力高、穩(wěn)定性好、沉降量小而均勻、沉陷速率低且收斂快等特性。由于風(fēng)電場的場址多位于荒灘、丘嶺、沿海灘涂和近海區(qū)域，地質(zhì)條件較差，因此樁基礎(chǔ)應(yīng)用較廣泛。
值得一提的是海上樁基礎(chǔ)通常采用單樁固定式。其直徑比陸地上的要大，通常達(dá)到4米，未來可能達(dá)到6米。這種基礎(chǔ)的最大優(yōu)點(diǎn)是能明確定義風(fēng)浪流形以及海冰成的荷載，而且形式簡單，適合于20~25米的海域，在國外已成為風(fēng)電機(jī)組安裝的一種標(biāo)準(zhǔn)方案。
2.3 角架基礎(chǔ)
腳架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是由石油工業(yè)中采油平臺(tái)塔架發(fā)展來的，由圓柱鋼管構(gòu)成，可設(shè)計(jì)成三腿、四腿、三腿加中心樁和四腿加中心樁結(jié)構(gòu)。適用于水深在30米以上的海域。由于其可以借鑒采油平臺(tái)基礎(chǔ)的成熟技術(shù)，因此在實(shí)際工程中也有應(yīng)用，如我國東海大橋海上風(fēng)電場采用的就是四腳架組合式基礎(chǔ)。
2.4 浮動(dòng)式基礎(chǔ)
浮動(dòng)式基礎(chǔ)是通過錨固系統(tǒng)鎖住用來固定風(fēng)機(jī)塔筒的盒式箱體，使其漂浮在海面上，其適用于50~100米的水深，且對地質(zhì)條件沒有任何要求，但其穩(wěn)定性差，且平臺(tái)與錨固系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定難度。 因此，該基礎(chǔ)除英國的Blue H 公司研制出了世界進(jìn)行了一臺(tái)樣機(jī)試驗(yàn)安裝外，還未采用過，但其在深海風(fēng)電基礎(chǔ)上具有重要的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。
2.5 吸力式沉箱基礎(chǔ)
吸力式沉箱基礎(chǔ)是一種新的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)概念，主要分為單柱和多柱吸力式沉箱基礎(chǔ)。所謂吸力是指用來安裝沉箱時(shí)的方法，即將其放置在海床上之后，抽空內(nèi)部的海水，靠周圍海水所產(chǎn)生壓力將其固定在海床上，適用于砂性土及軟黏土。
3 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題
風(fēng)機(jī)同時(shí)承受水平荷載和垂直荷載，且水平荷載一般遠(yuǎn)大于垂直荷載，對基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提出了特殊的要求，尤其是海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。因此，在對上述不同類型基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要把握其中的關(guān)鍵問題。
3.1 荷載的計(jì)算
風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是用來支撐風(fēng)機(jī)機(jī)組的，所承受的荷載主要來自葉片和塔筒上的風(fēng)載、風(fēng)機(jī)機(jī)組自重以及運(yùn)行荷載，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)則還包括波浪、洋流、潮流以及意外撞船引起的荷載。其中的風(fēng)載和波浪載荷是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，風(fēng)載具有不均勻性和不確定性，通常采用頻域分析法、時(shí)域分析法、風(fēng)洞試驗(yàn)法和數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)進(jìn)行研究。波浪載荷的分析方法主要有特征波法、概率分布法、譜分析法和波浪模擬法四類。
3.2 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的相互影響分析
風(fēng)機(jī)－塔架—基礎(chǔ)—地基是一個(gè)相互作用的動(dòng)力系統(tǒng)，對于這樣一個(gè)高度耦合的動(dòng)力系統(tǒng)，應(yīng)進(jìn)行模型動(dòng)力分析，因此在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)和基礎(chǔ)對上部結(jié)構(gòu)的相互影響。包括分析了風(fēng)機(jī)上部結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)對基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的影響；風(fēng)機(jī)因緊急停機(jī)、變漿等突變荷載作用下，導(dǎo)致重力式基礎(chǔ)下覆土層出現(xiàn)液化的可能性；樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)對風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)自然頻率的敏感性。
因此，考慮風(fēng)機(jī)－塔架—基礎(chǔ)—地基之間的相互影響是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)區(qū)別于常規(guī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在，同時(shí)也是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。
3.3 設(shè)計(jì)方法的規(guī)范化
風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)作為一種工程結(jié)構(gòu)，與其他建筑結(jié)構(gòu)一樣，其設(shè)計(jì)計(jì)算方法需為一批工程技術(shù)人員所掌握，只有這樣方能推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這就需要對在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中遇到的各種問題加以分析、歸納、總結(jié)，并最終形成規(guī)范。如我國頒布的《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》，不過該規(guī)范還處于試行階段，存在很多需要完善的地方，而且主要應(yīng)用于陸上風(fēng)電場的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。
實(shí)際上，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所涉及的計(jì)算除一般基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性外，還存在動(dòng)力分析計(jì)算。
3.4 基礎(chǔ)的選型
基礎(chǔ)的選型主要包括基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)合理和施工快速便捷兩方面的內(nèi)容。要從眾多基礎(chǔ)類型中挑選出適合項(xiàng)目實(shí)際情況的合理基礎(chǔ)形式，需要對基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論和方法有深入的研究，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；而要選出施工快速便捷的基礎(chǔ)形式，則需要從施工工藝、施工方法和施工建材等多方面進(jìn)行綜合考慮。
在選經(jīng)濟(jì)型基礎(chǔ)方面，如圓形與方形重力式基礎(chǔ)的比較，在小偏心受力情況下，假定兩者承受的荷載相同，則圓形基礎(chǔ)比方形基礎(chǔ)的混凝土量要??；然而，在大偏心受力情況下則相反，方形基礎(chǔ)比圓形基礎(chǔ)的混凝土量要省。
要實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)經(jīng)濟(jì)合理、施工快捷，還有一種手段就是開發(fā)設(shè)計(jì)出新型組合式基礎(chǔ)。如巖石錨固定式基礎(chǔ)是一種介于重力式基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)之間的新型基礎(chǔ)形式，通過引入錨索，將基礎(chǔ)底板固定至深層巖石上，消除了重力基礎(chǔ)配量的要求，并且當(dāng)錨索承載能力足夠大時(shí)，可以大大減小基礎(chǔ)尺寸。
3.5 海上風(fēng)電基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)安裝
與陸上風(fēng)電場相比，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，需要考慮的因素主要包括：海底土壤和海床，水深，環(huán)境載荷，建設(shè)方法，安裝，成本及動(dòng)力特性要求等。海上風(fēng)機(jī)處于海洋環(huán)境中，具有海洋結(jié)構(gòu)工程特性；海床的地質(zhì)情況一般比陸地要差，對基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不利；海上的動(dòng)荷載過多，而且均存在不確定性，因此具有更多的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和非線性響應(yīng)?？傊?，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)涉及海洋工程學(xué)、基礎(chǔ)工程學(xué)、動(dòng)力學(xué)和土力學(xué)等多學(xué)科的知識(shí)，為一個(gè)學(xué)科交叉領(lǐng)域。
除設(shè)計(jì)外，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的安裝也非常復(fù)雜，這一點(diǎn)從成本上即可看出：陸上風(fēng)電工程的單位千瓦約1萬元左右，而近海風(fēng)電場的平均單位千瓦投資成本超過2萬元，為陸上風(fēng)電場的兩倍之多。
4 結(jié)論
風(fēng)能開發(fā)是未來能源發(fā)展的重要方向之一，近十幾年來，雖然全球建立不少陸上和海上風(fēng)電場，但依然存在不少的工程技術(shù)問題，其中的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)就是問題之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的安全穩(wěn)定是保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組安全運(yùn)行的前提。
風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)過程需要兼顧各方面參數(shù)，明確荷載情況，進(jìn)而對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方面的力學(xué)性能分析，并對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，此外還要考慮具體的施工工藝。
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