CN103790175A

CN103790175A - 强风化岩层风力发电机组预应力扩底锚杆基础

Info

Publication number: CN103790175A
Application number: CN201410034443.2A
Authority: CN
Inventors: 孟庆波; 孟岍
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2014-05-14

Abstract

强风化岩层风力发电机组预应力扩底锚杆基础涉及一种风力发电机组岩层基础结构的改进及其施工方法。本发明提供一种基础非常稳定、受力合理、节省原材料的强风化岩层基础结构。本发明在混凝土承台边缘的下方具有直孔，直孔均布于以固定部为中心的圆周上；直孔底部与其下方的扩底孔相连通，直孔内有由若干根钢线组成的钢绞线，钢绞线底端具有钢绞线的锚固部分，锚固部分设置于扩底孔内；钢绞线外设置有波纹管，在波纹管与直孔之间和扩底孔内为混凝土，波纹管内以及钢绞线的空隙间为混凝土；钢绞线上端通过定位锚盘固定在混凝土承台上方；在直孔内上部距混凝土承台底面之间设置有缓冲段，该缓冲段的直孔内、波纹管外不填充混凝土，而填充可压缩介质。

Description

强风化岩层风力发电机组预应力扩底锚杆基础

技术领域

本发明属于风力发电技术领域，更具体地说，是涉及一种风力发电机基础结构的改进，及其施工方法。

背景技术

现有的风力发电机基础结构通常为如下结构：（见图8）在地表下设置一直径16~20m、深3m左右的锥状混凝土基，其混凝土基的重量为40~50t、400~600m³，钢筋用量40~60t；混凝土基的中部有一圆柱筒状的金属环，该金属环的顶部为法兰，金属环顶部法兰与上方风力发电机塔筒法兰通过螺栓相固定，金属环的其他部分和插接钢筋一同埋入混凝土。

上述现有结构的缺点是：其混凝土基的直径为16~20m，需要在地表开孔面积大，垂直深度3m深，因此工程量较大；另外，混凝土基的重量为40~50t、400~500m³，钢筋用量40~60t，消耗材料非常多。

中国实用新型专利，专利号为：201120307606.1、名称为：风力发电机风化岩层扩底锚杆基础，其公开了一种位于岩石地质风力发电机的基础的结构改进；包括一位于风机筒体下方的风机法兰，该风机法兰与上法兰通过螺栓连接，所述的上法兰的外缘同连接筒的上部相接，其结构要点是：所述连接筒的下部焊接在下法兰上，该下法兰外缘的直径大于上法兰的外缘直径，所述的下法兰下方、位于一大于所述上法兰外缘直径和一小于所述上法兰外缘直径的圆周上分别匀布有长螺杆，所述长螺杆的底部设置有至少两个挂板。该结构尚存在的不足是：由于主要起抗拔作用的长螺杆均固定在连接筒的下法兰上，而连接筒的大小又与风机筒体的底部相应，因此长螺杆的荷载非常大，容易疲劳，可见该实用新型的锚杆基础结构一般适用于小型风力发电机，局限性强。

又如中国发明专利，专利号为：201010249825.9、名称为：桩锚杆基础结构，其公开了一种桩锚杆基础结构，属于建筑建设工程中用于固定诸如机架或塔架等大型设备，且主要利用混凝土及刚性材料的机械结构形成的基础建筑结构的技术领域。包含基础混凝土圆柱体承台和向下延伸的呈圆周状均匀分布的高强灌浆柱，该高强灌浆柱内通过压力灌浆固定有可穿入所述基础混凝土圆柱体承台内的锚杆；该基础混凝土圆柱体承台同轴设置环状精轧钢筋。采用本结构可以使整个基础承受由上部高耸结构传来的巨大弯矩，和传统扩展基础相比，大幅度的节省了包括混凝土和钢材等的材料用量。该结构尚存在的不足是：其抗拉力不够，即该实用新型的高强度灌浆柱与锚杆形成一种摩擦桩，而非承载桩。以直径为8m（100m³）的承台为例，直孔深度为15~20m，每根锚杆需要的受力为200t（KN），为了增加锚杆韧性，通常锚杆的钢筋需要进行热处理；然而韧性确是增加了，但其抗冲击力则大大降低；而且，这种摩擦桩的最大缺点是经长期蠕变，某一锚杆可能会失效，进而导致相邻锚杆失效，乃至整个风力发电机塔筒倾翻。

发明内容

本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种基础非常稳定、受力合理、节省原材料的风力发电机组的强风化岩层基础结构，以及其施工方法。

为实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明包括内置配筋的圆柱体状的混凝土承台，混凝土承台内的中部设置有风力发电机的固定部，固定部的上方通过螺栓与风力发电机塔筒的底部相连，其结构要点是：在混凝土承台边缘的下方具有若干直孔，直孔均布于以固定部为中心的圆周上；直孔的底部与其下方的扩底孔相连通，直孔内有由若干根钢线组成的钢绞线，钢绞线的底端具有钢绞线的锚固部分，锚固部分设置于扩底孔内；在钢绞线外还设置有波纹管，在波纹管与直孔之间和扩底孔内为灌注的混凝土，波纹管内以及钢绞线的空隙间为混凝土（此处优选采用灌浆料，灌浆料为流动性好，且凝固后具有高强度的材料，如环氧树脂、高标号碎石水泥砂浆等；在强风化岩层地质条件下需要二次灌浆）；钢绞线的上端通过定位锚盘固定在混凝土承台的上方；在直孔内的上部距混凝土承台底面之间设置有一缓冲段，该缓冲段的直孔内、波纹管（或钢绞线，此缓冲段的钢绞线外可不套波纹管）外不填充混凝土，而填充可压缩介质。

所述缓冲段的常见长度为200-500mm。

可压缩介质可以是空心橡胶套，空心橡胶套设置在钢绞线外，空心橡胶套的长度为200-1000mm，可压缩介质也可以是空心塑料套或者海绵。

钢绞线既可采用有粘结钢绞线，也可采用具有护套的无粘结钢绞线。所述的护套可以是橡胶护套或塑料护套，并在护套内充填油脂。

强风化岩层的地耐力为150-350kpa，由于强风化岩层的地耐力不够，当强风化岩层受下压力后，强风化岩层会被压缩；而埋设在直孔内的钢绞线与混凝土承台连接，因此直孔内的混凝土局部受到压力异常大，单个直孔内上部的混凝土柱局部承受压力经实地测得为1000-2000kpa，长时间会造成直孔上段的混凝土被破坏，使得风力发电机组基础存在极大的安全隐患。然而，采用本发明的上述结构，当风力发电机组基础受压时，由于在直孔的上部距混凝土承台底面处为填充可压缩介质，因此由原有的混凝土柱局部受力改变为现在的与风力发电机组基础底面接触的强风化岩体受力，受力更加合理。

具体地，所述的定位锚盘为一圆柱体状的金属盘，在定位锚盘的中心设置有灌浆孔；以灌浆孔为中心、半径小于定位锚盘的圆周上均布若干倒圆台形（用一个平行于圆锥底面的平面去截圆锥，底面与截面之间的部分为圆台）的通孔，其数量与钢绞线的数量相对应；在倒圆台形的通孔内壁与钢绞线之间设置有分体式的楔片，各楔片组合形成一倒圆台，每个楔片为该倒圆台的等分体，楔片内侧组合形成的圆柱体弧面与钢绞线的外部相对应；在倒圆台形的通孔与灌浆孔之间还设置有一排气孔。在本发明的定位锚盘中，所述的楔片为两个；其作用是：利用其倒圆台形、瓦片状的结构，内裹钢绞线，外限位于倒圆台形的通孔内，使钢绞线在承受上拔力后，不再窜动，固定在定位锚盘之上。

更具体地，所述钢绞线的锚固部分可以采用压花机压制成的金属压花，也可以采用带分体式楔片的定位锚盘（该定位锚盘可以不再设置灌浆孔和排气孔），将钢绞线的底部束紧，并置于扩底孔内。

所述的金属压花在扩底孔内可以是分散排布、自由排布，也可以是自上而下、交错式的排布方式；一是防止金属压花间的相互干扰，二是使之与混凝土形成更稳定的混凝土锚基结构，达到更好的抗拔效果。因此，作为本发明的另一种优选方案，在所述扩底孔的底部中心设置延长孔，该延长孔的位置与直孔相对应，延长孔的直径应小于直孔的直径，笋形桩的下部置于延长孔内；笋形桩可以采用金属或混凝土浇注而成。该笋形桩的作用是：利用其带有弧面的尖部，使钢绞线底端的金属压花均匀地分布在笋形桩的弧面外围。

更进一步地，所述钢绞线为7根钢线绞绕成一股。

作为本发明的另一种优选方案，灌浆孔为M30的螺纹孔，该螺纹孔可与灌浆机的连接管配合，以固定连接管；排气孔为M16的螺纹孔，当波纹管内的空气排出后，可用螺栓与排气孔的螺纹配合，封住排气孔，继续增加灌浆压力。

所述的固定部为一圆柱体状的金属环；或者是反向法兰，反向法兰是由上法兰和下法兰构成，在上法兰和下法兰之间通过螺栓相连，螺栓的顶部通过螺母固定在风力发电机塔筒内的底部法兰上。

本发明基础结构的施工方法。

（1）在地表挖基坑。

（2）在基坑的底部沿圆周，等间距钻若干直孔。

（3）再使用扩底钻头设备，在直孔的底部扩孔。

（4）在扩底孔的底部钻延长孔，在延长孔内放入笋形桩。

（5）向每个直孔内放入底部带有金属压花的钢绞线。

（6）在每个直孔内的钢绞线外，套上波纹管，上至地表，下至扩底孔处。

（7）向直孔内、波纹管外，灌注混凝土；并在直孔上部距基坑底面留一缓冲段，在缓冲段的直孔内、波纹管外填充可压缩介质。

（8）在基坑的中央设置金属环。

（9）在基坑内安装配筋。

（10）向基坑内灌注混凝土，形成混凝土承台。

（11）混凝土强度达到设计强度后，对在波纹管内的钢绞线施加预应力，然后用楔片将钢绞线锁紧在定位锚盘上，定位锚盘位于混凝土承台顶面。

（12）再将灌浆机的连接管旋紧在定位锚盘的灌浆孔上，向波纹管内、钢绞线间隙灌注灌浆料，待波纹管内的空气通过排气孔排净，用螺栓将排气孔封住，并再向波纹管内施加灌浆压力，即可。

与现有技术相比本发明的有益效果。

（1）结构非常稳定：本发明的结构特点就是通过钢绞线和金属压花/定位锚盘形成混凝土锚基，利用混凝土锚基与岩石之间的抗压力，使混凝土承台的抗拔力增强，从根本上改变了现有技术风力发电机基础不合理的结构设计。而且，采用了钢绞线，具有比相同截面钢棒更大的抗拔力。

（2）与现有技术1相比，节省钢筋60%，混凝土70%。与现有技术2和3相比，钢绞线具有优良的抗拔力，为1860KN/cm²，以36直孔为例，每直孔放入6根钢绞线，每根钢绞线为7股，充分利用了钢绞线抗拉的性能。

（3）采用本发明的上述结构，当风力发电机组基础受压时，由于在直孔的上部距混凝土承台底面处为填充可压缩介质，因此由原有的混凝土柱局部受力改变为现在的与风力发电机组基础底面接触的强风化岩体受力，受力更加合理。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步地说明。

图1是本发明风力发电机钢绞线预应力基础结构应用在岩层地质条件下的结构示意图。

图2是本发明采用另一种固定部的结构示意图。

图3是本发明定位锚盘的结构示意图。

图4是图3的A-A剖视图。

图5是本发明笋形桩的结构示意图。

图6是图5的俯视图。

图7是本发明金属压花的一种排布方式示意图。

图8是现有风力发电机基础的结构示意图。

其中，1为金属压花、2为扩底孔、3为钢绞线、4为波纹管、5为直孔、6为配筋、7为定位锚盘、8为混凝土承台、9为固定部、10为风力发电机塔筒、11为通孔、12为楔片、13为灌浆孔、14为排气孔、15为笋形桩、16为延长孔、17为缓冲段、18为空心橡胶套。

具体实施方式

实施例1：1.5MW的风力发电机装机的本发明基础结构的施工方法。

（1）在地表挖直径为10m、深度为1.6m的基坑。

（2）在基坑的底部沿圆周、相邻两两等距，钻直径为150mm、深度为10m、数量为30个的直孔5，直孔5的中心与基坑中心的距离为4.5m。

（3）再使用扩底钻头设备，在直孔5的底部扩孔，扩底孔2的直径为250mm、高度为400mm。

（4）在扩底孔2的底部钻200mm深的延长孔16，在延长孔16内放入笋形桩15，直径140mm，高度300mm。

（5）向每个直孔5内放入底部带有金属压花1的钢绞线3，7根。

（6）在每个直孔5内的钢绞线3外，套上波纹管4，上至地表，下至扩底孔2处。

（7）向直孔5内、波纹管4外，灌注混凝土；并在直孔上部距基坑底面留一缓冲段17，长度为300mm，在缓冲段17的直孔内、波纹管外设置空心（软质）塑料套，长度为300mm，空心塑料套厚度为20-50mm。

（8）在基坑的中央设置金属环直径4m、高度1.5m，露出地表部分高度为400mm。

（9）放入配筋6，10t，散布在基坑内。

（10）向基坑内灌注120 m³的混凝土，形成混凝土承台8。

（11）混凝土强度达到C40后，钢绞线3施加预应力700KN，然后用楔片12将钢绞线3锁紧在定位锚盘7上，定位锚盘7位于混凝土承台8顶面。

（12）再将灌浆机的连接管旋紧在定位锚盘7的灌浆孔13上，向波纹管4内、钢绞线3间隙灌注灌浆料，待波纹管4内的空气通过排气孔14排净，用螺栓将排气孔14封住，并再向波纹管4内施加30N的灌浆压力，即可。

实施例2：2MW的风力发电机装机的本发明基础结构的施工方法。

（1）在地表挖直径为10m、深度为1.6m的基坑。

（2）在基坑的底部沿圆周、相邻两两等距，钻直径为150mm、深度为10m、数量为28个的直孔5，直孔5的中心与基坑中心的距离为4.5m。

（5）向每个直孔5内放入底部已用定位锚盘7束紧的钢绞线3，6根，定位锚盘7与扩底孔2底面的垂直距离为50mm。

（7）向直孔5内、波纹管4外，灌注混凝土；并在直孔上部距基坑底面留一缓冲段17，长度为500mm，在缓冲段17的直孔内、波纹管外设置空心橡胶套18，长度为700mm，空心橡胶套18厚度为20-50mm。

（9）放入配筋6，10t，散布在基坑内。

（10）向基坑内灌注120 m³的混凝土，形成混凝土承台8。

实施例3：2MW的风力发电机装机的本发明基础结构的施工方法。

（1）在地表挖直径为10m、深度为1.6m的基坑。

（5）向每个直孔5内放入底部带有金属压花1的钢绞线3，6根。

（6）在每个直孔5内的钢绞线外，套上波纹管4，上至地表，下至扩底孔2处。

（9）放入配筋6，10t，散布在基坑内。

（10）向基坑内灌注120 m³的混凝土，形成混凝土承台8。

上述各实施例中扩底钻头设备是实用新型专利号为89210660.3、名称为岩石锚杆扩底钻头设备。其主要由推力杆、滑块和扩底板组成，其特点是增强锚杆的承载能力，扩底直径大，更换钻头方便。适用于各种岩石锚杆。

本发明在辽宁省北票市桃花山风电项目风力发电机钢绞线预应力基础结构的试验报告。

工程名称：辽宁龙源风力发电有限公司北票桃花山风电钢绞线扩锚杆试验工程。

施工单位：海南中海电力工程有限公司。

检测单位：辽宁省工程质量检测中心。

试验项目：GJ-1\GJ-2钢绞线试验锚杆上拔极限真型试验。

试验时间：2013年01月06日。

试验地点：辽宁北票桃花山现场。

工程简介：本试验项目为了验证本发明钢绞线预应力基础结构在风电基础应用可行性；确定在强风化岩的地质条件下，以钢绞线为锚杆材料的基础锚杆在施加一定预应力的情况下所能达到的极限上拔载荷。项目对应试验桩位为GJ-1、GJ-2号，试验场地位于辽宁北票桃花山风电场F16机位附近。

现场水文地质条件：根据通辽华泰工程勘察有限责任公司《工程地质勘查报告》，在基础埋深范围内风机场区内强风化岩、可作为锚杆基础持力层。基础承台持力层为中风化花岗岩。风机部分场地内勘察期间未见有地下水，场地的标准冻深为1.2m。

试验过程：分别对GJ-1，GJ-2桩位每处各一组试验扩底锚杆进行试验（每组一根，共计两根）。本次试验依据国家标准《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）相关规定，采用基本试验所应用的循环加载卸载法进行，依次对GJ-1、GJ-2桩位的试验锚杆进行试验。

1、试验锚杆概况：材料规格：OVM15-5型预应力钢绞线，材质为￠15.2专用钢绞线，每组锚桩由5根钢绞线组成，钢绞线外套波纹管后进行灌注成桩；锚孔直径Φ130mm；扩底直径230mm，扩底高度500mm。钢绞线埋深5m。锚孔灌桩采用C40级细石混凝土或灌浆料。

2、试验设备和加载步骤：（1）用油压表和百分表分别测量上拔加载量和基础位移，使用前经鉴定合格。（2）锚杆两段端各采用一套100t油压千斤顶加载。（3）试验的极限荷载量取1600kN，按照《建筑基坑支护技术规程》规定的加荷等级及时间进行加载，记录数据。（4）为保证数据准确，每根锚杆单独加载、卸载。

试验结果如下。

编号	GJ-1	GJ-2
			锚杆埋深（m）	5	5
最大载荷(KN)	1490	1470
			备注	破坏	破坏

根据试验结果，经分析可得以下结论：GJ-1、GJ-2号钢绞线扩底试验锚杆极限承载力大于设计要求值1400 KN, 满足设计单根锚杆抗拔承载力特征值700KN，极限抗拔承载力不小于1400KN的要求，可满足风电基础应用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims

1.强风化岩层风力发电机组预应力扩底锚杆基础，本发明包括内置配筋（6）的圆柱体状的混凝土承台（8），混凝土承台（8）内的中部设置有风力发电机的固定部（9），固定部（9）的上方通过螺栓与风力发电机塔筒（10）的底部相连，其结构要点是：

在混凝土承台（8）边缘的下方具有若干直孔（5），直孔（5）均布于以固定部为中心的圆周上；直孔（5）的底部与其下方的扩底孔（2）相连通，直孔（5）内有由若干根钢线组成的钢绞线（3）（在土层地质条件下，可采用无粘接钢绞线3），钢绞线（3）的底端具有钢绞线（3）的锚固部分，锚固部分设置于扩底孔（2）内；在钢绞线（3）外还设置有波纹管（4），在波纹管（4）与直孔（5）之间和扩底孔（2）内为灌注的混凝土，波纹管（4）内，以及钢绞线（3）的空隙间为混凝土（此处优选采用灌浆料，灌浆料为流动性好，且凝固后具有高强度的材料，如环氧树脂、高标号碎石水泥砂浆等；在岩层地质条件下需要二次灌浆，在土层地质条件下，仅需向波纹管3内灌浆）；钢绞线（3）的上端通过定位锚盘（7）固定在混凝土承台（8）的上方；

在直孔（5）内的上部距混凝土承台（8）底面之间设置有一缓冲段（17），该缓冲段（17）的直孔（5）内、波纹管（4）（或钢绞线3，此缓冲段的钢绞线外可不套波纹管）外不填充混凝土，而填充可压缩介质（18）。

2.根据权利要求1所述的强风化岩层风力发电机组预应力扩底锚杆基础，其特征在于：所述的定位锚盘（7）为一圆柱体状的金属盘，在定位锚盘（7）的中心设置有灌浆孔（13）；以灌浆孔（13）为中心、半径小于定位锚盘（7）的圆周上均布若干倒圆台形的通孔（11），其数量与钢绞线（3）的数量相对应；在倒圆台形的通孔（11）内设置有分体式的楔片（12），各楔片（12）组合形成一倒圆台，每个楔片（12）为该倒圆台的等分体，楔片（12）内侧组合形成的圆柱体弧面与钢绞线（3）的外部相应；在倒圆台形的通孔（11）与灌浆孔（13）之间还设置有一排气孔（14）。

3.根据权利要求2所述的强风化岩层风力发电机组预应力扩底锚杆基础，其特征在于：所述缓冲段（17）的常见长度为200-500mm。

4.根据权利要求2所述的强风化岩层风力发电机组预应力扩底锚杆基础，其特征在于：可压缩介质可以是空心橡胶套（18），空心橡胶套（18）设置在钢绞线（3）外，空心橡胶套（18）的长度为200-1000mm，可压缩介质也可以是空心塑料套或者海绵。

5.根据权利要求2所述的强风化岩层风力发电机组预应力扩底锚杆基础，其特征在于：所述的钢绞线（3）既可采用有粘结钢绞线（3），也可采用具有护套的无粘结钢绞线（3）；所述的护套可以是橡胶护套或塑料护套，并在护套内充填油脂。

6.根据权利要求5所述的强风化岩层风力发电机组预应力扩底锚杆基础，其特征在于：所述钢绞线（3）的锚固部分采用压花机压制成的金属压花（1），或可采用带分体式楔片（12）的定位锚盘（7），将钢绞线（3）的底部束紧，并置于扩底孔（2）内。

7.根据权利要求1所述的强风化岩层风力发电机组预应力扩底锚杆基础，其特征在于：所述的金属压花（1）在扩底孔（2）内为分散、自由排布，或是自上而下、交错式的排布方式。

8.根据权利要求2所述的强风化岩层风力发电机组预应力扩底锚杆基础，其特征在于：在所述扩底孔（2）的底部中心设置延长孔（16），该延长孔（16）的位置与直孔（5）相对应，延长孔（16）的直径应小于直孔（5）的直径，笋形桩（15）的下部置于延长孔（16）内（笋形桩15采用金属或混凝土浇注而成）。

9.根据权利要求2所述的强风化岩层风力发电机组预应力扩底锚杆基础，其特征在于：所述的固定部（9）为一圆柱体状的金属环；或者是反向法兰，反向法兰是由上法兰和下法兰构成，在上法兰和下法兰之间通过螺栓相连，螺栓的顶部通过螺母固定在风力发电机塔筒（10）内的底部法兰上。

10.强风化岩层风力发电机组预应力扩底锚杆基础的施工方法，其特征在于：

（1）在地表挖基坑；

（2）在基坑的底部沿圆周，等间距钻若干直孔（5）；

（3）再使用扩底钻头设备，在直孔（5）的底部扩孔；

（4）在扩底孔（2）的底部钻延长孔（16），在延长孔（16）内放入笋形桩（15）；

（5）向每个直孔（5）内放入底部带有金属压花（1）的钢绞线（3）；

（6）在每个直孔（5）内的钢绞线（3）外，套上波纹管（4），上至地表，下至扩底孔（2）处；

（7）向直孔（5）内、波纹管（4）外，灌注混凝土；并在直孔（5）上部距基坑底面留一缓冲段（17），在缓冲段（17）的直孔（5）内、波纹管（4）外填充可压缩介质；

（8）在基坑的中央设置金属环；

（9）在基坑内安装配筋（6）；

（10）向基坑内灌注混凝土，形成混凝土承台（8）；

（11）混凝土强度达到设计强度后，对在波纹管（4）内的钢绞线（3）施加预应力，然后用楔片（12）将钢绞线（3）锁紧在定位锚盘（7）上，定位锚盘（7）位于混凝土承台（8）顶面；

（12）再将灌浆机的连接管旋紧在定位锚盘（7）的灌浆孔（13）上，向波纹管（4）内、钢绞线（3）间隙灌注灌浆料，待波纹管（4）内的空气通过排气孔（14）排净，用螺栓将排气孔（14）封住，并再向波纹管（4）内施加灌浆压力，即可。