岩石扩底锚杆基础在风电机组中的应用

　　陆上山区风电机组普遍采用重力式基础，该基础具有整体稳定性高、占地面积大、混凝土用量大、土石方开挖回填量大等特点。如果基底有完整程度较好的基岩，采用岩石锚杆基础，可明显减小基础尺寸，具备一定经济效益。岩石锚杆大量应用于输电线路铁塔基础中，在风电机组的基础中尚未有丰富的应用经验。对于岩石锚杆应用的地质条件、锚杆试验和施工中的经验也亟需积累。下面主要介绍安徽某风电场的锚杆基础的设计和施工。

　　工程地质

　　该风电场共安装29 台2.1MW 风电机组，其中12#、21#、24# 三个机位基础场地狭窄，传统重力式基础施工难度很大(图1)。建设单位汇同设计、地勘单位现场踏勘，三个场地基岩埋藏较浅，岩石完整程度较高，初步认为可采用岩石锚杆基础。根据下一步地质详勘揭示：三个场地出露基岩地层为志留系上统茅山组(S3m) 石英砂岩夹少量泥质粉砂岩，覆盖层为第四系残坡积层(Q4el+dl)。

　　图1 12#机位场地条件

　　根据室内试验成果，结合地区经验，地勘单位提出基岩物理力学参数指标建议值一览表，见表1。

　　基础设计

　　根据风电场工程风电机组机位地勘报告、风电机组制造厂提供的载荷和基础设计条件，对风电机组基础的结构强度、变形等进行计算(灌浆料与岩体之间粘结强度暂时按《风电机组地基基础设计规定(试行)》FD 003 - 2007和《建筑地基基础设计规范》GB50007 - 2011 选取)。承台底板直径D=13m，台柱直径d0=6.5m，基础外缘高度h1=1m，棱台高h2=0.8m，台柱高h3=0.4m。基础底面布置一圈锚杆，分布半径为6m，共布置44 根;锚杆孔直径d1=130mm，扩底部分直径d2=230mm，锚杆锚固长度L=5m，深入基础部分1m，采用6.8 级M55 锚栓。锚栓与钻孔之间的灌浆材料采用高强无收缩水泥基灌浆砂浆，28d抗压强度不小于60MPa。锚杆进入中风化石英砂岩示意图见图2。经计算，在风电机组极端载荷下单根锚杆所受最大上拔力标准值为353kN。

　　相较于重力式基础，岩石锚杆基础设计中需要对锚杆与基础连接处的混凝土局压、冲切、锚板的抗剪等进行验算。经计算，与其它重力式基础相比，混凝土方量减少50%，钢材(包括锚杆和钢筋)用量减少25%。

　　钻孔机械应考虑钻孔通过的岩层类型、成孔条件、锚固类型、锚杆长度、施工环境、地形条件、经济型和施工速度等因素选择。要求孔位偏差不大于20mm，孔位倾斜度不大于5%。施工时必须采取可靠的定位措施保证锚杆与钻孔同心。灌浆前应将孔清理干净，孔壁不允许有泥膜存在，锚杆无收缩灌浆料应灌注密实。

　　岩石锚杆试验

　　为取得扩底锚杆基础设计所需参数，并验证扩底锚杆基础的可行性，需进行锚杆抗拔试验。分别在12# 和24#两个风电机组机位布置试验场地。试验采用2 个油压千斤顶加反力横梁的设备。12# 机位锚杆试验见图3。

　　锚杆极限抗拔试验采用多循环加载，加载等级和位移观测时间应符合表2 要求。

　　试验确定的锚杆抗拔承力特征值为530kN，满足承载力要求。

　　施工和验收

　　在基坑开挖过程中不应对岩石采取爆破措施，防止对基底岩石完整程度造成破坏。由于上覆填土对基础稳定性影响较小，基底埋深可以适当调整，以达到较完整基岩为准。在基坑开挖完成后必须联同地勘、监理、建设单位进行验槽。本工程在12# 机位验槽中发现有一条贯穿基础的约1m 宽含泥质砂岩条带(图4)，因此要求此机位增加验收锚杆数量至6 根。

　　基础垫层施工前必须将基底浮土、碎石清除并用水润湿。

　　图2 12#机位场地条件

　　岩石锚杆钻孔施工中必须保证钻孔机械稳定，防止因钻机晃动导致钻孔偏差。在其它工程中发现当岩石强度等级很高时，扩孔段难度较大，因此要求施工单位事先对岩石的强度、扩底刀头的强度以及钻机动力源的选择做认真的评估，因为一旦开始施工，由于刀头损坏或者扩底不到位导致施工中断或延期将会给业主带来损失。

　　当施工单位钻孔完成后，监理单位应进行扩孔尺寸的检查。

　　当工程锚杆灌浆强度达到一定后(至少14 天)，应进行验收试验。验收试验采用单个电控穿心千斤顶(见图5)加载。验收试验数量除12# 机位取6 根锚杆外，其余机位各取4根，位置由现场监理随机指定，优先选择施工质量有疑问、侧壁地质条件相对略差的锚杆。最大试验荷载为承载力特征值1.5倍。此外为积累工程数据，本工程选取一定数量的锚杆进行了应力监测。锚杆验收合格后进行下一步的钢筋笼绑扎、基础混凝土浇筑工作。

　　图3 12#机位锚杆试验

　　图4 12#机位基坑验槽

　　讨论

　　岩石扩底锚杆基础应用的最大的风险，在于地质条件的不确定性。这就要求在基础方案选择阶段就进行详勘，必要时在钻孔的基础上辅以一定数量的探槽等措施，对基岩埋深、完整程度等性质有最大程度的了解，防止基坑开挖后由于地质条件不符发生基础方案的改变。

　　施工单位需要具备相关施工经验，钻孔设备的选择是否得当往往决定工程是否能顺利进行。

　　图5 验收试验

　　结论

　　1 岩石扩底锚杆基础可以显著节约混凝土和钢材用量。因锚杆基础施工工序较多，现场踏勘后初选锚杆基础方案的机位后，应尽快优先开展地质详勘工作、尽早开挖基坑、进行锚杆试验，保证整个风电场的竣工并网不受影响。

　　2 岩石扩底锚杆基础对场地基岩强度和完整程度有较高要求。在基础方案选择前必须进行详细的地质勘察，宜在钻孔的基础上辅以适当数量的探槽，以了解基岩的埋深、完整程度等。基坑开挖完成后应及时进行验槽、备案，地勘和设计单位认可后再进行下一步工作。

　　3 工程锚杆施工前必须委托具有相关资质的单位进行试验锚杆的施工、抗拔试验。

　　4 施工单位必须事先对岩石的强度、扩底刀头的强度以及钻机动力源的选择做认真的评估，防止施工延期。

　　5 必须严格施工质量流程控制，监理单位应对钻孔及扩孔进行旁站、检查。

　　6 工程锚杆养护至少14 天后需按规范进行验收试验，每台风电机组不少于3 根。