肖剑 姚秀萍 牛清华 郑以微

(北京天润新能投资有限公司 100029)

引言

风力发电作为新能源行业重要的组成部分，近年来得到迅猛发展，年装机量持续大幅上升。风机基础是风电机组关键的支撑结构，其地位和作用尤为凸显。我国关于风机基础的专项设计经历诸多阶段，逐步发展总结经验，形成规范，并创新发展了多种基础形式。随着风电进入平价时代，控制风电场建设造价是降低度电成本的重要措施。风机基础规范经历十余年试用、使用，于近期开始实施，风机基础设计进入一个更为精细化、定制化的新阶段。

国内风电起步阶段，由于风机多为国外进口，风机基础图纸多采用厂家提供的标准图纸，设计单位缺乏自主性。随着近些年风力发电的快速发展，我国风机基础设计、分析水平也大幅提高[1]。2007年，中国水利水电规划设计院发布了《风电机组地基基础设计规范(试用)》(FD 003 2007)[2]，本文简称“旧规”。旧规统一了计算方法，提高自主设计能力，摆脱了基础设计套用国外规范的情况。旧规主要以矩形风机基础为切入点，结合其他规范进行深化、强化形成，推动了国内设计工作广泛展开，使基础设计有据可依，保证了各风电场项目快速推进，具有里程碑意义。

经过十几年风电产业快速发展，风电机组荷载、高度都已提高，基础设计经验愈加丰富，为适应迅猛发展的风电形势，贯彻执行国家行业政策，2020年国家能源局编制的《陆上风电工程风电机组基础设计规范》(NB/T 10311—2019)[3]发布实施，本文简称“新规”。新规增加了圆形基础形式及几种新型风机基础形式，明确了计算参照的方法原则，提高了规范系统性和适用性。

本文以实际项目为依托，采用重力扩展式基础作为分析对象，基于通用基础设计流程解读基础在新旧规范下条款、参数设定等方面的差异，并进行结果对比。

1 规范主要条款解读

1.1 基本规定

1.地基基础设计级别

根据建筑物地基基础设计等级及长期荷载作用下地基变形对上部结构的影响程度，地基基础设计采用相应的设计。新规范在地基基础设计级别界定做了新的划分，新旧规范差异见表1。

表1 基础设计级别Tab.1 Design level of the foundation

2.荷载安全修正系数

荷载修正安全系数取值是基础优化的关键因素，该值直接决定荷载设计值的大小，新旧规范在荷载安全修正系数规定方面存在差异。旧规5.0.7条:鉴于风电机组主要荷载风荷载的随机性较大，且不易模拟，在与地基承载力、基础稳定性有关的计算中，上部结构传至塔筒底部与基础交界面的荷载应采用经荷载修正安全系数(k0)修正后的荷载修正标准值。新规针对荷载修正系数未做具体规定，此项为基础设计影响敏感因素，较大程度降低了基础荷载设计值。

1.2 荷载及荷载效应组合

新规与旧规在基础设计验算主要方面基本保持一致，在具体荷载分项系数新规做了调整，主要差异见表2。

表2 主要荷载的分项系数Tab.2 Sub-factors of main loads

1.3 地基计算

旧规8.1.4条针对扩展基础和梁板基础满足基础设计的相关承载力、变形和稳定性要求外，还应满足脱开要求。新规6.1.3条针对脱开面积比做出了调整，见表3。允许脱开面积指标的修改，弱化了多遇地震产生的附加荷载对基础设计体型的影响。

表3 扩展基础、梁板基础基底允许脱开面积对比Tab.3 Comparison of allowable disengagement area of expanded foundation and beam-slab foundation

1.4 基础设计

1.构造规定

新规7.2.1条中规定了扩展基础半径R及总高度H的适宜范围，且明确基础边缘高度H1宜为扩展基础半径R的1/40～1/30，且不宜小于0.6m。旧规9.5.1条中规定，基础边缘高度H1宜为底宽或直径的1/20～1/15，且应不小于1.0m。基础边缘厚度的构造要求，对基础工程量影响较大。

2.底板内力计算

底板弯矩设计值是决定基础配筋的重要依据，计算基础底板内力时，可按均布荷载采用。底板弯矩值以及基底均布压力值在规范中均有对应公式，新规7.2.6条中规定均布荷载应取外悬挑2/3处的最大压力:

式中:P为荷载效应基本组合下圆形基础近似均布地基净反力(kPa)；N为荷载效应基本组合下作用在基础顶面的垂直荷载设计值(kN)；M为荷载效应基本组合下作用在基础底面的总弯矩设计值(kN·m)；A为基础底面实际受压区面积(m2)；I为基础底面惯性矩(m4)；R为基础底板半径(m)；r1为台柱半径(m)；Mdh为荷载效应基本组合下基础底板单位弧长弯矩设计值(kPa)。

旧规未明确计算基底内力时底板最大压力计算模型，一般采用《烟囱设计规范》(GB50051—2013)[4]，选取外悬挑板中点处为最大压力:

2 案例分析对比

2.1 基本信息

广西某山地48MW风电场工程项目，机组采用某厂家3MW机型，轮毂高度125m。基础主体混凝土强度C40，根据地勘报告基底地质为基岩，基础选用重力圆形扩展基础。机型荷载信息如表4所示。

表4 机型荷载信息Tab.4 Model load information

2.2 地基承载力验算

根据荷载信息，采用相应分项系数分别进行该项目地基承载力、沉降、稳定性等方面的验算，结合规范构造及相关要求得到基础体型，见表5。

表5 基础体型对比Tab.5 Basic body type comparison

2.3 基础设计

根据规范分别进行各工况下的基础相关设计内容验算，如抗弯、抗剪、稳定分析、混凝土裂缝、疲劳强度验算等。其中基础抗弯验算在新规中给出了明确公式，参照对应规范中公式进行该项目的底板截面抗弯计算，按结构构造要求进行钢筋配置。计算结果见表6。

表6 抗弯钢筋配置Tab.6 Flexural reinforcement configuration

2.4 工程量对比

重力扩展基础在新旧规范计算方法下，工程量差异明显。通过主要条款的对比分析，项目工程量明显降低，混凝土用量及钢筋重量对比具体差值见表7。

表7 工程量差异对比Tab.7 Comparison of project quantity difference

3 结语

通过新旧规范对项目实际对比分析得出，新规范中基础荷载修正系数的取消、边缘高度的降低、脱开面积的控制指标的改变是基础工程量体型影响的敏感因素。新规范的发布实施有效降低了风机基础工程量，使基础优化工作有据可依。新旧规范在具体条款规定以及内容涵盖方面存在诸多差异，本文不一一列举，设计单位需根据具体项目情况分析判断综合使用。