深厚湿陷性黄土地区风机基础优化设计查看源代码讨论查看历史

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深厚湿陷性黄土地区风机基础优化设计风力发电是当前可再生能源中仅次于水力发电，且技术最成熟、最具规模化开发的发电方式之一。我国西北地区具有丰富的风能资源，但西北地区为湿陷性黄土分布区，进行风电开发时，处理湿陷性黄土导致基建成本增加。

一、 背景

湿陷性黄土是具有高强度和湿陷性的一类特殊土质体。其显著的特点是：未被水浸湿时，其强度较大；而一旦被水浸湿后，强度减小并产生湿陷性变化。建设在湿陷性黄土地基上的建（构）筑物，由于施工中或建成后使用过程中地基被水浸湿而导致建筑物沉降甚至塌陷的事故屡见不鲜。在黄土干湿循环条件下黄土的强度特性也会发生改变。

随着黄土地区风电场的不断开发，研究黄土的湿陷性，控制黄土的湿陷变形并保持在合理范围内，对湿陷性黄土地区风电场建设具有重要的意义。按规范要求传统的重力式基础在湿陷性黄土地区并不适用，必须采用桩基础且穿透湿陷性土层。由于自重湿陷性黄土层对桩基有负摩阻力作用，单桩承载力被削弱，桩要穿透整个湿陷性土层，这就造成了桩长较长、基础造价较高。以2.0MW机组为例，桩基础比传统重力式基础造价高约100%。较高的桩基础费用成为制约湿陷性黄土地区风电项目大规模开发的因素之一。

二、应用案例

1.项目概述

龙源宁夏风场分六期建设，风机基础全部采用优化后的方案。其中在雨水较多区域采用优化的桩基基础，雨水较少区域采用优化的换填方案。风电场优化设计方案缩短了施工工期，加快了风电场建设投产并网。每个风电场节约工期45天，使风电场提前并网投产，提高了风电场实际收益率。

2.主要效益

花石山和石崾沟风电场均采用桩基础，花石山风电场每个桩基础的平均费用是81.45万元，石崾沟风电场每个桩基础的平均费用是83.72万元。优化后的桩基础方案比传统桩基础方案节约成本约35.2%。马高庄、马原山、黑山墩和红山梁风电场33个机位，一部分采用桩基础，另一部分采用换填法处理。采用两种方案的风机基础结算成本均在2224万元以下，比全部采用传统桩基础节省成本节约1901~2852万元。宁夏六个风电场采用优化方案共节约土建成本10676.5万元。风电场优化设计方案缩短了施工工期，加快了风电场建设投产并网。每个风电场节约工期45天，使风电场提前并网投产，提高了风电场实际收益率。

三、技术要点

1 换填方案

宁夏同心地区，湿陷性黄土深度达23m，依据规范完全换填，不经济也不现实。采用三七灰土隔水层可有效减小雨水渗透至基础底部的土层。但仅进行隔水并不能解决黄土地基承载力的问题，根据勘察报告地基承载力不能满足设计要求，需对地基进行处理。根据有限元模拟结果，上部隔水层可以有效防止雨水渗透至基底底部土层，底部可以不考虑湿陷性问题。换填深度满足承载力要求即可。根据湿陷性等级的不同，分别换填不同的素土厚度。对于Ⅰ、Ⅱ级湿陷等级的机位，基底下换填2.5m厚三七灰土；对于湿陷性等级Ⅲ级的机位，基底换填2.5m厚三七灰土加0.5m厚素土；对于湿陷性等级为Ⅳ级的机位，基底换填2.5m厚三七灰土加1.5m厚素土

2 桩基础方案

根据勘察报告，黑山墩湿陷性土层深度为21m；石腰沟湿陷性土层深度达25.6m。若根据规范完全穿透整个湿陷性黄土，确定桩长分别为46.2m和56.3m，桩长过长，基础成本增加。根据有限元模拟结果，利用宁夏地区的降水量模拟得到，雨水最大的渗透深度为12m，且主要集中在右侧边界附近。若考虑到顶部的隔水层，雨水在风机基础附近的渗透深度小于10m。由此，可以确定10m的负摩阻深度，根据负摩阻深度确定桩长。

由此，在积水较多区域，可以采用灌注桩基础。考虑10m的湿陷性黄土负摩阻深度，在承台扩展部分以上设置500厚地基处理层。设计方案为：1、HDPE复合土工膜，厚度不小于0.75mm；2、500mm厚三七灰土,压实系数不小于0.94；3、HDPE复合土工膜，厚度不小于0.75mm。承台直径16.4m，高度2.45m。承台下设一圈扩底灌注桩，灌注桩采用C30混凝土，桩径800mm，扩底端直径1600mm，扩底高度1600mm，桩长29m~30m。

四、应用前景

（行业前景、商业模式、推广空间、问题挑战等）

本项目以宁夏地区黄土为例，将非饱和土水土van-Genuchten土水特征曲线模型应用于黄土渗流分析，结合有限元法模拟深厚湿陷性黄土雨水渗透过程。通过模拟结果确定隔水层厚度以及换填厚度。提出了针对不同湿陷性地基的换填方案。达到节省了施工工期及土建成本的目的。