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摘 要：通过对沿海风电场风机体系台风季节的受力分析，设计了“平面布置为圆弧形咬合桩”的沿海风机基础加固方案；同时阐述了咬合桩桩径和桩长的确定方法，以及在桩顶设计圆弧形闭合冠梁，形成“桶箍效应”，使咬合桩由悬臂式受力转化为更加科学合理的简支方式，更好地发挥咬合桩强度。
关键词：咬合桩；闭合冠梁；桶箍效应；正方砌块；沉箱；摆放扭王块；
一、项目背景
粤东沿海某24×2MW沿海风电场2009年10月建成投产，2011年9月强台风“纳沙”从广东粤东沿海登陆，强大的海浪冲刷海岸线，7台风机基础底部淘空面积约10～50%不等，风机面临重大安全威胁。风电场运营单位先后多次采用堆磊大块石方法对风机基础进行防护，但块石屡被风浪卷入大海，台风时刻威胁着风电场的安全。
二、沿海风电场风机基础加固分析
风力发电机正常工作状态下，塔筒只受到叶片的水平风力作用，风机体系依靠塔筒、基础重力和基桩的抗拔力维持平衡。在台风季节，处于海岸边的风电机塔筒基底地基被大浪冲刷、底部淘空后，地基对风机基桩上端失去握裹力，基桩长细比增大，承载力降低。汹涌澎湃的海浪强烈冲击风机基础底部和侧面，形成巨大的托力和水平力；同时海水在冲击风机基础的同时浸泡风机基础，使得风机基础严重失重，重度由25kN/m3降低至25-10.3=14.7 kN/m3，抗倾覆力矩大大减小，风机体系重心上移。当风力达到一定强度时，风机将发生倾覆。
防止沿海风力发电机倾覆的技术原理，一是采取技术措施，防止台风海浪冲刷靠近海岸线的风机基础；二是对于已被海浪淘空或局部淘空的风机基础底部地基用海砂填充密实后采取安全可靠的围闭措施，保护风机基础地基不再被台风海浪冲刷而淘空。
类似沿海加固技术主要有“正砌方块、沉箱、摆放扭王块、堆放大型土工布砂袋”四种。
“正砌方块”技术，方块间整体性能差，无法抵抗较大海浪的冲击，在台风季节，海浪超过一定高度时，正砌方块存在倒塌风险。
“沉箱”技术，施工工期长，投资高，且沉箱之间不可避免地存在缝隙，风机基础底部地基可能被台风海浪局部淘空。
“摆放扭王块” 技术，施工工期长，摆设扭王块时需配置大型超重机械；竣工后，扭王块之间存在大量空隙，台风季节风机基础地基仍然存在局部淘空风险，风机安全存在安全隐患。
“堆放大型土工布砂袋”技术，耐久性差，风浪较大、淹过砂袋时，砂袋存在漂移风险，而且潮汐范围内的砂袋干湿交替，寿命不长。
2012年7月，风电场运营单位委托了两个相关专业设计院和我局分别研究并各自出台1个加固方案。经运营单位组织专家评审，专家组一致认为我局编制的风机基础加固方案科学合理，运营单位委托我局实行工程加固总承包。
三、沿海风电场风机基础加固方案
根据以上技术分析，我们对被海浪淘空的风机基础采取如下方案：
①沿着风机基础圆弧设置咬合桩，风机电缆通道留空。咬合桩按素砼灌注桩与钢筋砼灌注桩相间布置，桩与桩之间咬合200mm；任何情况下，海浪无法冲刷、淘空风机基底，也无法浸泡风机基础，更好地保证了风机在台风季节的安全。
②咬合式灌注桩桩顶设置闭合式圆弧冠梁，其中电缆通道上方设置一根联系梁与冠梁相联结，形成“桶箍”效应，使得悬臂式支护桩受力转化近似两端受约束的简支方式，受力更加科学合理。冠梁完成，风机基础上部回填后，即使海浪再次冲刷，咬合桩形成“半岛”，沿海风电变成“海上风电”，风机也能安然无恙。
③确定咬合桩桩径和桩长：
桩径确定：一般取800㎜或1000㎜，按悬臂桩土压力进行验算。
桩长确定：L=L1+L2-H。
L2确定方法：参照《建筑基桩技术规范》（JGJ-2008）5.3.5条“经验参数法”计算，按被海水冲刷后海床中咬合桩的端阻力与侧阻力之和不小于2倍桩身及冠梁自重，以及桩在海床中的长度不小悬臂长度的原则确定桩长。
L1—前次台风海浪冲刷风机外侧海岸水下海床至风机地面高度；
L2—风机外侧海床面至桩底的长度， L2取以上两式中的较大值；
R—为咬合桩半径，H—冠梁高度；
qsik—咬合桩侧阻力标准值，按《建筑基桩技术规范》表5.3.5-1对应的土质类别取值；
qpk—咬合桩端阻力标准值，按《建筑基桩技术规范》表5.3.5-2对应的土质类别取值。
四、沿海风电场风机基础加固技术实施
2012年10月～12月，粤东沿海风平浪静，我们对风机基础加固技术进行实施。首先在风机临海侧用附近海砂回填至高潮位以上高程，作为咬合桩施工平台；在平台上施工咬合桩定位基础，基础达到一定强度后，开始咬合桩围闭施工。
咬合桩施工初始阶段，先施工相间的两根素砼桩，在素砼桩砼掺入缓凝剂，终凝时间不小于24h； 相间的两根素砼桩施工完毕后，立即施工素砼桩之间的钢筋砼桩。咬合桩施工完毕后，经检测合格后立即开展冠梁施工。
五、技术应用效果
2013年9月，十四级超强台风“天兔”从风电场附近海面登陆，尽管风电场范围内的所有树木连根拔起或拦腰折断、该风电场110kV出线基塔倒塌4基、邻近风电场风机倒塌8台，应用本技术加固后的风机，尽管1台已接近“海上风电”，但加固后的风机全部安然无恙、巍然屹立于海洋之濱。
作者资料： （本论文请在《华中电力》2014第7期发表）
姓名：林镇周
性别： 男
民族： 汉族
出生：1966年8月出生
籍贯：广东汕头市
学历：硕士研究生
现职称：高级工程师
工作单位：中国能建广东省电力第一工程局
研究方向：电力工程设计和施工技术
关键词：咬合桩；闭合冠梁；桶箍效应；正方砌块；沉箱；摆放扭王块；
一、项目背景
粤东沿海某24×2MW沿海风电场2009年10月建成投产，2011年9月强台风“纳沙”从广东粤东沿海登陆，强大的海浪冲刷海岸线，7台风机基础底部淘空面积约10～50%不等，风机面临重大安全威胁。风电场运营单位先后多次采用堆磊大块石方法对风机基础进行防护，但块石屡被风浪卷入大海，台风时刻威胁着风电场的安全。
二、沿海风电场风机基础加固分析
风力发电机正常工作状态下，塔筒只受到叶片的水平风力作用，风机体系依靠塔筒、基础重力和基桩的抗拔力维持平衡。在台风季节，处于海岸边的风电机塔筒基底地基被大浪冲刷、底部淘空后，地基对风机基桩上端失去握裹力，基桩长细比增大，承载力降低。汹涌澎湃的海浪强烈冲击风机基础底部和侧面，形成巨大的托力和水平力；同时海水在冲击风机基础的同时浸泡风机基础，使得风机基础严重失重，重度由25kN/m3降低至25-10.3=14.7 kN/m3，抗倾覆力矩大大减小，风机体系重心上移。当风力达到一定强度时，风机将发生倾覆。
防止沿海风力发电机倾覆的技术原理，一是采取技术措施，防止台风海浪冲刷靠近海岸线的风机基础；二是对于已被海浪淘空或局部淘空的风机基础底部地基用海砂填充密实后采取安全可靠的围闭措施，保护风机基础地基不再被台风海浪冲刷而淘空。
类似沿海加固技术主要有“正砌方块、沉箱、摆放扭王块、堆放大型土工布砂袋”四种。
“正砌方块”技术，方块间整体性能差，无法抵抗较大海浪的冲击，在台风季节，海浪超过一定高度时，正砌方块存在倒塌风险。
“沉箱”技术，施工工期长，投资高，且沉箱之间不可避免地存在缝隙，风机基础底部地基可能被台风海浪局部淘空。
“摆放扭王块” 技术，施工工期长，摆设扭王块时需配置大型超重机械；竣工后，扭王块之间存在大量空隙，台风季节风机基础地基仍然存在局部淘空风险，风机安全存在安全隐患。
“堆放大型土工布砂袋”技术，耐久性差，风浪较大、淹过砂袋时，砂袋存在漂移风险，而且潮汐范围内的砂袋干湿交替，寿命不长。
2012年7月，风电场运营单位委托了两个相关专业设计院和我局分别研究并各自出台1个加固方案。经运营单位组织专家评审，专家组一致认为我局编制的风机基础加固方案科学合理，运营单位委托我局实行工程加固总承包。
三、沿海风电场风机基础加固方案
根据以上技术分析，我们对被海浪淘空的风机基础采取如下方案：
①沿着风机基础圆弧设置咬合桩，风机电缆通道留空。咬合桩按素砼灌注桩与钢筋砼灌注桩相间布置，桩与桩之间咬合200mm；任何情况下，海浪无法冲刷、淘空风机基底，也无法浸泡风机基础，更好地保证了风机在台风季节的安全。
②咬合式灌注桩桩顶设置闭合式圆弧冠梁，其中电缆通道上方设置一根联系梁与冠梁相联结，形成“桶箍”效应，使得悬臂式支护桩受力转化近似两端受约束的简支方式，受力更加科学合理。冠梁完成，风机基础上部回填后，即使海浪再次冲刷，咬合桩形成“半岛”，沿海风电变成“海上风电”，风机也能安然无恙。
③确定咬合桩桩径和桩长：
桩径确定：一般取800㎜或1000㎜，按悬臂桩土压力进行验算。
桩长确定：L=L1+L2-H。
L2确定方法：参照《建筑基桩技术规范》（JGJ-2008）5.3.5条“经验参数法”计算，按被海水冲刷后海床中咬合桩的端阻力与侧阻力之和不小于2倍桩身及冠梁自重，以及桩在海床中的长度不小悬臂长度的原则确定桩长。
L1—前次台风海浪冲刷风机外侧海岸水下海床至风机地面高度；
L2—风机外侧海床面至桩底的长度， L2取以上两式中的较大值；
R—为咬合桩半径，H—冠梁高度；
qsik—咬合桩侧阻力标准值，按《建筑基桩技术规范》表5.3.5-1对应的土质类别取值；
qpk—咬合桩端阻力标准值，按《建筑基桩技术规范》表5.3.5-2对应的土质类别取值。
四、沿海风电场风机基础加固技术实施
2012年10月～12月，粤东沿海风平浪静，我们对风机基础加固技术进行实施。首先在风机临海侧用附近海砂回填至高潮位以上高程，作为咬合桩施工平台；在平台上施工咬合桩定位基础，基础达到一定强度后，开始咬合桩围闭施工。
咬合桩施工初始阶段，先施工相间的两根素砼桩，在素砼桩砼掺入缓凝剂，终凝时间不小于24h； 相间的两根素砼桩施工完毕后，立即施工素砼桩之间的钢筋砼桩。咬合桩施工完毕后，经检测合格后立即开展冠梁施工。
五、技术应用效果
2013年9月，十四级超强台风“天兔”从风电场附近海面登陆，尽管风电场范围内的所有树木连根拔起或拦腰折断、该风电场110kV出线基塔倒塌4基、邻近风电场风机倒塌8台，应用本技术加固后的风机，尽管1台已接近“海上风电”，但加固后的风机全部安然无恙、巍然屹立于海洋之濱。
作者资料： （本论文请在《华中电力》2014第7期发表）
姓名：林镇周
性别： 男
民族： 汉族
出生：1966年8月出生
籍贯：广东汕头市
学历：硕士研究生
现职称：高级工程师
工作单位：中国能建广东省电力第一工程局
研究方向：电力工程设计和施工技术