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摘要：风机基础是机组安全运行的重要保障，由于风机塔架较高，水平风荷载在基础顶面产生的弯矩较大，该弯矩往往是风机基础设计的控制性荷载。风机对基础的水平位移和不均匀沉降要求高，基础选型时应选用具有较好抗变形能力的基础方案。在整个风电场投资中，风机基础的土建投资占较大比例，因此开展风机基础的优化选型具有重要的意义。
关键词：风机；基础选型；桩基础；设计优化
发展和利用可再生的风能是国际大趋势。预计到2020年风力发电可提供世界电力需求的12%，创造180万个就业机会，并在全球范围内减少100多亿t二氧化碳废气排放。经过十多年努力，我国在开发利用风能方面取得长足发展，风电装机量世界第一。风机基础是机组安全运行的重要保障，由于风机塔架较高，水平风荷载在基础顶面产生的弯矩较大，该弯矩往往是风机基础设计的控制性荷载。风机对基础的水平位移和不均匀沉降要求高，基础选型时应选用具有较好抗变形能力的基础方案。在整个风电场投资中，风机基础的土建投资占较大比例，因此开展风机基础的优化选型具有重要的意义。本文对陆上风电的常用基础类型进行了总结，介绍了风电桩基础的设计要点，讨论各主要设计参数的优化思路，并以1．5MW风机桩基础为例介绍了优化效益。
一、风机基础类型及特点
根据埋深大小，基础可分为浅基础（一般＜5m）和深基础；根据是否人工处理，可分为人工地基和天然地基。浅基础根据结构形式可分为扩展基础、联合基础、条形基础、筏形基础和壳体基础等。风机扩展基础一般适于浅部有较好持力层、地基承载力高、沉降能够满足要求的情况，如我国内蒙、新疆等西北风电场、山区风电场。另外，锚杆基础一般用于岩石基础，如山区风电场。
深基础一般用于软弱地基，如我国东部沿海滩涂风电场一般采用深基础，可供风机基础选用的深基础形式主要有桩基础和沉井基础。桩基础适用于高耸构筑物、对倾斜限制严格的情况，具有较强的抗震性能，对地基沉降和沉降速率控制较好。目前预制钢筋混凝土桩使用最为广泛，当桩身结构成为控制因素，采用预应力桩较为合适。灌注桩可适应用地紧张、避免噪声、振动和挤土对周围环境影响等问题。大直径钻孔灌注桩混凝土的施工质量需要严格控制，有时单桩承载力往往由桩身强度控制。钢管桩强度高、连接方便、易贯入，开口钢管桩有挤土量小等优点，钢管桩价格昂贵，一般特别重大的工程考虑采用。
沉井基础是一种无底无盖的井状结构物，竣工后成为基础的组成部分，适用于松软不稳定的含水土层、人工填土、黏性土、砂土和砂卵石等土层。沉井下沉的原理和方法:通过人工或机械等手段挖土，使沉井依靠自重作用，克服井壁和土之间的摩阻力，不断下沉到设计标高。主要工序包括:沉井制作等准备工作、沉井下沉、接长井壁、沉井封底。沉井基础的刚性、稳定性、抗震性都较好，有较大的支承面；下沉深度较大，并能在深水中作业；可以穿过不同性质的土层，将基底放置在承载力较大的土层或岩面上。在水中施工可兼作防水围堰，也可和其他类型基础如桩基础组成沉井、桩基组合基础。当水位以下存在粉细砂层，常会发生流砂现象，大量砂土涌入井内，容易使沉井倾斜。沉井基础在夹有大孤石、旧基础的地层、饱和砂土层、基岩层面倾斜起伏很大的地层中也要慎用。
二、风机桩基础优化要点
2.1基础体型
由于风机上部荷载的随机性，风机基础应采用中心对称布置方案，圆形基础是比较合理的基础体型。
2.2承台半径
减小承台半径可显著减少承台混凝土用量，还可以减少基础开挖、回填工程量。承台（含承台以上回填土）自重的减少有利于减小由于恒载引起的单桩竖向压力；但减小承台半径会使上部风机荷载引起的外圈桩单桩竖向压力和上拔力增大；因此减小承台半径对桩基础内力的确切影响需要综合评价上述两种因素的相对影响程度。通过优化承台半径，可达到优化基础综合工程量的目的。
2.3承台埋深
承台埋深一般由桩顶标高决定，尽量使承台座落于较好持力层上。承台埋深及覆土自重会对单桩竖向压力和上拔力大小有影响，应予以综合考虑，当承台底面位于地下水位以下时，应采用上覆土体和承台混凝土的浮重度进行计算。
2.4承台厚度
承台厚度应满足抗冲切强度要求，要求承台有足够的刚度保证内力传递，使桩基承台和内外桩协同工作。应保证风机塔架在基础混凝土中有足够的嵌固深度，风机塔架与基础连接节点（基础环或预埋螺栓）是风机疲劳的关键部位，应进行专门节点设计。承台厚度对承台配筋量也有一定影响。
2.5承台配筋
根据承台弯矩包络图确定承台截面配筋，并确定钢筋的截断位置，因此绘制可靠、准确的弯矩包络图是承台配筋优化的关键。目前一般采用桩基的总反力按照简化方法确定计算截面位置的弯矩，由于承台自重大小比较明确，建议考虑承台自重（含覆土重）对减小承台底部弯矩的有利作用。圆形承台内力的空间分布特点强，目前采用的简化方法难以考虑承台的空间工作效应，难以对承台顶面内力进行计算，简化方法计算内力与实际内力分布仍有较大差异，建议采用数值计算方法确定承台内力分布。
2.6内外圈桩的布置
按照承台完全刚性假定，应将桩尽可能布置在远离承台中心的位置，以提供更高的抗倾覆弯矩。为提高风机基础的整体性和稳定性，减小承台跨度，应布置适量内圈桩，并满足风机抗冲切要求。内外圈桩的总数由桩基竖向承载力或水平承载力控制。
2.7桩长
最小桩长由持力层深度决定，应首先满足进入持力层2d的要求。然后根据上部荷载情况确定需要达到的单桩承载力，一般情况下桩越长单桩承载力越大，通过调整桩长满足实际承载力需求。
2.8桩径
在相同桩长的情况下，桩径越大，单桩竖向承载力和抗拔承载力越大，采用大直径桩可使总桩数较少，总桩长减小。大直径桩单价和施工费用相对较高、管桩采购受限制。应通过不同桩长、桩径方案的技术经济比选确定最优桩长和桩径。
2.9桩间距
桩间距应首先满足大于3．5倍桩径的要求。桩距太小不利于发挥单桩承载力且打桩施工困难，桩距太大基础的整体性稍差，宜结合内外圈桩的布置综合考虑。
2.10桩基水平承载力
主要与桩基浅层地基土的水平抗力系数的比例系数（即m值）有关，有时风机基础竖向承载力满足要求，而水平承载力或位移不满足要求，若有条件可适当对桩基浅层土进行地基处理加固（提高m值），则可有效提高桩基的水平承载力，而不必额外增加抗水平荷载的桩。地震工况下，应对地基土水平抗力系数的比例系数进行折减，对严重液化处的单桩水平承载力设计值应按高桩承台进行计算。
结语
陆上风电的常用基础形式包括浅基础和深基础，风机扩展基础一般适于浅部有较好持力层、地基承载力高、沉降能够满足要求的情况，深基础一般用于软弱地基。桩基础承载力高、变形控制较好，适宜于沿海滩涂风电场建设。风机基础设计是一个不断反馈、修正、优化的过程，只有合理的基础选型和布置，才有可能实现基础工作性能和经济效益的双优。
参考文献：
[1]李战强.海上风机钢管桩基础耐腐蚀性研究[D].重庆交通大学，2014.
[2]章子华，王振宇，刘国华，等．沿海地区风机基础设计概述及工程应用[J]．建筑结构，2010.