某高抗震設(shè)防烈度風(fēng)電場地質(zhì)評價與基礎(chǔ)選型設(shè)計

胡 城，龍海濤，衷 誠

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都 611130)

風(fēng)電機組基礎(chǔ)是風(fēng)電場建設(shè)的重要內(nèi)容，風(fēng)機基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定直接關(guān)系上部風(fēng)機設(shè)備的安全，風(fēng)機基礎(chǔ)的設(shè)計要兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性[1]。在地質(zhì)條件復(fù)雜的地震區(qū)域建設(shè)風(fēng)電項目，場區(qū)的地質(zhì)狀況決定了風(fēng)機基礎(chǔ)的選型，是影響項目成敗的重要因素之一。本文將對風(fēng)電場進(jìn)行地質(zhì)評價，分析其場地的適宜性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)機基礎(chǔ)的選型設(shè)計。

1 工程概況

某風(fēng)電場位于哈薩克斯坦東南部，介于東經(jīng)78 °、北緯43 °之間，距離阿拉木圖市約150 km。場址毗鄰“謝列克-努爾雷-雄日-科克塔爾邊界”的州級公路，交通條件較好。據(jù)歷史資料，場址區(qū)域內(nèi)地震基本烈度高，構(gòu)造穩(wěn)定性較差。場區(qū)總面積約319 ha，平均海拔高度約570 m，裝機容量為60 MW。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

風(fēng)電場地處斜坡平原，地貌條件突出表現(xiàn)為侵蝕-堆積和剝蝕-堆積綜合類地形[2]。場區(qū)內(nèi)地表面被風(fēng)化為微沙脊及沙丘，風(fēng)化層厚度為0.5～10 m不等。

2.2 地層巖性

場區(qū)地層成因類型主要為全新世的坡積-洪積沉積層、中更新世的沖積沉積層以及新近系的伊犁巖系沉積層。場地揭露的地層巖土自上而下依次為表層根植土、粉質(zhì)黏土及粉土、砂卵礫石、砂、碎卵礫石土，各巖土層特性如下：

①表層根植土：淺棕色，上部松散狀，含植物根系，下部黃土狀，硬塑，含15 %的礫石和卵石。②粉質(zhì)黏土及粉土：棕色，粉狀，軟塑，該層以上為腐殖質(zhì)化粉質(zhì)黏土和粉土的根植層，帶有植物根部，根植層下面幾乎全是硬質(zhì)大孔隙黃土狀沉陷粉質(zhì)粘土，并夾雜15 %的卵石和礫石。③砂卵礫石：按卵石含量分為2個亞層，分別為砂卵石Ⅰ和圓礫Ⅱ，砂卵石Ⅰ卵石含量47.1 %～65 %，礫石含量10 %～10.6 %，其余砂土含量25 %～42.3 %，含砂晶狀體和粉質(zhì)黏土夾層，厚度不到10 cm；圓礫Ⅱ卵石含量37.5 %～38.8 %，礫石含量18.8 %～23.7 %，其余砂土含量38.8 %～42.4 %，含砂及黏土晶狀體，厚度1～10 cm。④砂：根據(jù)粒徑大小分為2個亞層，分別為中砂Ⅰ和礫砂Ⅱ，中砂Ⅰ，灰色，中密，低～中等水飽和度，卵礫石含量不到20 %，局部位含有20 cm的礫石及粉質(zhì)黏土夾層；礫砂Ⅱ，灰色，中密—密實，低—中等水飽和度，卵礫石含量不到35 %，局部位含粉質(zhì)黏土夾層。⑤碎礫石土：未含有礫石和碎石的砂礫土占比不到20 %～47.1 %，卵石和大砂粒占10.6 %～38.3 %，土占38.8 %～48.9 %；砂礫土和碎石土中礫石和碎石含量不超過51.8 %～62.3 %，卵石和大砂粒不超過17.4 %～28.7 %，土不超過9 %～29.6 %；礫石、碎石土和礫石土中有扁平礦體和薄礦砂層、亞黏土層，碎石部分風(fēng)化至泥灰?guī)r狀態(tài)；礫石和碎石的粒徑為2～19 cm，卵石和大砂粒粒徑為0.3～0.8 cm；在礫石、碎石、大砂粒和卵石的巖石組分中，花崗巖、大粒及中?；◢忛W長巖、閃長石占多數(shù)，砂巖占少量。

2.3 水文地質(zhì)條件

場區(qū)地下水分布不均。毗鄰沖積湖泊平原的沖積扇地區(qū)是一個具有大量地下水資源的領(lǐng)域，伊犁河盆地、巴拉布古德山和卡賴姆切克山區(qū)均屬于弱水淹區(qū)。地下水的最大水位出現(xiàn)在春季和初夏，而最低位則出現(xiàn)在秋冬季節(jié)，波動范圍為1.5～4.5 m。

2.4 地質(zhì)構(gòu)造

從區(qū)域上來看，具有復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，最古老的地層分別為中-上寒武紀(jì)和上奧陶紀(jì)的下古生代巖石[2]。寒武紀(jì)厚地層呈現(xiàn)為青灰色砂巖和石英綠泥，含有硅石、石英巖和石灰石夾層。奧陶系的沉積層不協(xié)調(diào)地重疊在寒武紀(jì)上，從而組成了克濟(jì)勒克爾卡山的南坡和淺丘。地區(qū)內(nèi)第四紀(jì)沉積層分布廣泛，形成了伊犁盆地，以及河谷溪流和河流，坡上覆蓋著基巖風(fēng)化物。

2.5 地震

區(qū)域大地構(gòu)造部位位于中天山北緣深斷裂與中天山南緣深斷裂間的斷塊內(nèi)，場區(qū)內(nèi)及外圍位于中天山地震帶上，地震活動頻繁，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差。

3 工程地質(zhì)問題及評價

3.1 場地穩(wěn)定性及適宜性

3.1.1 軟土振陷

當(dāng)粉質(zhì)黏土及粉土的孔隙比大于1，且天然含水量大于液限時，其軟土呈現(xiàn)振陷工程特性[3]。勘探表明，局部位于淺表部的粉質(zhì)黏土及粉土具有振陷性，應(yīng)充分考慮其振陷問題。

3.1.2 地基土液化

場址區(qū)內(nèi)勘探深度范圍內(nèi)見有一定厚度的砂層，應(yīng)考慮地基土的液化問題。

3.1.3 凍土

場址區(qū)內(nèi)土壤凍結(jié)的標(biāo)準(zhǔn)深度為135 cm，0 ℃時土壤的最大凍結(jié)深度為175 cm，應(yīng)充分考慮凍土因素。

3.1.4 地震設(shè)防

經(jīng)土壤地震等級綜合評估[4]，場址區(qū)50 a超越概率10 %的地震動峰值加速度為0.40g，就物理特性而言，風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)的土壤厚度可劃作二級地震特性，區(qū)域內(nèi)的原始地震烈度為9度，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。按規(guī)范[6]，設(shè)計抗震設(shè)防烈度為Ⅸ度，基本地震加速度值為0.40g，地震分組為第三組，場內(nèi)建筑物抗震設(shè)防分類為丙類。

基于以上分析，并考慮地形、地層巖性、地質(zhì)結(jié)構(gòu)等因素，可判定該場地目前較穩(wěn)定，適宜作為風(fēng)電場建設(shè)用地。

3.2 不良地質(zhì)作用

不良地質(zhì)作用主要包括永久和臨時水流的侵蝕活動和堆積活動、平面沖刷、線性侵蝕、山體滑坡、軟土振陷性、地震烈度高及砂土液化。水流侵蝕活動和堆積活動表現(xiàn)為河岸和河底的沖刷和重新處理、水流破壞土壤，以及破壞產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移和沉積。從侵蝕過程來看，還應(yīng)當(dāng)注意平面沖刷和線性侵蝕。在雨水和雪水出現(xiàn)時期，這些斜坡很容易受到破壞并進(jìn)一步發(fā)展成峽谷，在自然狀態(tài)下，這些斜坡是穩(wěn)定的，但在坡面受到附加荷載和發(fā)生地震時，剪切力和土壤抗剪強度會受到破壞，從而發(fā)生山體滑坡。淺表層粉質(zhì)黏土及粉土因附加荷載而具有振陷性。區(qū)域位處高強地震區(qū)，部分孔位揭示存在飽和砂土及粉土，地面下存在因地震而引發(fā)砂土液化問題。

3.3 地基土的適宜性

場區(qū)內(nèi)地基土土層厚度分布不均，在縱向及橫向均變化較大，且無規(guī)律性。建(構(gòu))筑基礎(chǔ)埋置深度內(nèi)可能出現(xiàn)不均勻地基，其物理、力學(xué)性質(zhì)差異較明顯，各土層作為地基基礎(chǔ)持力層的適宜性評價如下：

(1)根植土：結(jié)構(gòu)及密實度很不均勻、變異性大，不能選作建(構(gòu))筑物天然地基基礎(chǔ)持力層，應(yīng)予以清除。

(2)粉質(zhì)黏土及粉土：多作為夾層存在，承載力一般，其物理、力學(xué)性質(zhì)一般，其分布極不連續(xù)、不均勻、不穩(wěn)定，淺表層粉質(zhì)黏土或粉土具有振陷性，不建議作為建(構(gòu))筑物天然地基基礎(chǔ)，應(yīng)予以清除。

(3)砂卵礫石：分布不連續(xù)、不均勻，承載力較高，其物理、力學(xué)性質(zhì)較好，可作為風(fēng)力發(fā)電機組位及升壓站淺基礎(chǔ)及深基礎(chǔ)持力層。

(4)砂：厚度分布不均，在剖面上交替出現(xiàn)，少見細(xì)砂和粉砂，多以夾層形式存在，承載力一般，其物理、力學(xué)性質(zhì)一般，由于飽和砂土及粉土層存在液化問題，須經(jīng)過處理后方可作為基礎(chǔ)持力層。

(5)碎礫石土：在剖面上分布不連續(xù)、不均勻，承載力較高，其物理、力學(xué)性質(zhì)較好，可作為風(fēng)力發(fā)電機組位淺基礎(chǔ)及深基礎(chǔ)持力層。

4 風(fēng)機基礎(chǔ)選型與設(shè)計

4.1 輸入資料

據(jù)資源評價選取的風(fēng)電機組類比參數(shù)見表1。

表1 選定機型參數(shù)

風(fēng)機基礎(chǔ)持力層擬定為含礫石砂土，選取機位的地層巖土力學(xué)參數(shù)建議值見表2。

表2 風(fēng)機基礎(chǔ)持力層巖土力學(xué)參數(shù)推薦值

由風(fēng)電機組廠家提供的上部結(jié)構(gòu)傳至塔筒底部的內(nèi)力荷載標(biāo)準(zhǔn)值，以及設(shè)計荷載標(biāo)準(zhǔn)值取值見表3。

表3 正常運行工況及極限工況荷載

4.2 基礎(chǔ)型式選擇

陸上風(fēng)機的基礎(chǔ)型式主要包括重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、巖石錨桿基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力墩式基礎(chǔ)、梁板式基礎(chǔ)等，這幾種常用的基礎(chǔ)型式各有優(yōu)、缺點，適用類型也不同，遲洪明[6]、王兵峰[7]等對風(fēng)機基礎(chǔ)型式進(jìn)行了相關(guān)研究。

根據(jù)本工程的地層巖性，以砂礫土為持力層，抗震設(shè)防烈度為9度，樁基礎(chǔ)、巖石錨桿基礎(chǔ)、預(yù)應(yīng)力墩式基礎(chǔ)均不適合，優(yōu)先采用重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)和梁板式基礎(chǔ)。重力式擴(kuò)展基礎(chǔ)型式簡單，施工較方便，工期控制相對容易；梁板式基礎(chǔ)采用輻射狀肋梁、環(huán)梁和底板、中央圓形臺柱的組合結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)方量較小，但施工工藝較復(fù)雜，對澆筑質(zhì)量要求高，工期略長，造價較低。經(jīng)綜合比較，本工程采用梁板式基礎(chǔ)，設(shè)計的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

4.3 計算結(jié)果

采用北京木聯(lián)能軟件技術(shù)有限公司與中國水電工程顧問集團(tuán)公司聯(lián)合開發(fā)的《CFD風(fēng)電工程軟件-機組風(fēng)機地基基礎(chǔ)設(shè)計軟件》進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。計算確定梁板式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分為上下兩部分，上部為直徑5.6 m高3.2 m的圓形臺柱，臺柱高出地面0.3 m，下部為直徑22.2 m厚0.6 m的圓形底板，底板外沿布置1.3m高的環(huán)梁，徑向布置8道肋梁，肋梁根部高度為3.5 m，外緣高度為1.3 m。風(fēng)電機組基礎(chǔ)混凝土強度等級采用C40，基底下部設(shè)0.1 m厚的C15混凝土墊層，計算結(jié)果見表4。

表4 計算結(jié)果

圖1 梁板式風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意

表4中結(jié)果顯示，本工程設(shè)計的風(fēng)機基礎(chǔ)在各計算工況下地基承載力、基礎(chǔ)不均勻沉降量、傾斜率、基礎(chǔ)底面抗滑及抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)滿足風(fēng)電機組安全穩(wěn)定運行的要求。

5 結(jié)論

(1)場區(qū)地貌條件表現(xiàn)為侵蝕-堆積和剝蝕-堆積綜合類地形，表面被風(fēng)化為微沙脊及沙丘；地層成因類型主要為全新世的坡積-洪積沉積層、中更新世的沖積沉積層以及新近系的伊犁巖系沉積層；地層巖性主要為根植土、粉質(zhì)黏土及粉土、砂卵礫石、砂、碎礫石土；區(qū)域大地構(gòu)造部位位于中天山北緣深斷裂與中天山南緣深斷裂間的斷塊內(nèi)，場區(qū)內(nèi)及外圍位于中天山地震帶上，地震活動頻繁，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差。

(2)場區(qū)主要不良地質(zhì)作用包括永久和臨時水流的侵蝕活動和堆積活動、平面沖刷、線性侵蝕、山體滑坡、軟土振陷性、地震烈度高及砂土液化。

(3)場地目前較穩(wěn)定，適宜作為風(fēng)電場建設(shè)用地；確定基本地震設(shè)防烈度等級為9度，場地類別為II類。

(4)選擇砂卵礫石或碎礫石土作為風(fēng)機基礎(chǔ)的持力層。

(5)采用梁板式風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計，計算結(jié)果表明，各工況均滿足規(guī)范要求，風(fēng)機基礎(chǔ)是安全的。