风电场建设中的勘测设计工作及其优化方法分析

风电场建设中的勘测设计工作及其优化方法分析作者：张长存来源：《风能》2014年第01期摘要：针对风电场建设阶段多、参与单位多，后期会暴露出诸多问题的现状，本文从建设阶段划分及技术联系入手，把建设中的各个阶段的设计工作看成一个整体。

着重对获取勘察、测量等基础设计资料，对风电机组布置、基础方案的优化方法进行了分析，以期减少项目后期运行中的隐患，带来管理上、效益上的更大收益。

关键词：阶段特点；勘测；设计；技术优化中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-9219（2014）01-0066-040、引言随着风电场工程建设过程深入进行，建设单位对提高工程质量、加快施工进度及降低资金投入的要求越来越高。

但是在建设中存在诸多问题，如勘测设计周期较短，施工期、建设期也很短，并且多与施工图阶段设计同步进行；涉及的专业多，如测量、风能资源、勘察、电气、土建、消防、环评水保、概算财评等；参加的单位多，由政府主管部门、项目建设单位、设计单位、监理单位、施工单位、设备供货单位等多个单位，在较短的时间内来协作完成审批、勘测设计、招投标及施工建设工作，其难度可想而知。

建设期结束是漫长的运营期，设计为20年。

运行维护期会慢慢地暴露出方方面面的问题，进而影响项目收益预期，这又使得建设单位对风电建设前期阶段的管理进行细化，对各个阶段存在的管理、技术工作进行思考和总结。

1、风电场建设阶段划分1.1 阶段划分及所含技术内容由风电场项目开发之初至工程建设投产，加之运行维护，风电场建设大致可以分为项目开发阶段、招标设计及施工设计阶段、施工建设阶段及运行维护阶段等。

每个阶段均对应不同的勘测设计内容，如表1所示，而同一个技术问题在不同阶段又大多会有所涉及。

以风电机组布置、设备采用、基础型式等技术问题为例，在可行性研究阶段、初设、施工图阶段及后期建设、运营期均有涉及，只是成果精度存在差别。

1.2 阶段特点及技术联系1.2.1 阶段特点及存在的问题表1中各个阶段具有不同特点和重点。

一般把项目核准前定为开发阶段，重点是项目可行性、核准。

通常把招标、投标、初设、施工图设计及施工，定为施工建设阶段，重点是建设、入网、发送电。

把运营阶段定为运行维护，重点是正常运行、送电、收益。

实施过程中，不同阶段的工作重点不同，负责的部门也会有所不同。

可见，风电场建设由规划开始至建设完成后的运营期止，这种不同阶段、不同公司的不同着重点，决定了前期工作很难兼顾到其他部门的后期工作，很难将整个项目建设当成整体来抓，因此当风电场运营一段时间后，可能会逐渐暴露出发电量偏小、设备故障多、风电机组基础存在安全隐患等问题。

不难发现，运营期间出现的问题在前期均有涉及，只是没有被参与的不同的公司、部门当成重点来做，或者存在侥幸心理进而把问题遗留下来。

1.2.2 技术联系对各个阶段所涉及的技术问题进行分析时会发现：（1）前期预可研、可研阶段的地质、地形、气象条件、测风数据等基础资料，决定了风能资源评价，并由此来选择发电机机型，计算发电量。

其后至施工图设计前，会根据前期这些基础资料进行微观选址工作，确定具体机位，来细化发电量、评价风电机组安全等。

（2）根据前期预可研、可研阶段的地质、地形、地灾等基础资料，初步确定风场建筑（构筑）物、风电机组等基础的设计方案，根据这些资料来选择持力层、基础型式等，进而影响施工组织设计及工程概算结论。

施工图阶段仍需进行进一步的勘测设计工作，精度会更加详细。

这就要求不同阶段的相同设计问题的结论应该一致，必须把各个阶段的技术工作紧密地联系在一起来做，不同公司（部门）应把不同阶段的技术问题重视起来，避免后期结论对前期产生颠覆『生意见或有较大变动。

2、勘察测量等基础技术T作2.1 勘察技术工作2.1.1 工作依据与勘察设计相关的主要规程、规范共有约20余个，此类规范涉及岩土建筑、水利水电、电力及风电等多个勘察设计行业，而现阶段却未有专门针对风电场的勘察规范。

风电场中，就变电站而言，占地约1公顷，岩土工程、水利水电工程、变电所勘测规范中均有涉及，以变电所规范为主。

就风电机组基础而言，涉及范围一般为10 km2-25km2，可研阶段区域地质问题尤其重要，以水利水电工程地质勘察规范为主。

2.1.2 风电场地貌分区在不同省（市）地区的不同的地质条件建立风场，在前期勘测设计阶段可按地形地貌条件把风电场简单划分为山地丘陵区、山麓斜坡区、平原区、滩涂区及滨海区。

基于地形地貌的变化，可以对电场的风电机组机位、建筑物区及道路修建情况有所判断。

例如在山地地区修建风场时，交通道路的投入可能会很大；平原区进行风场建设时，风电机组基础可能是桩基等。

2.1.3 地震作用地震是地壳聚集的能量于破碎地带强烈地释放。

具有巨大的破坏作用，相同条件下，山区破坏会存在放大效应，不利地段可达1.6倍，这必然会加大建筑的不稳定程度。

2.1.4 岩土地质参数以上内容主要为定性的评价，做好工程设计还需要定量的稳定计算。

例如风电机组高耸，具有承受360°方向重复荷载和大偏心受力的特殊性。

要分别提供以下地质参数：（1）承载力：地基承载力特征值；（2）抗滑力：粘聚力及摩擦角；（3）抗变形能力：压缩（变形）模量。

2.2 测量工作2.2.1 工作内容测量成果一般包括地形图及测量技术报告书，是工程设计中最基础的资料。

测量成果提供了场区内建筑物绝对的空间坐标，如机位、变电站位置、杆塔位置等点位；并展示了它们的相对关系，如集电线路、道路及建筑物位置等。

2.2.2 阶段要求在预可研、可研阶段以小比例尺地形图为主，比例为1：50000-1：5000[41，主要针对整个风电场区。

在初设、施工图阶段以较大比例尺地形图为主，一般为1：2000-1：100，主要针对机位、道路、变电站区、集电线路。

上述图件涉及场区范围、机位、道路等内容，在风资料评价、征地、施工中均有应用。

2.3 其他测风资料、气象、水文资料亦均为基础技术资料，由于风电场范围较大，资料应用过程中其代表性受观测点位置的影响。

前期预可研、可研阶段，会对测风数据进行软件分析。

运行维护期，有时会在风场内进行风力观测，并参照发电量情况，对前期结论进行修正，亦可为今后工作积累经验。

与测风资料、气象资料获取相比，勘测工作在建设期专门投入的人力、物力会更多，对专业队伍资质的要求会更严格，对从业技术人员现场经验的要求会更高。

3、设计优化方法设计优化，首先就是在不同设计阶段，采用不同勘测精度的基础资料进行设计时，使设计最优，这种前后不同阶段最优设计的差别应该是详略的不同，不应该是方案上颠覆性的改变。

其次，当施工期勘察后及现场开挖揭露后，最直接的工程地质条件展露出来，提高了设计基础资料的精度，即在原来的最优设计基础上，后期还可以对其进行优化。

这种优化设计以安全、经济为目的，一般可以通过修改设计来节约投资。

但是，当发现存在安全隐患时，会追加处理措施，即优化设计有可能加大投资。

这种在现有资料基础上的使设计最优化，及获得进一步资料后对原有设计内容的优化设计，主要表现在风电机组机型选择布置及建（构）筑物基础设计方案上。

3.1 风电机组机型选择及布置在可研阶段，根据风能资源评价参数及国际电工协会标准IEC61400—1（2005），选用风场适宜的机组类型，如表2所示，根据风功率曲线对现有机型进行初选。

再根据风场地形情况布置风电机组，最终综合考虑发电量、经济指标、施工难度等因素来确定机型及轮毂高度。

上述工作大多根据地形图、地类图、测风资料、风电机组参数在室内初步完成的，为了排除初定机位是否可行的不确定性，因此在施工前需要进行微观选址工作。

微观选址后的机位，排除了不良地质条件、地类、矿产开挖、施工、地物阻挡等不利因素，减少了后期大规模移动的风险，计算出来的发电量、经济指标更接近实际，因此微观选址工作尤其重要。

3.2 建（构）筑物基础3.2.1 本阶段基础方案的设计优化风场建（构）筑物基础中风电机组基础方案最受关注，主要分为天然扩展基础及桩基基础两大类。

预可研、可研阶段的技术方案，多是在区域的及局部点上的勘测成果得出的。

只有施工图设计阶段，针对每一个风电机组、每一个建筑物进行勘测后，才能做到有针对性的最优设计。

可见，在10km2-25km2的面积上进行建设，受工程地质条件复杂程度、勘探方法、勘测水平的影响，勘测设计者的能力水平会直接影响勘测设计成果的客观性、准确性。

3.2.2 对前期基础方案的优化设计对前期最优设计方案的再优化工作建立在两点基础之上：（1）设计所需的基础资料增加了更详尽的内容，或者前期设计所需的基础资料得到了工程实际的证实；（2）优化后的设计成果，能在接下来的工程施工中得到及时的采用。

因此，对于同一工程来讲，优化设计大多专指建（构）筑物基础设计。

以某海边滩涂地区风电场为例，如图1所示，地层岩性主要为：（1）粉砂，稍密一中密；（2）残积粉质粘土，场地中局部分布，与粉砂层均不适宜作为拟建建筑物天然地基持力层；（3）强风化砂岩带，裂隙发育，力学性质好，可作为拟建建筑物桩基础桩端持力层。

根据前期勘察资料，风场中粉砂、粉质粘土覆盖厚度大，可研设计中基础类型采用桩基础，桩长一般为20m。

在后期对风电机组基础地层进行查勘时，发现个别风电机组下出露基岩，如图1所示，且上覆土层3m-4m，可采用天然扩展基础，不必均采用桩长20m的桩基，有进一步优化的可能。

4、结论前期勘测设计工作中的技术问题，如同项目整体中的“血脉”，既溶汇于各个专业之间，又贯穿于各个阶段之中。

管理者需要把建设中的各个阶段看成一个整体，统一对待技术问题，慎始慎终，以到争取最优的结果。

如今，多个风场的建设使管理人员日趋成熟，并逐渐把风场建设的各个环节统一来看、整体来看，这种管理上统一性、整体性的高度把握，加之对技术设计优化的一致性追求，必然带来风电场建设管理、技术上的双重突破，也会带来效益上的更大收益。