深厚濕陷性黃土地區風機基礎優化設計檢視原始碼討論檢視歷史

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深厚濕陷性黃土地區風機基礎優化設計風力發電是當前可再生能源中僅次於水力發電，且技術最成熟、最具規模化開發的發電方式之一。我國西北地區具有豐富的風能資源，但西北地區為濕陷性黃土分布區，進行風電開發時，處理濕陷性黃土導致基建成本增加。

一、 背景

濕陷性黃土是具有高強度和濕陷性的一類特殊土質體。其顯著的特點是：未被水浸濕時，其強度較大；而一旦被水浸濕後，強度減小並產生濕陷性變化。建設在濕陷性黃土地基上的建（構）築物，由於施工中或建成後使用過程中地基被水浸濕而導致建築物沉降甚至塌陷的事故屢見不鮮。在黃土乾濕循環條件下黃土的強度特性也會發生改變。

隨着黃土地區風電場的不斷開發，研究黃土的濕陷性，控制黃土的濕陷變形並保持在合理範圍內，對濕陷性黃土地區風電場建設具有重要的意義。按規範要求傳統的重力式基礎在濕陷性黃土地區並不適用，必須採用樁基礎且穿透濕陷性土層。由於自重濕陷性黃土層對樁基有負摩阻力作用，單樁承載力被削弱，樁要穿透整個濕陷性土層，這就造成了樁長較長、基礎造價較高。以2.0MW機組為例，樁基礎比傳統重力式基礎造價高約100%。較高的樁基礎費用成為制約濕陷性黃土地區風電項目大規模開發的因素之一。

二、應用案例

1.項目概述

龍源寧夏風場分六期建設，風機基礎全部採用優化後的方案。其中在雨水較多區域採用優化的樁基基礎，雨水較少區域採用優化的換填方案。風電場優化設計方案縮短了施工工期，加快了風電場建設投產併網。每個風電場節約工期45天，使風電場提前併網投產，提高了風電場實際收益率。

2.主要效益

花石山和石崾溝風電場均採用樁基礎，花石山風電場每個樁基礎的平均費用是81.45萬元，石崾溝風電場每個樁基礎的平均費用是83.72萬元。優化後的樁基礎方案比傳統樁基礎方案節約成本約35.2%。馬高莊、馬原山、黑山墩和紅山樑風電場33個機位，一部分採用樁基礎，另一部分採用換填法處理。採用兩種方案的風機基礎結算成本均在2224萬元以下，比全部採用傳統樁基礎節省成本節約1901~2852萬元。寧夏六個風電場採用優化方案共節約土建成本10676.5萬元。風電場優化設計方案縮短了施工工期，加快了風電場建設投產併網。每個風電場節約工期45天，使風電場提前併網投產，提高了風電場實際收益率。

三、技術要點

1 換填方案

寧夏同心地區，濕陷性黃土深度達23m，依據規範完全換填，不經濟也不現實。採用三七灰土隔水層可有效減小雨水滲透至基礎底部的土層。但僅進行隔水並不能解決黃土地基承載力的問題，根據勘察報告地基承載力不能滿足設計要求，需對地基進行處理。根據有限元模擬結果，上部隔水層可以有效防止雨水滲透至基底底部土層，底部可以不考慮濕陷性問題。換填深度滿足承載力要求即可。根據濕陷性等級的不同，分別換填不同的素土厚度。對於Ⅰ、Ⅱ級濕陷等級的機位，基底下換填2.5m厚三七灰土；對於濕陷性等級Ⅲ級的機位，基底換填2.5m厚三七灰土加0.5m厚素土；對於濕陷性等級為Ⅳ級的機位，基底換填2.5m厚三七灰土加1.5m厚素土

2 樁基礎方案

根據勘察報告，黑山墩濕陷性土層深度為21m；石腰溝濕陷性土層深度達25.6m。若根據規範完全穿透整個濕陷性黃土，確定樁長分別為46.2m和56.3m，樁長過長，基礎成本增加。根據有限元模擬結果，利用寧夏地區的降水量模擬得到，雨水最大的滲透深度為12m，且主要集中在右側邊界附近。若考慮到頂部的隔水層，雨水在風機基礎附近的滲透深度小於10m。由此，可以確定10m的負摩阻深度，根據負摩阻深度確定樁長。

由此，在積水較多區域，可以採用灌注樁基礎。考慮10m的濕陷性黃土負摩阻深度，在承台擴展部分以上設置500厚地基處理層。設計方案為：1、HDPE複合土工膜，厚度不小於0.75mm；2、500mm厚三七灰土,壓實係數不小於0.94；3、HDPE複合土工膜，厚度不小於0.75mm。承台直徑16.4m，高度2.45m。承台下設一圈擴底灌注樁，灌注樁採用C30混凝土，樁徑800mm，擴底端直徑1600mm，擴底高度1600mm，樁長29m~30m。

四、應用前景

（行業前景、商業模式、推廣空間、問題挑戰等）

本項目以寧夏地區黃土為例，將非飽和土水土van-Genuchten土水特徵曲線模型應用於黃土滲流分析，結合有限元法模擬深厚濕陷性黃土雨水滲透過程。通過模擬結果確定隔水層厚度以及換填厚度。提出了針對不同濕陷性地基的換填方案。達到節省了施工工期及土建成本的目的。