Posadowienie wysokich wież elektrowni wiatrowych o mocy 2,0–2,5 MW na słabym podłożu gruntowym

Mimo że w Polsce pierwsze elektrownie wiatrowe były budowane na początku lat 90. XX w., do dziś nie zostały opracowane i rozpowszechnione w języku polskim instrukcje i wytyczne projektowe dotyczące tych specjalistycznych konstrukcji. Obcojęzyczna literatura (duński DN, holenderska NEN, normy hiszpańskie czy niemiecki DIN) wskazuje, jak w bezpieczny i ekonomiczny sposób zwymiarować poszczególne elementy elektrowni wiatrowej. Niestety, najczęściej jest ona trudno dostępna dla polskiego projektanta. Warto tutaj podkreślić, że często stosowana norma PN Posadowienie bezpośrednie nie powinna być użyta do wyznaczenia parametrów posadowienia bezpośredniego elektrowni wiatrowej. Zakres prac geotechnicznych, przyjęty model obliczeniowy, proces doboru technologii wzmocnienia to podstawowe czynniki wpływające na bezpieczne i ekonomiczne posadowienie tego rodzaju obiektów, które wpływają na sukces prowadzonej inwestycji.

Zakres i jakość prac geotechnicznych ma kluczowe znaczenie dla planowanych robót fundamentowych. Najczęściej badania te wykonane są w sposób pobieżny, co przyczynia się do przeszacowania rozwiązań projektowych lub narażenia na uszkodzenie konstrukcji w trakcie jej użytkowania. Mając na uwadze powyższe skutki, warto przytoczyć standardy wykonywanych badań, które stosowane na całym świecie prowadzą do optymalnych rozwiązań posadowień turbin wiatrowych. Z uwagi na kształt fundamentu i zmienny charakter obciążeń (zarówno ich wielkość, jak i kierunek) konieczne wydaje się
wykonanie trzech punktów badawczych pod jeden fundament elektrowni wiatrowej. Głębokość badań powinna być określona na podstawie głębokości wpływu naprężeń (H), co szacuje się z zależności H = 2B (gdzie B jest średnicą fundamentu). W praktyce głębokość wystarczająca równa średnicy fundamentu (ok. 20,0 m) pozwala na optymalne zaprojektowanie posadowienia. W Polsce najczęściej wykorzystywane metody do badania parametrów
gruntu in situ są sondowania dynamiczne (DPL, DPH), gdy badanie przeprowadzane jest w gruntach niespoistych. Dla gruntów spoistych pozostaje pobranie próbek i wykonanie badań laboratoryjnych. Alternatywą jest wykonanie sondowań statycznych CPT, lecz należy pamiętać, że tylko wysoka jakość
badań gwarantuje miarodajne parametry zarówno w gruntach niespoistych, jak i spoistych. Stosowane są też badania z zastosowaniem stożka sejsmicznego SCPTU, pozwalające na określenie dynamicznych modułów odkształcenia podłoża. Zastosowanie tych badań może znacząco wpłynąć na ocenę warunków gruntowych pod poszczególnymi fundamentami. Dokumentacja geotechniczna jest jednym z głównych narzędzi wykorzystywanych w pracy projektanta posadowienia, stąd w pierwszej kolejności od jakości wykonanych prac rozpoznania podłoża gruntowego zależy dalszy proces projektowy.

Elektrownie wiatrowe o mocy od 2,0 do 2,5 MW najczęściej mają ok. 100 m wysokości i fundamenty o zmiennej grubości w kształcie ośmiokąta opisanego na okręgu średnicy ok. 20 m. Schematem statycznym wieży elektrowni jest wspornik w formie grubościennej rury stalowej, zakotwiony w fundamencie i przekazujący obciążenia na monolityczny fundament będący stopą płytową lub podporą palową. Fundament swoją masą zapewnia stateczność układu i przekazuje obciążenia na podłoże gruntowe. Podłoże gruntowe należy sprawdzić zarówno dla warunku nośności, jak i dla warunku użytkowności, tj. pod względem nierównomiernego osiadania i podatności na obciążenia dynamiczne. Zgodnie z EC7 (ENV 1997-1:1994) mimośród wypadkowej siły pionowej powodujący szczelinę pomiędzy podłożem a podstawą fundamentu nie może przekroczyć 0,60 promienia okręgu wpisanego w ośmiokąt podstawy fundamentu przy jednoczesnym zachowaniu warunków dynamicznej sztywności obrotowej podłoża, określonych przez producenta turbin wiatrowych parametrem kφ,dyn (Nm/rad). Często to właśnie spełnienie warunku dynamicznej sztywności obrotowej wymusza zastosowanie wzmocnienia podłoża.

W większości przypadków podczas budowy farmy wiatrowej jest kilka lokalizacji wymagających zastosowania wzmocnienia podłoża. Dobór metody wzmocnienia podłoża jest pochodną kilku czynników. Pierwszym i w zasadzie najważniejszym jest budowa geologiczna na obszarze planowanej inwestycji. Kolejnym
czynnikiem jest wielkość planowanej inwestycji. Liczba elektrowni wiatrowych, ich wysokość i wynikający z niej kształt fundamentu w znaczny sposób wpływają na koszty wykonania wzmocnienia podłoża, najczęściej nieuwzględniane na etapie planowania inwestycji. Stąd ciągle nowe rozwiązania i technologie
przy wykonywaniu tego typu prac, które prowadzą do optymalizacji posadowienia. Trzecim czynnikiem jest wiedza i doświadczenie projektanta wzmocnienia podłoża. Od niego zależy zarówno koszt wzmocnienia, jak i poziom bezpieczeństwa zamierzonego rozwiązania. W większości przypadków brak wystarczającej wiedzy kończy się pokaźnym przeprojektowaniem konstrukcji, co niesie za sobą diametralne zwiększenie kosztów inwestycji. Poniżej przedstawiono technologie, które mogą posłużyć do wzmocnienia podłoża gruntowego pod fundamentem turbiny wiatrowej wysokiej mocy. Nie są to rozwiązania uniwersalne, każde ma swoje optymalne zastosowanie w odpowiednich warunkach gruntowych.

Idea kolumn DSM oparta jest na koncepcji poprawienia właściwości wytrzymałościowych gruntów występujących w podłożu poprzez wymieszanie ich z mieszanką cementową. Powstający w ten sposób tzw. cementogrunt charakteryzuje się znacznie wyższymi parametrami mechanicznymi i wytrzymałościowymi niż pierwotny grunt (ryc. 1). Technologia wgłębnego mieszania gruntu polega na wprowadzeniu w podłoże mieszadła o specjalnej konstrukcji i uformowaniu kolumny DSM. Cały proces od momentu pogrążenia mieszadła do zakończenia formowania kolumny wspomagany jest wypływem zaczynu cementowego przez dysze znajdujące się na końcu żerdzi wiertniczej. Po osiągnięciu głębokości projektowej następuje faza formowania kolumny DSM przez tłoczenie dobranego do warunków gruntowych zaczynu cementowego. Skuteczne wymieszanie zaczynu z gruntem na całej długości formowanej kolumny jest zapewnione przez kilkukrotny proces pogrążania i podciągania obracającego się mieszadła. Dobór rozmieszczenia, liczby oraz średnicy kolumn DSM wynika z dokładnej analizy pracy fundamentu (ryc. 2). W zależności od przyjętego rozwiązania projektowego średnice kolumn wahają się od 60 do 120 cm, przy głębokości wzmocnienia od 4,0 do 12,0 m. Na rycinie 3 przedstawiono rozwiązanie posadowienia na wzmocnionym podłożu w technologii kolumn DSM Ø 800 pod fundament elektrowni wiatrowej o średnicy 18,0 m.

Wzmocnienie podłoża kolumnami CMC polega na stworzeniu kompozytu gruntu i kolumn betonowych. Specjalnie zaprojektowany świder przemieszczeniowy zamontowany na maszynie w trakcie wiercenia przemieszcza grunt w kierunku poziomym do osi otworu, co doprowadza do jego zagęszczenia w bezpośrednim sąsiedztwie formowanych kolumn i zapewnia lepszą współpracę kolumn ze wzmacnianym podłożem. Po przemieszczaniu gruntu poza obręb kolumny wykonywana jest pod ciśnieniem iniekcja mieszanki betonowej. Schematycznie proces wykonania kolumn CMC przedstawia rycina 4. Zainstalowany w wiertnicy system komputerowy pozwala na monitoring wszystkich niezbędnych parametrów formowania kolumny, co daje pełną gwarancję jakości jej wykonania (ryc. 5). Parametry wzmocnienia dobiera się na podstawie szczegółowej analizy pracy konstrukcji, najczęściej przeprowadzonej metodą elementów skończonych. Przedstawione na rycinach 6 i 7 wyniki obliczeń przeprowadzonych w programie Plaxis 3D pozwalają z dużą dokładnością określić optymalne rozmieszczenie kolumn, siły przypadające na poszczególne kolumny, przemieszczenia pionowe i poziome oraz przechył fundamentu. To właśnie przechył fundamentu często determinuje konieczność zastosowania wzmocnienia podłoża. Zastosowanie technologii kolumn CMC może wiązać się z koniecznością uformowania warstwy transmisyjnej. Przenosi ona naprężenia z konstrukcji na głowice kolumn w sposób równomierny, jednocześnie minimalizując siły powodujące przebicie fundamentu. Warstwa ta zbudowana jest z dobrze zagęszczonego materiału niespoistego o parametrach wynikających z typu konstrukcji i warunków gruntowych. Na rycinie 8 przedstawiono przekrój fundamentu elektrowni wiatrowej posadowionej na kolumnach CMC.

Kolumny BMC są pewnego rodzaju uzupełnieniem technologii kolumn CMC. Jest to metoda wzmacniania podłoża gruntowego polegająca na wykonaniu sztywnych betonowych kolumn zwieńczonych głowicą żwirową. Zastosowanie kruszywa jako wypełnienia górnych części kolumny polepsza dystrybucję naprężeń z konstrukcji na wzmocnione podłoże. Nie występują wówczas niekorzystne koncentracje naprężeń. Tym samym dochodzi do optymalizacji zbrojenia w płycie fundamentowej. Na rycinie 9 przedstawiono schemat wykonania kolumn BMC. Kolumny Bi-modułowe łączą zalety kolumn żwirowych oraz kolumn betonowych. Z jednej strony nie przesztywniają podłoża gruntowego, a z drugiej nie stwarzają ryzyka wyboczenia się lub wybrzuszenia kolumny. Przykład rozmieszczenia kolumn BMC pod fundamentem przedstawia rycina 10. Trzon kolumn BMC jest wykonywany tak jak kolumny CMC o standardowej średnicy od 25 do 60 cm przy użyciu świdra przemieszczeniowego, który pogrążony zostaje na wymaganą głębokość i wtedy wprowadzany jest iniekt do otworu. Dzięki temu, że grunt w trakcie wiercenia jest rozpychany i przemieszczany na boki, nie wydobywa się urobek. Za pomocą specjalnie zaprojektowanego wibratora wgłębnego zamontowanego na jednostce sprzętowej tworzy się żwirową głowicę kolumny BMC.
Etapy wykonywania głowicy żwirowej:

• pogrążenie wibratora – następuje zagłębianie się w grunt wibratora do głębokości projektowej, najczęściej od 1,0 do 3,0 m, proces pogrążania często wzmagany jest podawaniem sprężonego powietrza lub wody;
• zasyp kruszywa – powstała w pierwszym etapie przestrzeń jest wypełniana kruszywem;
• dogęszczenie – podanego kruszywa realizowane krokami, najczęściej co 0,5 m, w ten sposób tworzy się kolumny o średnicy od 40 do 120 cm.
  Wzmocnienie podłoża pod fundamentem elektrowni wiatrowej realizowane za pomocą technologii kolumn BMC nie wymaga tworzenia dodatkowej warstwy transmisyjnej, a fundament może być bezpośrednio posadowiony na wzmocnionym podłożu (ryc. 11).

Problem posadowienia fundamentów elektrowni wiatrowych na słabym podłożu może być skutecznie rozwiązany pod warunkiem spełnienia kilku warunków, do których zaliczyć można na pewno wykonanie badań geotechnicznych o odpowiedniej jakości oraz we właściwej liczbie, zastosowanie dobrze dobranej technologii wzmacniania podłoża do panujących warunków gruntowo-wodnych i w końcu wykorzystanie dostępnej wiedzy w tym zakresie.