風電機組基礎施工過程中的冷縫處理措施分析

呂仁帥，張艷麗，章榮國，周沈杰

（1. 國華能源投資有限公司山東分公司，濟南 250002；2. 上海電力設計院有限公司，上海 200023）

0 引言

隨著《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》的實施，我國的風電產(chǎn)業(yè)步入了極速發(fā)展時期。在風電場的建設過程中，風電機組基礎的設計和施工是一個非常重要的環(huán)節(jié)。風電場風電機組基礎的特點是：支撐高聳結構物的獨立基礎，風電機組塔筒的高度一般在60m－100 m；其頂部裝有較大垂向機組荷載達60t－90t；側向又具有較大的風荷載作用。風電機組基礎受力形式復雜[1-2]。

而風電機組基礎多數(shù)屬于大體積混凝土施工，施工冷縫不僅會降低混凝土的強度、抗凍性，對混凝土的抗?jié)B性和耐久性影響尤為嚴重。大體積混凝土施工冷縫問題研究是大體積混凝土施工的核心問題，尤其是在具有反復循環(huán)荷載作用下的大體積混凝土工程中。

1 工程概況

1.1 工程設計條件

工程場址位于低山丘陵地區(qū)，風電場單機容量為1500 kW，輪轂高度為80m，葉片直徑為100m，風電機組荷載較大（荷載工況見表1），地基基礎設計級別為1級[3-4]。

擬建場址區(qū)勘測深度內(nèi)揭露地層主要為花崗片麻巖，局部地表分布有第四系耕植土。根據(jù)巖土勘測報告，進行描述如下：

(1)全風化花崗片麻巖，風化強烈，裂隙發(fā)育，長石基本風化成高嶺石，巖芯呈砂狀、土狀、碎塊狀，頂部分布40cm耕植土。地基土承載力特征值fak=260kPa。

(2)層強風化花崗片麻巖，顏色為棕黃或紅褐色，風化裂隙較發(fā)育，該層未穿透，地基土承載力特征值fak=610kPa。場地土工程性質(zhì)好，力學強度高，無特殊性土層，為良好的基礎持力層。

1.2 風電機組基礎形式

根據(jù)工程建設情況，天然地基能滿足上部荷載要求，可采用天然地基，以①層全風化花崗片麻巖做風電機組基礎的持力層。風電機組基礎由上、中、下三部分組成，上部為直徑6.5m、高1.1m的圓柱；中部為底直徑17.0m、高1.1m的圓臺；下部為直徑17.0m、高1.0m的圓柱體?；A總高度為3.2m，埋深3.1m?；A尺寸如圖1所示。

1.3 施工過程中遇到的問題

在施工過程中，暴雨造成攪拌站停電，造成某臺風電機組基礎混凝土澆筑工作不能完成施工?，F(xiàn)場風電機組基礎內(nèi)鋼筋已綁扎完畢，已澆筑完成混凝土厚度約43cm，施工單位在混凝土初凝前已補充φ18－φ32插筋共約93根，長70cm，外露40cm，如圖2所示。

表1 1500kW風電機組塔底荷載工況

由于風電機組基礎未連續(xù)澆搗完成，形成了全斷面的施工冷縫，混凝土施工縫在交變荷載作用下，其粘結力一般只能達到正常澆筑時的50%左右。由于風電機組基礎承受的是360°方向的振動荷載，而一般情況下風電機組在整個壽命周期約有107次循環(huán)荷載作用。因此，對施工縫強度影響很大。同時，根據(jù)試驗單位提供的鉆芯報告，實驗取芯位置比較單一，而且混凝土達到養(yǎng)護要求之后的兩次實驗結果差距很大。實驗沒有對整個風電機組基礎采取無損檢測手段，所以這些實驗結果也無法反映這臺風電機組基礎整體的施工質(zhì)量與混凝土真實的強度。

由于現(xiàn)場情況限制，工程重新征地困難，加之施工工期緊張，項目業(yè)主方希望利用原有風電機組基礎，以節(jié)約工程造價及工期。

2 風電機組基礎施工冷縫危害性分析

在施工中，由于種種原因，混凝土需要分層澆筑，形成施工冷縫，新老混凝土界面間結合力一般較弱。因此，很容易在界面處產(chǎn)生貫穿性裂縫。基礎貫穿裂縫的危害性最大，它不但引起應力的重新分布，改變結構的受力條件，而且使結構的整體性、穩(wěn)定性、滲透性、耐久性都受到嚴重的影響。更糟糕的是，導致混凝土內(nèi)部的受力鋼筋裸露在外，加速其腐蝕，嚴重時可導致整個結構坍塌[5-6]。

本工程中的風電機組基礎在運行階段承受的是360°方向的振動荷載，而一般情況下風電機組在整個壽命周期約有107次循環(huán)荷載作用。因此，對風電機組基礎的強度要求很高。由于風電機組基礎未連續(xù)澆搗完成，形成了全斷面的施工冷縫。根據(jù)有關實驗資料，混凝土施工縫在交變荷載作用下，其粘結力一般只能達到正常澆筑時的50%以下，對施工縫強度影響很大，兩次澆筑后必然導致整體風電機組基礎強度下降。另外，在前期混凝土澆筑過程中，由于受暴雨侵襲的影響，混凝土的水灰比會發(fā)生一定變化，整個振搗也受到一定影響，導致施工質(zhì)量難以保證。這種施工質(zhì)量的不穩(wěn)定性也很難判斷其對整個風電機組基礎承受疲勞荷載時的影響程度[7-8]。

3 修補方案選擇

3.1 方案比較

根據(jù)現(xiàn)場這臺風電機組基礎的實際澆筑的情況，結合專業(yè)檢測機構的檢測報告，以及風電機組投產(chǎn)運行后的特點，有兩種處理方案。第一種方案是廢棄已澆筑三分之一多的基礎，重新澆筑一個基礎，并拆除部分已綁扎完成的鋼筋加以利用；第二種方案即對已部分澆筑的這臺風電機組基礎進行加固處理后按正常使用。

若采用第一種方案，產(chǎn)生的主要損失為風電機組基礎土石方開挖、基礎墊層、約150m3混凝土、約30t鋼筋以及相應的施工費用，按現(xiàn)行的造價水平約損失30萬元。

若采用第二種方案，對已澆筑約三分之一多的基礎進行加固處理。首先對已澆筑的表面進行清洗處理并在澆筑前增加粘著劑，另外尚需對裸露在自然環(huán)境下的銹蝕鋼筋進行清洗處理，增加C40混凝土約86m3，增加鋼筋約10.5t，合計加固基礎費用約15萬元左右。從經(jīng)濟上比較，采取基礎加固的方案較廢棄原基礎進行重建的方案為優(yōu)，能節(jié)約一定的投資，減少損失。

3.2 最終方案

根據(jù)業(yè)主提供的鉆芯報告，實驗取芯位置比較單一，而且在混凝土達到養(yǎng)護要求之后的兩次實驗結果差距很大。同時，實驗沒有對整個風電機組基礎采取無損檢測手段。所以，這些實驗結果也無法反映這臺風電機組基礎整體的施工質(zhì)量與混凝土真實的強度。

由于風電機組基礎未連續(xù)澆搗完成，形成了全斷面的施工冷縫，不能簡單地使用表面修補法[5]。灌漿、嵌縫封堵法適用于有防滲要求的混凝土裂縫的修補，也不適合本工程。

通過綜合考慮，混凝土已澆搗厚度為300mm，施工方也及時地放置了較多的插筋，可以起到抗剪鋼筋的作用。在業(yè)主、施工方、監(jiān)理共同討論后，提出的方案是在不改變臺柱頂標高的前提下，加大混凝土結構的截面面積，風電機組基礎棱臺部分增厚300mm。這樣，基礎棱臺部分總厚度從1000mm提高到了1300mm。同時，基礎頂面新增放射筋。通過計算，這樣的加固方案滿足風電機組基礎的受力要求，如圖3所示。

在已澆筑混凝土表面繼續(xù)澆筑混凝土前，應清除垃圾、水泥薄膜、表面上松動的沙石和軟弱的混凝土層。同時，還應將表面鑿毛，用水沖洗干凈并充分潤濕，一般潤濕時間不宜少于24h，殘留在混凝土表面的積水應消除。施工縫附近的鋼筋回彎時，要注意不使混凝土受到松動和損壞。鋼筋上的油污、水泥漿及浮銹等雜物也應清除。澆筑前，在施工縫表面澆筑一層10mm－15mm厚的水泥砂漿做結合層，砂漿強度等級應高于原風電機組基礎混凝土強度等級[9-10]。

4 總結

風電機組基礎作為支撐風電機組的獨立基礎，其受力形式復雜，風電機組基礎在承受交替循環(huán)荷載的作用時容易引起疲勞破壞。風電機組基礎在混凝土澆筑施工過程中要求一次澆筑完畢，一般是不允許出現(xiàn)貫通的施工冷縫。在施工過程中由于不可抗力引起混凝土不能按預定方案一次性澆筑完畢形成施工冷縫的，應結合工程的具體情況選擇合適的處理方案。施工冷縫的處理方案一般應遵循以下幾個原則：

（1）施工過程中一旦出現(xiàn)施工冷縫，應在已澆筑混凝土沒有初凝前布置插筋，插筋的直徑宜與基礎的主筋直徑相同，插入深度和露出長度應能達到錨固長度，以便以后采取補救措施。

（2）施工冷縫處理前應對已澆筑的基礎進行現(xiàn)場取樣和無損檢測，以便對整個澆筑施工質(zhì)量有全面的了解。

（3）施工冷縫處理方案應進行經(jīng)濟技術比較，選擇安全、可靠、經(jīng)濟的處理方案，經(jīng)處理后的風電機組基礎應能滿足風電機組荷載對基礎產(chǎn)生的強度和變形的要求，尤其是疲勞荷載效應。

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