风电场风机基础设计标准

—风电场风机基础设计标准1目的为规范集团公司的风力发电工程中的风机基础设计工作，统一风机基础设计的内容、深度，本着因地制宜、保护环境和节约资源的原则，做到技术先进、安全适用、经济合理、便于施工，特制定本标准。本标准主要规定了风力发电工程中风机基础设计基本原则和方法，涉及地基基础的工程地质条件、荷载、基础选型、设计流程、地基处理、基础构造等内容。2范围本标准适用于集团公司全资和控股建设的的陆上风力发电工程风机的地基基础设计。3引用标准和文件《风电场工程等级划分及设计安全标准》FD002-2007《风电机组地基基础设计（试行）》FD003-2007《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002《高耸结构设计规范》GBJ50135-2006《混凝土结构设计规范》GB50010-2010《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002《冻土地区建筑地基基础设计规范》JGJ118-98《建筑抗震设计规范》GB50011-2010《构筑物抗震设计规范》GB50191-93《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008《工业建筑防腐蚀设计规范》GB50046-2008《水工建筑物抗冰冻设计规范》DL/T5082-1998《混凝土外加剂应用技术规范》GB50119-2003《大体积混凝土施工规范》GB50496-2009《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025-2004《膨胀土地区建筑技术规范》GBJ112-1987《建筑变形测量规程》JGJ/T8-974术语和定义本标准中的术语定义与下列标准中的规定相同：《风电机组地基基础设计设计规定（试行）》FD003-2007《混凝土结构设计规范》GB50010-20105一般规定5.1基础设计应本着因地制宜、保护环境和节约资源的原则，做到安全适用、经济合理、技术先进、便于施工。5.2风电机组地基基础主要按《风电机组地基基础设计规定（试行）》设计。对于湿陷性土、多年冻土、膨胀土和处于侵蚀环境、受温度影响的地基等，尚应符合国家现行有关标准的要求。5.3风机基础设计采用极限状态设计方法，荷载和分项系数的取值应符合规范规定，以保证合理设计使用年限50年内安全、正常工作。5.4风电机组地基基础设计前，应进行岩土工程勘察。5.5确定地基处理方案前应按规范要求进行现场试验，以确定方案的可行性。5.6设计成果应做到图面清晰、简明，符合设计、施工、存档的要求，适合工程建设的需要。5.6基础环与风机基础的连接方式及基础体形应得到风机厂家的认可和复核。5.7除满足本标准外，设计尚须遵守国家、行业现行的规范、规定和技术标准。6风机基础设计6.1依据的外部文件风电机组制造商提供的载荷文件、预埋件图、基础概念图等。地勘单位提供的岩土工程详勘报告。测量单位提供的风电场1：2000地形图及机位1:200地形图。批准的风电场可行性研究报告。6.2设计荷载风电机组基础所受荷载大小主要取决于风场等级、风电机组机型和安装高度、设计安全风速、抗震设防基本烈度等因素。根据作用于风机基础上荷载随时间变化的情况，荷载可分为三类：（1）永久荷载，例如上部结构传来的竖向力、基础自重、回填土重等。（2）可变荷载，例如上部结构传来的水平力，水平力矩、扭矩、多遇地震作用等。（3）偶然荷载，例如罕遇地震作用等。根据作用在风机基础可能同时出现的荷载，按极端荷载工况、正常运行工况、多遇地震工况、罕遇地震工况、疲劳强度工况等进行荷载组合，并按最不利效应组合进行设计。6.3地基基础设计级别根据风机机组的单机容量、轮毂高度和地基复杂程度，地基基础分为三个设计级别：设计级别单机容量、轮毂高度和地基类型1单机容量大于1.5MW轮毂高度大于80m复杂地质条件或软土地基2介于1级、3级之间的地基基础3单机容量小于0.75MW轮毂高度小于60m地质条件简单的岩土地基注：1、地基基础设计级别按表中指标划分分属不同级别时，按最高级别确定。2、对1级地基基础，地基条件较好时，经论证基础设计级别可降低一级。风电机组地基基础设计应符合的规定：（1）所有风电机组基础，均应满足地基承载力、变形、稳定性、基础承载力的要求；（2）1级、2级的基础，均应进行地基变形计算，满足沉降量、基底倾斜率的限值要求；（3）3级风电机组基础，一般可不作变形验算，但地基承载力特征值小于130kPa或压缩模量小于8MPa、软土等情况之一时除外。6.4风机基础安全等级根据风电场工程的重要性和基础破坏后果（如危及人的生命安全、造成经济损失和产生社会影响等）的严重性，风机基础结构安全等级分为两个等级：基础结构安全等级基础的重要性基础破坏后果1级重要的基础很严重2级一般基础严重注：风机基础的安全等级还应与风电机组和塔架等上部结构的安全等级一致。一般可按基础设计级别为1级时，结构安全等级取1级；基础设计级别为2、3级时，结构安全等级取2级；对于破坏后果较严重的2、3级基础，结构安全等级可提高为1级。基础结构安全等级为一级、二级的结构重要性系数分别为1.1和1.0。6.5地基基础设计主要内容（1）地基承载力计算；（2）地基受力层范围内有软弱下卧层时应验算其承载力；（3）基础的抗滑稳定、抗倾覆稳定等计算；（4）基础沉降和倾斜变形计算；（5）基础的裂缝宽度验算；（6）基础（桩）内力、配筋和材料强度验算；（7）有关基础安全的其它计算（如基础动态刚度和抗浮稳定等）；（8）采用桩基础时，其计算和验算除应符合本标准外，还应符合《混凝土结构设计规范》和《建筑桩基技术规范》等规定；（9）对地基进行处理时，尚应符合《建筑地基处理技术规范》等的规定；（10）材料的疲劳强度验算应符合《混凝土结构设计规范》的规定；（11）鉴于风电机组主要的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环交界面的荷载应采用修正标准值；（12）对地震基本烈度为7度及以上且场地为饱和砂土、粉土的地区，应根据地基土振动液化的判别成果，通过技术经济比较采取稳定基础的对策和处理措施；抗震设防烈度为9度及以上，或参考风速超过50m/s（相当于50年一遇极端风速超过70m/s）的风电场，其地基基础设计应进行专门研究；（13）应对制造商提出的基础环与基础的连接设计进行复核；（14）受洪（潮）水或台风影响的地基基础应满足防洪要求，洪（潮）水设计标准应符合《风电场工程等级划分及设计安全标准》的规定。对可能受洪（潮）水影响的地基基础，在基础周围一定范围内应采取可靠永久防冲防淘保护措施；（15）对风电机组基础及地基应进行必要的检测与监测。7基础设计一般过程7.1设计参数7.1.1工程地质条件地基承载力标准值，压缩模量，压缩系数，内摩擦角，重力密度，示例见表1；其它地质条件示例见表2。表1岩、土体设计参数一览表层号①②注：1、当采用桩基时，应补充单桩试验数据；2、对特殊土：如湿陷性黄土、膨胀土、红粘土、软弱土等需标明其相应土的特性。表2其它地质参数表静止水位(m)最高水位(m)最低水位(m)水质侵蚀性标准冻土深度7.1.2地震动参数由于风电场通常位于远离城市的偏远地区，因此在确定抗震设防烈度时，需注意以《中国地震动参数区划图》为准，而《建筑抗震设计规范》只能作为参考。塔架基础的抗震设防类别为丙类，其它地震动参数详见表3。表3地震动参数表抗震设防烈度基本地震加速度设计地震分组场地特征周期场地类别7.1.3风电机组参数(1)风电机组塔底荷载此部分参数需由厂家提供，不同型号机组，不同厂家提供的荷载大小及形式上都可能有差别，一般要提供塔底（基础环顶法兰平面）的正常运行最大荷载、所有运行极大荷载、等效疲劳载荷、地震荷载等。注意：厂家提供荷载中，部分厂家提供设计分项系数为1.0的荷载，而部分厂家提供设计分项系数>1.0的荷载，需要统一取设计分项系数为1.0的值，设计时再按我国规范取相应荷载分项系数。(2)风电机组质量参数此部分参数需由厂家提供。风机轮毂高度（m）风机塔架质量(t)风机机舱质量(t)风机叶轮质量（t）7.2基础选型基础型式可选用天然地基基础、复合地基基础或桩基础，基础或承台的底板可选用四边形、多边形（一般为八边形）和圆形。应根据工程地质及气象条件、地震烈度、施工条件、材料供应、技术经济指标等，进行全面综合考虑力求选择技术先进、安全适用、经济合理、施工方便的基础型式。根据不同的地质条件，从结构形式主要分为扩展基础和桩基础。扩展基础包含方形、圆形、八边形等形状。桩基础根据桩基承台分为方形承台桩基础、圆形承台桩基础、八边形承台桩基础等。由于风向的不确定性，风机基础承受的荷载方向也不固定，且经常处于大偏心受压状态，因此对基础稳定性的要求较高。根据这一特点，风机基础一般按大块体结构设计，基础的底面宜设计成轴对称形，如采用正多边形或圆形，充分发挥材料的强度，节省工程投资。7.3基础设计流程（1）扩展基础设计流程图(2)桩基础设计流程图7.4基础设计软件风机基础的结构设计软件可以采用的较多，一般为安全起见，宜采用两个或两个以上不同的软件进行分析计算，然后进行核对和比较。传统的结构力学计算方法应作为软件计算的核对手段。在进行风机基础的动态刚度、地震频率等计算时，建议采用有限元分析软件进行分析计算。设计人应仔细核对、判别设计输入、计算过程、计算结果的合理性和正确性，并对设计负责。8基础构造及其它8.1地基处理风机基础设计过程中，势必遇到较多的地基处理问题，尤其在滨海软土地区显得尤为突出。风机基础一般对地基承载力要求不高，但对不均匀沉降（基础倾斜）较为敏感，因此地基处理的目的主要是提高地基或地基复合体的承载力、均匀性和抗压缩性。地基处理方案的选择需综合考虑地质条件、上部结构特点、环境条件（气象、噪声、振动等）、材料供给、工程费用以及工期等诸多因素，并经比较后，选择技术可靠、经济合理、施工进度快的方案。一般情况下，地基的深层处理，往往施工工艺技术复杂、工期较长，处理的费用较高，因此，在实际工程中，应优先采用浅层地基处理方案，只有在天然地基或浅层处理均无法满足工程需要时，才考虑采用深层处理方案或桩基方案。（1）换填或置换法地基浅层处理最常见的一种方法，主要适用于地基持力层埋藏较浅，且无软弱下卧层的情况。当采用换填时，换填厚度不宜超过2～3m，否则经济性不高。滨海地区的风电场，合适的持力层一般埋深较深、地下水位较高，应用的可能性不大；山区埋藏较浅的岩石地基，若基岩面起伏较大，可采用部分或局部超挖换填（毛石混凝土）方案。（2）复合地基复合地基由桩和桩间土组成，一般适用于处理深度不大的场地，不同的处理方法具有不同的适用范围。影响复合地基承载力的主要因素有桩体承载力、桩土应力比、置换率，其中桩体承载力主要取决于桩径、桩长、桩周土性能以及桩体材料强度，桩土应力比取决于桩土相对的刚度。在复合地基设计时应注意以下几个方面的问题。对于散体桩复合地基，一定深度以下桩的侧阻和端阻都难以发挥，桩身不宜过长；基底应设置合理厚度的褥垫层，充分发挥桩间土的承载作用；根据原土的类型、承载力等具体情况，确定合理的置换率，一般情况下，置换率越高，复合地基的承载力就越高。在置换率确定的情况下，细桩密布能够达到较高的复合地基承载力。（3）桩基当基底持力层较深、浅层处理不经济时，可以考虑桩基。桩基按成桩方法可分为预制桩和灌注桩两大类。根据经验，风机基础方案一般原则如下：细桩多布，短桩多布；中间稀布，周围多布；亦可调整桩长，基础周圈长桩，中间短桩；单桩承载力较大时，中间塔筒承台范围宜构造布桩，一方面风机基础承台受力合理，配筋量大幅度减小，另一方面，可减小施工过程中基础本身的变形。验算时，充分考虑桩的抗拔性能，有效减小基础底面积。一般情况下，基桩受抗压承载力控制。8.2基础构造尺寸（1）扩展基础、桩基础承台和岩石锚杆基础的底宽或直径宜控制在轮毂高度的1/5～1/3范围内，基础高度宜控制在轮毂高度的1/30～1/20范围内，基础边缘高度宜为底宽或直径的1/20～1/15，且应不小于1.0m。（2）基础垫层常用厚度为100～150mm，软弱地基上的垫层混凝土厚度宜大于200mm。8.3基础埋深（1）基础埋深原则天然地基建(构)筑物基础一般应设置在老土层上。基础底部一般应设置在标准冻深线以下。（2）合理埋深根据统计资料，风电基础埋深一般在轮毂高度的1/30～1/20。合理基础的埋深的确定，需要根据抗倾覆、土层结构、地下水位和冻土深度等各种因素综合确定。经多个风电场的验算和对比，由于上部水平荷载较大，加大基础埋深对风机基础抗倾覆安全度的提高没有十分明显的效果。一般地层情况，单机容量850kW，基础埋深宜在1.8m～2.5m；单机容量1500kW机型，基础埋深宜控制在2.8m～3.5m;单机容量2000kW以上风机，基础埋深宜控制在3.5m～4.5m。8.4基础配筋基础台柱钢筋和基础底板顶面钢筋的计算应符合《混凝土结构设计规范》GB50010-2010的规定。其中，单侧纵向钢筋的最小配筋率不应小于0.20%，且每米宽度内的钢筋截面面积不得小于2500mm2。8.5基础防水为避免基础混凝土和基础环之间的缝隙进水，防止钢制基础环下段表面损坏，应采取有效防水措施。（1）风电机组塔筒底部与基础混凝土之间的接合部分需要密封防水。密封做法不同厂家要求不一样，具体设计可根据厂家资料进行设计。（2）基础顶面应高出地面一定高度，高度值根据当地降水量大小确定，常取200mm。从基础顶面外边缘向外做5m宽的200mm厚碎石散水，坡度一般取4%。8.6防洪（潮）设计陆地受洪（潮）水或台风影响的地基基础则应按防洪（潮）要求设计，洪（潮）水设计标准详见《风电场工程等级划分及设计安全标准》FD002－2007第七章规定。主要考虑两方面：一是基础的洪水荷载计算高程的确定；二是塔筒内电气柜防洪高程的确定。对于不能满足要求的风电场工程，应采取防洪（潮）措施。如提高塔筒内电气柜平台或基础顶面高程；塔筒进人门、基础预埋管道设防水止水措施；修建防洪堤、防洪墙等。8.7基础预埋管基础预埋管包括排水管和电缆管，埋管数量及位置详见厂家资料要求。预埋管须注意以下几点：(1)电缆管及排水管由内至基础外必须保持2%的斜坡。(2)电缆管转弯半径不小于为10d，且满足电缆转弯半径要求。(3)排水管末端必须滤水袋，保证渗水畅通。8.8回填土要求回填土不得含有腐殖质等杂质土，亦不得含有冻土或膨胀土，含有碎石时，其粒径不宜大于200mm。回填土应分层夯实，分层铺填厚度不宜大于300mm，干密度为不得小于18kN/m3，压实系数不得小于0.95。8.9基础沉降观测要求下列风机基础应在施工期及运行期进行沉降观测：（1）1级、2级的地基基础；（2）3级的复合地基或软弱地基上的桩基础；（3）受地面洪水、海边潮水或地下水等水环境变化影响的基础。基础沉降观测一般要求在风机基础设计时在风机承台设置便于观测的沉降观测点，1台风机基础一般设置4个沉降观测点，对这个观测点均应观测和记录。沉降观测要求可参照《建筑变形测量规程》JGJ/T8-97执行。9主要设计成果9.1.基础计算书计算书应包括上述计算内容，设计人员应在程序计算的基础上，判断计算结果的安全性和合理性，做到在安全的基础上经济合理。附录为某风电场风机基础计算书示例。9.2基础施工图施工图主要内容应包括：(1)风机基础设计总说明(2)基础平面图(3)基础剖面图(4)底部钢筋布置图(5)上部钢筋布置图(6)拉结筋和架立筋布置图(7)基础环支撑及预埋件图(8)基础环椭圆孔插筋图(9)基础密封施工要求10附则10.1本标准中与国家和行业有关规定、标准不一致的，按照国家和行业有关规定、标准执行。10.2本标准是加强风电场风机基础设计的一项措施，不减免各单位的合同责任以及相关法律法规所规定应承担的责任和义务。10.3本标准由集团公司工程建设部负责解释。10.4本标准主要编写单位:中国福霖风能工程有限公司本标准主要编写人：刘金全李红有迟洪明曹恩志本标准主要校审人：张书军陈军吴涌迟岩刘文峰孙继栋11附录某风电场风机基础计算书示例☆☆☆☆工程基础验算报告工程名：☆☆☆☆报告人：报告日期：2011-05-19设计单位：FL基础名称：SL1基础等级：二级一、基础类型及尺寸基础图例如上图所示。基础尺寸为：基础底板半径R=9m基础棱台顶面半径R1=3.2m基础台柱半径R2=3.2m塔筒直径b3=4m基础底板外缘高度H1=1m基础底板棱台高度H2=1.5m台柱高度H3=0.8m上部荷载作用力标高Hb=0.45m基础埋深Hd=3.3m二、钢筋、混凝土及岩土力学参数混凝土：强度等级C35；fcd=16.7N/mm2；ftd=1.57N/mm2；fck=23.4N/mm2；ftk=2.2N/mm2；Ec=31500N/mm2；Efc=14000N/mm2钢筋：等级HRB400(20MnSiV、20MnSiNb、20MnTi)；fy=360N/mm2；fy'=360N/mm2；Es=200000N/mm2；ft=180N/mm2基础底面钢筋直径：28mm基础顶面钢筋直径：25mm混凝土容重：25kN/m3混凝土保护层厚度：80mm覆土容重：18kN/m3地下水埋深：30m岩土力学参数值土层编号岩土名称厚度(m)重力密度(自然)(kN/m3)重力密度(湿)(kN/m3)压缩模量Es(MPa)内聚力C(kPa)摩擦角ψ(°)承载力特征值fak(kPa)宽度承载力修正系数ηb深度承载力修正系数ηd地基抗震承载力修正系数ζα1粘土1-30.519.519.5428111700.31.61.32中风化岩33026.926.91001100453000001.5三、上部结构传至塔筒底部的内力标准值荷载分项系数：永久荷载分项系数(不利/有利)：1.2/1可变荷载分项系数(不利/有利)：1.5/0疲劳荷载分项系数：1偶然荷载分项系数：1结构重要性系数：1荷载修正安全系数：1.35方量计算：基础混凝土水下体积V11：0.000m3基础混凝土水上体积V12：468.763m3基础覆土水下体积V21：0.000m3基础覆土水上体积V22：370.984m3工况名称Fx(kN)Fy(kN)Fz(kN)Mx(kNm)My(kNm)Mz(kNm)正常运行荷载工况358.402033209500-927.7极端荷载工况694.201907400000231.5多遇地震工况634.74501829.80535799.80-927.7罕遇地震工况1912.84201829.805104480.1260-927.7疲劳荷载工况(上限)380832.62178.149076.224274.24537.6疲劳荷载工况(下限)384371.8-1912.520061.821981.64807计算工况为[计算所有工况]四、基础底面脱开面积比工况名称偏心距偏心距/底板半径允许最大比值结论正常运行荷载工况1.4240.1580.250满足极端荷载工况2.7430.3050.430满足多遇地震工况2.1960.2440.250满足五、承载力复核对地基承载力不修正工况名称pk(kPa)fa(kPa)结论Pkmax(kPa)1.2*fa(kPa)结论正常运行荷载工况83.0803000.000满足135.6463600.000满足极端荷载工况82.4123000.000满足183.9733600.000满足多遇地震工况82.2824500.000满足162.5945400.000满足六、下卧层验算工况名称：正常运行荷载工况岩土名称Pz(kPa)Pcz(kPa)faz(kPa)结论Pz_max(kPa)Pcz_max(kPa)1.2*faz(kPa)结论中风化岩30.0000.0000.000满足0.0000.0000.000满足工况名称：极端荷载工况岩土名称Pz(kPa)Pcz(kPa)faz(kPa)结论Pz_max(kPa)Pcz_max(kPa)1.2*faz(kPa)结论中风化岩30.0000.0000.000满足0.0000.0000.000满足

工况名称：多遇地震工况岩土名称Pz(kPa)Pcz(kPa)faz(kPa)结论Pz_max(kPa)Pcz_max(kPa)1.2*faz(kPa)结论中风化岩30.0000.0000.000满足0.0000.0000.000满足七、沉降验算工况名称沉降量(mm)允许沉降量(mm)结论倾斜率允许倾斜率结论正常运行荷载工况1.947100满足0.00000.005满足极端荷载工况1.971100满足0.00010.005满足多遇地震工况1.927100满足0.00000.005满足八、稳定性复核工况名称抗滑计算安全系数抗滑允许安全系数结论抗倾覆计算安全系数抗倾覆允许安全系数结论正常运行荷载工况299.1461.3满足6.1091.6满足极端荷载工况312.5141.3满足3.1771.6满足多遇地震工况315.8361.3满足3.9591.6满足罕遇地震工况146.4061.0满足1.5241.0满足九、基础底板悬挑根部配筋计算极端荷载工况：基础底板底面正交配筋：弯矩设计值:1173kNm弯矩计算单位宽度配筋面积为:1363平方毫米单位宽度要求配筋面积为:4812平方毫米实际配筋为:第一排配筋：149Φ28@120(5097平方毫米/米)，配筋率为：0.21185%基础底板顶面正交配筋：单位宽度要求配筋面积为(采用构造配筋):4815平方毫米实际配筋为:第一排配筋：179Φ25@100(4881平方毫米/米)，配筋率为：0.20276%十、基础底板悬挑根部裂缝宽度验算正常运行荷载工况：基础底板底面裂缝计算(正交配筋)：弯矩标准值:649kNm裂缝宽度：0.04962mm裂缝允许宽度：0.2mm，满足要求！极端荷载工况：基础底板底面裂缝计算(正交配筋)：弯矩标准值:978kNm裂缝宽度：0.07468mm裂缝允许宽度：0.3mm，满足要求!十一、抗剪验算极端荷载工况：剪力：19744.294kN抗剪力：42526.329kN；19744.294kN×1.0=19744.294kN≤42526.329kN，符合要求；正常运行荷载工况：剪力：10931.271kN抗剪力：42526.329kN；10931.271kN×1.0=10931.271kN≤