甘肃瓜州安北第四风电场ABC区600MW工程可行性研究报告8 土建工程.docx
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甘肃瓜州安北第四风电场ABC区600MW工程可行性研究报告8土建工程
8土建工程
批准：
宋臻
核定：
申宽育张勇
审查：
关庆华贺镇
校核：
李建党敖旭东秦杨
马勃牛子煜
编写：
李振作付志强仇彤
李晓将杜朋林刘野
8土建工程
8.1工程等别及工程地质条件
8.1.1工程等别及主要建筑物级别
安北第四风电场为甘肃酒泉千万千瓦级风电基地二期开发项目之一，工程总装机容量603MW，分A、B、C三个区，A区装机容量201MW，B区装机容量201MW，C区装机容量201MW。
风电场内建设一座330kV升压变电站。
安北第四风电场ABC区600MW工程风场内主要建筑物，包括134台单机容量1500kW的风力发电机组、134台单机容量3000kW的风力发电机组、一座监控中心和一座330kV升压变电所。
根据FD002-2007《风电场工程等级划分及设计安全标准》（试行），该工程等别为Ⅰ等大
（1）型工程；3.0MW机组塔架地基基础建筑物设计级别为1级，建筑物结构安全等级为二级；1.5MW机组塔架地基基础建筑物设计级别为2级，建筑物结构安全等级为二级；风场监控中心建筑物设计级别为2级，建筑物结构安全等级为二级；机组塔架基础洪水设计标准及风场监控中心洪水设计标准重现期均为30年。
330kV变电所建筑物设计级别为2级，建筑物结构安全等级为二级，洪水设计标准重现期为50年。
根据《风电场工程等级划分及设计安全标准》（试行）FD002-2007，发电机组塔架基础的抗震设防类别为丙类；330kV升压变电所主要建筑物（主控通信楼、继电器室、35kV综合配电室）抗震设防类别为乙类，330kV升压变电所其他主要建筑物和风场监控中心主要建筑物抗震设防类别为丙类，次要建筑物抗震设防类别为丁类。
本工程主要建筑物抗震设防烈度为Ⅵ度，330kV升压变电站抗震设防烈度为Ⅶ度。
8.1.2工程地质条件
安北第四风电场ABC区600MW工程场址位于酒泉地区瓜州县城东北约67km、玉门镇西北约73km处的戈壁荒滩，东经96°22′31.6″～96°32′59.7″，北纬40°43′2.7″～40°52′59.2″之间,其中A、B、C三个区域分别占地49.5km2、44km2、49.5km2。
场址区海拔高度在1455m～1680m之间，地势开阔，地形平坦。
风电场场址南部边缘紧邻兰新铁路，东部边缘紧邻安北第五、第六风电场，西部边缘紧邻安北第二、第三风电场。
场址区地貌上为北山山系山前倾斜冲洪积平原的戈壁滩地，地势北东高南西低。
其中A区位于东北侧，其北侧为低中山，以南为戈壁滩，地面高程1680m～1560m，局部岩石裸露；B区位于东南侧，地面高程1490m～1560m，场址地貌为戈壁滩；C区位于西南侧，地面高程1455m～1540m，地貌为戈壁滩。
场区内发育冲沟。
沟中生长耐旱植被，冲沟中的冲洪积物主要来源于其两侧的戈壁平原，戈壁平原地势平坦，地形变化主要受冲沟的切割控制。
风电场场址区地貌上为第四系上更新统洪积松散堆积物的戈壁平原，整体而言地层自上而下分为三个主层，但A、B、C三个区地层岩性稍有差别。
第①层粉细砂层，结构松散，力学性质低，不宜作为地基持力层；第②层角砾层：
为中～低压缩性土，力学性质较好，地基承载力达到300kPa～350kPa，可作为基础持力层；第③层砾砂层：
具低压缩性和较高强度，是本区良好的持力层；第④层全强风化基岩，结构密实，压缩性低，强度高，工程地质性能良好，是良好的持力层和下卧层。
本层（第④层全强风化基岩）在A、B、C区均有分布，但埋深不同。
各地层土的物理力学参数取值见表8.1。
表8.1地基土体物理力学参数取值
地层名称
及编号
标准承载力
fk
（kPa）
变形模量
EO
（MPa）
压缩模量
Es
（MPa）
抗剪强度
备注
C
（kPa）
ф
（°）
角砾②层
300
30
40
0
20～25
无胶结
粉土②1层
280
25
30
15～20
24～26
中粗砂②2层
300
25
30
15～20
24～26
砾砂③层
400
45
55
20～30
30～32
局部微胶结
全强风化基岩④层
400
40
50
25～35
30～35
根据1：
400万《中国地震动反应谱特征周期区划图》及《中国地震动峰值加速度区划图》（GB18306-2001）资料，地震动反应谱特征周期为0.45s，地震动峰值加速度为0.05g，相对应的地震基本烈度为Ⅵ度。
场址区不具有砂土液化的条件；不存在泥石流、滑坡等不良地质现象；场址地基土对混凝土结构具中腐蚀性，对钢筋混凝土中的钢筋具微腐蚀性，对钢结构具强腐蚀性。
应采取必要的防腐措施。
场址区季节性冻土最大冻土深度为1.10m。
8.2风电机组及箱式变电站基础
安北第四风电场ABC区总装机容量603MW，其中A区安装67台单机容量3.0MW风电机组，B区安装134台单机容量1.5MW风电机组，C区安装67台单机容量3.0MW风电机组，采用一机一变。
8.2.1风电机组基础设计
8.2.1.1设计依据
（1）设计采用的主要规程规范
a.《风电场工程等级划分及设计安全标准》（试行）FD002-2007；
b.《风电场机组地基基础设计规定》（试行）FD003-2007；
c.《高耸结构设计规范》（GB50135-2006）；
d.《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）；
e.《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）；
f.《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）；
g.《建筑结构荷载规范》（GB50009-2006）；
h.《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）。
（2）设计基本资料
1）风机荷载及相关参数
本工程拟采用国电联合动力UP82/1500-75和UP120/3000-90两种机型，厂家提供的作用于基础环顶面荷载及主要风机参数见表8.2。
表8.2基础顶面载荷及风机参数（不含安全系数）
工况
荷载项目
UP82/1500-75
UP120/3000-90
正常运行荷载工况
Frk（kN）
418.68
684.074
Fzk（kN）
2228
4466.519
Mrk（kNm）
29347.44
59990.37
Mzk（kNm）
4074.53
992
极端荷载工况
Frk（kN）
607.815
1216.3
Fzk（kN）
2144
4413.2
Mrk（kNm）
39290.34
104068
Mzk（kNm）
3088.55
1249.9
轮毂高度（m）
75
90
塔筒重量（t）
114.5
272.7
机舱重量（t）
64
114
叶轮重量（包括叶）和轮毂）（t）
33.7
67
2）工程地质资料
见表8.1地基土物理力学参数取值。
3）设计主要控制指标；
风机基础设计主要控制指标见下表8.3。
表8.3设计主要控制指标表
序号
项目
控制指标
正常运行荷载
工况
极端荷载
工况
多遇地震
工况
罕遇地震
工况
1
承载力复核
（1）
压应力pk（轴心荷载（kPa）
（2）
压应力pkmax（偏心荷载）（kPa）
（3）
偏心距e/基础底面半径R（控制脱空面积）
0.25
0.43
0.25
2
变形验算
（1）
地基沉降量值s（mm）
＜100
＜100
＜100
（2）
地基倾斜率
（tgθ）
＜0.005/0.004
＜0.005/0.004
＜0.005/0.004
3
稳定验算
（1）
抗滑稳定（kF）
≥1.3
≥1.3
≥1.3
≥1.0
（2）
抗倾覆稳定（kM´）
≥1.6
≥1.6
≥1.6
≥1.0
式中：
—地基承载力特征值（kPa）
注：
偏心距e/基础底面半径R为0.25、0.43时，对应基础底面脱空面积比例分别为0％、25％。
8.2.1.2基础结构型式和计算内容
（1）结构型式
根据风电场工程地质条件和风机荷载资料，确定本期工程风电机组基础为钢筋混凝土扩展基础，以②层角砾层或③砾砂层为持力层，基本体型为圆形，拟定基础尺寸见表8.4，风机基础体型见附图24和附图25。
表8.4基础体型尺寸表
项目
单位
UP82/1500-75
UP120/3000-90
机组台数
台
134
134
圆形基础底面直径D
m
17.6
20.8
基础圆台顶面半径为R1
m
3.3
3.5
台柱半径为R2（m）
m
3.1
3.3
基础底板外缘高度H1（m）
m
1.0
1.0
基础底板圆台高度H2
m
1.3
1.9
台柱高度H3
m
1.3
1.5
基础埋深
m
3.6
4.4
（2）计算内容
根据《风电场机组地基基础设计规定》（试行）FD003-2007，本阶段主要对基础进行地基承载力复核、沉降变形验算、倾斜变形验算、抗倾覆稳定验算和基础抗滑稳定验算。
8.2.1.3基础计算
（1）地基抗压计算
a.圆形扩展基础承受轴心荷载时：
（8.2.1）
式中：
pk——荷载效应标准组合下，扩展基础底面处平均压力；
Nk——荷载效应标准组合下，上部结构传至扩展基础顶面竖向力修正标准值；Nk=k0Fzk；
k0——荷载修正安全系数，取1.35；
Gk——荷载效应标准组合下，扩展基础自重和扩展基础上覆土重标准值；
A——扩展基础底面积，A=πr2；
r——基底面半径；
b.圆形扩展基础在核心区（e≤b/6）内，承受偏心荷载作用时：
（8.2.2）
（8.2.3）
（8.2.4）
式中：
pkmax—荷载效应标准组合下，扩展基础底面边缘最大压力值。
pkmin—荷载效应标准组合下，扩展基础底面边缘最小压力值。
Mk—荷载效应标准组合下，上部结构传至扩展基础顶面力矩合力修正标准值，Mk=k0Mrk；
Hk—荷载效应标准组合下，上部结构传至扩展基础顶面水平合力修正标准值，Hk=k0Frk；
e—合力作用点的偏心距；
—基础底面的抵抗矩；
hd——基础环顶标高至基础底面的高度。
c、当扩展基础在核心区（e＞b/6）以外承受偏心荷载，且基底脱开基土面积不大于全部面积的1/4时，圆形扩展基础单独承受偏心荷载（图8.1）时，扩展基础底面压力可按下列公式计算：
图8.1圆形基底面部分脱开地基的基底压力示意
（8.2.5）
（8.2.6）
式中：
、为与e/R有关的系数，ac为基底与土的接触长度。
表8.5基底最大压力计算系数、表
e/R
e/R
0.25
2.000
1.571
0.35
1.661
1.279
0.26
1.960
1.539
0.36
1.630
1.252
0.27
1.924
1.509
0.37
1.601
1.224
0.28
1.889
1.480
0.38
1.571
1.197
0.29
1.854
1.450
0.39
1.541
1.170
0.30
1.820
1.421
0.40
1.513
1.143
0.31
1.787
1.392
0.41
1.484
1.116
0.32
1.755
1.364
0.42
1.455
1.090
0.33
1.723
1.335
0.43
1.427
1.063
0.34
1.692
1.307
（2）地基沉降变形计算
计算地基沉降时，地基内的应力分布，可采用各向同性均质线性变形体理论假定。
其最终沉降值可按下式计算：
（8.2.7）
（8.2.8）
式中：
s——地基最终沉降值；
s´——按分层总和法计算出的地基沉降值；
ψs——沉降计算经验系数；
n——地基沉降计算深度范围内所划分的土层数；
p0k——荷载效应标准组合下，扩展基础底面处的附加压力，根据基底实际受压面积（As=bsl）计算；
Esi——扩展基础底面下第i层土的压缩模量，应取土自重压力至土的自重压力与附加压力之和的压力段计算；
zi、zi-1——扩展基础底面至第i、i-1层土底面的距离）；
、
——扩展基础底面计算点至第i、i-1层土底面范围内平均附加应力系数。
（3）地基稳定计算
a.抗滑稳定最危险滑动面上的抗滑力与滑动力应满足下式要求：
（8.2.9-1）
（8.2.9-2）
式中：
FR——荷载效应基本组合下，抗滑力；FS——荷载效应基本组合下，滑动力修正值；其中8.2.9-1公式适用于正常荷载工况、极端荷载工况、多遇地震工况，8.2.9-2公式仅适用于罕遇地震工况。
b.沿基础底面的抗倾覆稳定计算，其最危险计算工况应满足下式要求：
（8.2.10-1）
（8.2.10-2）
式中：
MR——荷载效应基本组合下，抗倾力矩；MS——荷载效应基本组合下，倾覆力矩修正值；
其中8.2.10-1公式适用于正常荷载工况、极端荷载工况、多遇地震工况，8.2.10-2公式仅适用于罕遇地震工况。
（4）计算成果
通过计算，所选机型基础计算成果见表8.6、表8.7。
表8.6UP82/1500-75的基础设计计算成果表
项目
单位
正常运行荷载工况
极端荷载
工况
多遇地震荷载
工况
罕遇地震荷载工况
计算值
允许值
计算值
允许值
计算值
允许值
计算值
允许值
（1）地基承载力复核
偏心距e/基础底面半径R（脱空面积比例）
0.218
0.25
0.294
0.43
0.246
0.25
基础底面平均压力
kPa
89.89
300
89.424
300
89.698
300
基础底边最大压力
kPa
168.137
300×1.2
195.389
300×1.2
178.012
300×1.2
（2）基础变形验算
沉降变形验算
mm
5.9
100
6.6
100
5.9
100
倾斜变形验算
0.001
0.005
0.0032
0.005
0.0012
0.005
（3）基础稳定验算
抗滑验算
10.964
1.3
10.803
1.3
10.756
1.3
7.495
1.0
抗倾覆验算
4.431
1.6
3.282
1.6
3.918
1.6
2.295
1.0
表8.7UP120/3000-90的基础设计计算成果表
项目
单位
正常运行荷载
工况
极端荷载
工况
多遇地震荷载
工况
罕遇地震荷载工况
计算值
允许值
计算值
允许值
计算值
允许值
计
算
值
允许值
（1）地基承载力复核
偏心距e/基础底面半径R（脱空面积比例）
0.217
0.25
0.378
0.43
0.247
0.25
基础底面平均压力
kPa
111.43
300
111.218
300
111.17
390
基础底边最大压力
kPa
208.222
300×1.2
290.733
300×1.2
220.985
390×1.2
（2）基础变形验算
沉降变形验算
mm
8.4
100
9.1
100
8.4
100
倾斜变形验算
0.0014
0.005
0.004
0.005
0.0016
0.005
（3）基础稳定验算
抗滑验算
14.04
1.3
9.065
1.3
12.842
1.3
7.486
1.0
抗倾覆验算
4.4
1.6
2.538
1.6
3.882
1.6
2.235
1.0
8.2.1.4结论
由表8.6、8.7可知，塔架基础承载力、沉降和稳定均满足设计要求，基础主要工程量见表8.8。
下阶段应根据有关规范进行工程地质的详勘工作，为基础设计提供必要的依据，结合确定的风机机型和荷载资料，对风机基础进行优化设计。
由于本工程场址地基土对混凝土结构具中腐蚀性，对钢筋混凝土中的钢筋具微腐蚀性，对钢结构具强腐蚀性。
因此需对基础表面采取防护措施，处理方式采用基础表面刷沥青玻璃丝布2道，2mm厚。
各机型风机基础主要工程量见表8.8。
表8.8风机基础单台工程量表
单台基础工程量
单位
UP82/1500-75
UP120/3000-90
（1）土石方开挖
m3
1300
1894
（2）回填
m3
804
1278
（3）混凝土（C40，加入抗裂纤维0.9kg/m3）
m3
446
710
（4）垫层混凝土（C20）
m3
50
71
（5）钢筋（Ⅱ、Ⅲ级）
t
45
71
（6）防腐
m2
389.2
453
8.2.2箱式变电站地基基础设计
根椐风电场电气设计，风电机组与箱式变电站组合方式为一机一变方案，即每台风机设一座箱式变电站。
推荐方案箱式变电站容量为1600kVA/3400kVA，根据地质条件和箱式变容量，确定箱式变电站基础为混凝土基础，箱式变均直接搁置在C25混凝土基础上，箱式变电站基础与电力电缆沟相连。
经计算，每台1600kVA箱式变电站基础开挖量约20m3、混凝土量约7.0m3，回填土约8.0m3。
箱式变电站基础图见附图26。
每台3400kVA箱式变电站基础开挖量约30m3、混凝土量约15.0m3，回填土约12.0m3。
箱式变电站基础图见附图27。
8.3接地网和集电线路
8.3.1接地网
在每台风力发电机组基础与箱式变基础周围铺设人工接地网，一台风机与一台箱式变共同组成一个独立接地网。
接地装置采用接地扁钢和钢管，接地扁钢长约200m/360m，根据地质资料，本风场电阻率较高，需进行接地换土。
8.3.2集电线路
本风电场所发电量以32回35kV集电线路接入安北四330kV变电所，经变电所升压后再以1回330kV线路接入桥湾750kV变电所，并入西北电网。
本风电场集电线路为干线汇流接线方式，采用35kV架空线路。
根据风机和箱式变电站的布置、容量以及35kV架空线路的走向，将268台箱式变电站分为32回接线，1.5MW风机每回连接11台～12台箱式变，每回的容量为16.5MW～18MW，3.0MW风机每回连接6台～7台箱式变，每回的容量为18MW～21MW，风机至35kV架空线杆塔之间采用直埋电缆方式，电力电缆由35kV架空线路终端杆引下，经直埋电缆后进入风电场330kV升压变电所的电缆沟内，沿电缆沟进入330kV变电所内35kV配电室。
8.3.2.1架空线路
本工程35kV架空线路共32回，总长350km。
本风场地形较为平坦，杆型以带拉线混凝土门型杆为主，线杆总高度为15m（18m），底盘埋深1.5m。
8.3.2.2直埋电缆
本风场直埋电缆主要由风机至箱式变电站、箱式变电站至35kV架空线杆塔之间，直埋电缆长度约9900m，总开挖量约14850m3，回填量等于开挖量，通信光缆与电力电缆同沟埋设。
8.4道路布置
根据瓜州县统一规划，自桥马桥马公路（桥湾—马鬃山）修建一条公用道路（风光大道）连接安北第一、二、三、四、五、六风电场，行车道为宽度7.0m沥青路面，总长120km，本风场根据容量分摊20km。
目前有一条在建道路（阳光大道）自安北第四风电场南端通过，可以作为施工交通运输道路。
在瓜州县统一规划公用道路（风光大道）具备通车条件前，风电场已修建完成约10km对外交通道路连接阳光大道。
本风电场进330kV升压站与监控中心新建0.32km道路与公用道路衔接，该道路按四级道路标准设计，为6m宽沥青碎石路面。
根据风电场风电机组的总体布局，场内交通道路在充分利用现有道路的情况下，经布置需修建简易道路约179.5km，路面宽度为10m，采用级碎石土路面。
风电场施工完成后，在简易施工道路的基础上修建宽度为4m的场内永久检修道路，路面为级配碎石路面。
其余6m路面恢复为原地貌。
8.5防洪
本风场为戈壁荒滩，处于地势平坦的干旱地区，降雨量较少，主要洪水危害来自暴雨形成的冲刷。
由于风场地势开阔平坦，附近又无河流和排水沟，风场采用整体防洪已不可能。
场内有大小程度不同的洪水冲沟，冲沟深度一般在0.5m左右。
因此在变电所、监控中心选址和风机微观选址时，应尽量避开较大冲沟。
根据工程建设的实际情况和环境的特殊性，坚持“因地制宜，疏导为主”的原则进行防洪设计。
根据风场内冲沟情况，在冲切较深的主要过流路段修建混凝土过水路面；变电所和监控中心应抬高地坪高程（约100cm），并在其四周设置排水沟以收集洪水和排除洪水；如无法避开较小冲沟，风机基础和箱式变电站基础应适当抬高，并在回填土四周采用混凝土进行防护，防止冲刷。
8.6风电机组基础的监测设计
本工程风电机组基础共268台，每台风电机组均布置基础沉降观测点，每个基础上布置4个观测点。
沉降观测基准墩布置的基本原则为：
①每个风机设置三个观测基准墩；②距塔基边缘30m，两基准墩与基础中心成直线布置，另一点通过机组中心与该两点连线垂直；③基准墩埋设：
埋深2.7m，出地面0.3m，基准墩高共3m。
墩周围用炉渣填充（避免冻涨影响）。
基础沉降观测：
基础施工结束后观测一次；每安装一段塔筒观测一次，荷载全部施加完毕观测一次；运行期间至少观测二次。
观测设备采用水准仪。
8.7330kV升压站与监控中心
安北第四风电场A、B、C三个区共用一个330kV升压站，升压站总占地面积22208m2，主要建筑物有35kV设备室、厂用电设备室、二次继保室、蓄电池室。
监控中心总占地面积14940m2，主要建筑物有综合楼、车库、地下水泵房、油品库等。
方案布置见附图29。
8.7.1建筑设计
8.7.1.1设计依据
设计采用如下主要规程规范：
（1）《民用建筑设计通则》GB50352-2005；
（2）《建筑设计防火规范》GB50016-2006；
（3）《建筑结构荷载规范》GB50009-2001（2006年版）；
（4）《混凝土结构设计规范》GB50010-2002；
（5）《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002；
（6）《砌体结构设计规范》GB50
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