國內首臺錨栓可更換的風電機組基礎的工程應用

■ 張艷江 楊國霖 張航 周俊杰 萬莉莎 呂祥云

(1.瑞風能源(武漢)工程技術有限公司;2.國家電投集團江西電力有限公司新能源發電分公司;3.國家電投集團江西電力有限公司)

0 引言

目前，我國大部分風電場的風電機組基礎采用的是基礎環和預應力錨栓這兩種形式[1]。基礎環式基礎在基礎環與底板的接觸部位易因轉角而產生裂縫，疲勞荷載作用會導致裂紋擴展，從而導致鋼筋失去保護直接與空氣和地下水接觸而被銹蝕，最后造成基礎被破壞[2]。預應力錨栓式基礎利用錨栓連接風電機組上部結構與基礎，通過對錨栓張拉形成預拉力，令上、下錨板對基礎混凝土產生豎向壓力，在荷載長期、反復作用下混凝土仍能保持受壓狀態，避免出現裂縫，基礎的耐久性和抗疲勞能力均得到顯著提高[1]。預應力錨栓式基礎形式的出現，在一定程度上給業主提供了更多的選擇，也能從結構受力上更好地為塔架等上部結構提供有力的連接保證。預應力錨栓式基礎與基礎環式基礎相比，不僅節材節能，還大幅改善了基礎受力狀況，能夠更好地保障風電機組的安全運行。

針對普通預應力錨栓基礎不易進行錨栓檢修或更換的問題，本文對錨栓可更換的風電機組基礎的設計及施工進行簡要的分析，并以實際工程為例，對錨栓可更換的基礎的工程實踐進行相關論述。

1 風電機組基礎中錨栓可更換的必要性

1.1 錨栓基礎的優點

預應力錨栓基礎施工便利、采購周期短、工藝簡單，相較于基礎環式基礎，其克服了基礎環式基礎強度、剛度突變且易于脆性破壞的缺點[3]。預應力結構更加安全可靠，混凝土長期處于受壓狀態，不易開裂，提高了結構的耐久性。塔架安裝時，錨栓張拉采用直接張拉法，避免錨栓在拉、扭復合應力狀態下的脆性折斷，提高了錨栓的工作性能。傳統的錨栓基礎結構如圖1所示。

圖1 傳統錨栓基礎結構

1.2 錨栓基礎存在的問題

分析以往預應力錨栓基礎的工程實踐，錨栓基礎出現過如下狀況，使基礎的安全運行出現了較大的安全隱患。

1)錨栓的生產質量問題：錨栓桿體的材質選擇有誤，桿體氫脆、有裂紋、存在內部缺陷等問題導致錨栓斷裂；桿體防腐涂層未滿足使用要求導致銹蝕；外露部分無有效防腐導致銹蝕，如圖2、圖3所示。

圖2 錨栓斷裂圖

圖3 錨栓銹蝕圖

2)錨栓基礎的設計問題：錨栓張拉力取值過高；配套連接法蘭設計不合理，錨栓受力復雜。

3)錨栓基礎的安裝、運行問題：安裝精度低，導致錨栓張拉復雜受力；張拉程序不符合規范要求，張拉精度存在偏差；無定期巡檢，銹蝕、錨栓張拉力損失等。

以上所有的問題都可能會導致錨栓桿體的損壞和銹蝕，嚴重的可能造成錨栓斷裂，導致機組無法運行，安全隱患極大，會給業主造成極大的經濟損失。

1.3 錨栓基礎問題的解決方法

錨栓基礎問題的解決方法可從以下幾方面入手：

1)設計控制：對錨栓張拉力值進行合理的選擇、基礎設計時考慮足夠的安全裕度、針對不同地質情況進行差異化設計、錨栓防腐按照定制方案處理、錨栓張拉時考慮錨栓預應力松弛度、采用錨栓損壞后的可更換結構。

2)質量控制：選用的錨栓組件應嚴格依據GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[4]、生產廠家企業標準和行業標準等相關文件執行，出廠檢驗應根據情況采用抽檢和逐根檢測的方式，且應具備單根可追溯性。生產線生產過程中，建議采用自動化控制，整個過程中的加熱和冷卻均由電腦監測，減少人為影響。

3)定制化材料的要求：錨栓組件屬于預應力材料，須著重考慮預應力結構相關的設計指標。參考問題、事故基礎的處理經驗，錨栓組件的性能需要嚴格控制，包含：原材料配比、屈強比、韌性(伸長率、徑縮等)、應力松弛、低溫沖擊功、錨栓連接副疲勞性能、脫碳指標、無酸洗等。此外，為了嚴格控制桿體質量，要求出廠桿體必須進行出廠拉伸測試。

4)安裝、運行控制：錨栓籠現場安裝時，應保證錨桿的垂直度、錨板的水平度和同心度符合圖紙及規范的要求，錨栓張拉時，張拉應力和張拉過程應按照錨栓張拉方案執行。在風電機組運行過程中，應安排張拉力定檢、外露防腐定檢，并采用在線監測設備對錨栓的運行狀態進行監測。

在以上所有針對錨栓基礎問題的解決處理措施中，錨栓可更換方案是最徹底的技術，也可以作為其他措施的備份，增加錨栓基礎的安全性和可維護性。

1.4 錨栓可更換基礎的設計簡介

風電機組基礎的持力層為全風化花崗巖，承載力特征值為200 kPa，風電機組地基基礎抗震設防屬丙類；基礎混凝土結構環境類別為“二B”類，該擬建風電場的地震動峰值加速度為0.05g，地震基本烈度小于6度。風電機組采用的是湘電風能XE116-2000機型，基礎設計的概念圖如圖4所示。

圖4 錨栓可更換基礎的1/4剖切圖

圖4中的綠色部分為基礎的中空部分。在風電機組的日常運行及維護過程中，工作人員可通過綠色中空區域設置的爬梯進入地下室區域，對錨栓的外露部分進行檢查維護。特殊情況下，若錨栓出現個別斷裂的現象，工作人員還可通過綠色中空區域進入到地下室對錨栓進行更換。

針對錨栓斷裂后無法更換的問題，瑞風能源已與國家電投共同完成了錨栓可更換的風電機組基礎的開發，項目已申報多項發明和實用新型專利，例如，“一種便于更換、檢修的地錨籠基礎(專利號：ZL 2017 2 0144772.1)”等，首臺錨栓可更換基礎的樣機已于2016年底在江西省七琴城上項目中完成澆筑。

2 錨栓可更換基礎的施工

2.1 錨栓可更換基礎的施工流程

錨栓可更換基礎的簡易施工流程如圖5～圖10所示。

圖5 錨栓可更換基礎的墊層開挖

圖6 錨栓可更換基礎的墊層澆筑

圖7 錨栓可更換基礎的地下室模板安裝

圖8 錨栓可更換基礎的錨栓籠安裝

圖9 錨栓可更換基礎的鋼筋安裝

圖10 錨栓可更換基礎的混凝土澆筑

2.2 錨栓可更換基礎的大體積混凝土施工

2.2.1 設計措施

1)混凝土的配比需合理。為了滿足風電機組基礎對混凝土性能的要求，采用低砂率、低坍落度、低水膠比及合理添加外加劑的混凝土制備方法，通過對比多次配比試驗的結果，合理選用項目所需的混凝土配比，為保證混凝土的質量提供有力的理論依據。

2)通過對基礎受力的分析，在地下室兩側及臺柱豎向區域合理布置構造鋼筋，在保證基礎最小配筋率的情況下，增強鋼筋混凝土結構的工作性能。

2.2.2 原材料控制措施

1)盡量選用低熱或中熱水泥(如礦渣水泥、粉煤灰水泥)，或利用混凝土的后期強度(90 d～180 d) 以降低水泥用量，減少水化熱[5]。

2)適當摻加粉煤灰。選用符合國家標準的粉煤灰材料，按照混凝土配比的要求進行添加，以提高混凝土的抗滲性、耐久性及混凝土的抗拉強度等。

3)適當選用混凝土外加劑。按照混凝土配比的設計要求，嚴格按國家標準采購質量合格的外加劑，并在混凝土的制備中對外加劑進行合理添加，按照相應的混凝土制備工藝進行生產，以改善混凝土的工作性能。

4)為提高混凝土的抗拉承載力，在混凝土中加入螺旋形聚乙烯醇纖維，該纖維斷裂強度大于1450 MPa[6]，摻量為 0.9 kg/m3。

2.2.3 溫度控制措施

混凝土裂縫對混凝土的溫度及溫度變化極其敏感。在施工過程中，應根據設計要求，有針對性地制定合理的混凝土澆筑施工方案，并根據設計要求在相應部位埋設測溫儀。在風電機組基礎的混凝土澆筑過程中，應注意保護測溫儀；混凝土澆筑完畢后，按照澆筑方案的要求，并結合現場實際情況，對混凝土進行保溫保濕養護。按照混凝土施工方案的要求，定時定點地對測溫儀所測溫度數據進行采集并記錄；并根據采集的數據，有針對性地對混凝土進行養護，養護時間應符合設計及規范要求。

2.3 施工關鍵點控制

相對于常規錨栓基礎，錨栓可更換基礎的施工有以下兩點需要重點控制。

2.3.1 基礎中空腔的施工

針對錨栓可更換基礎的結構特點，為形成中空腔的結構，基礎混凝土的澆筑需分3次進行：

1)基坑開挖完成后，進行基礎墊層混凝土的澆筑；

2)基礎地下室鋼筋、模板安裝完成后，進行地下室混凝土的澆筑；

3)基礎主體錨栓籠、鋼筋、模板安裝完成后，進行主體混凝土的澆筑。

基礎中空腔采取定制化設計模板支撐體系，并對模板支撐方案進行計算校核及報批。施工過程中，需嚴格按照方案的要求進行模板支撐體系的搭設，支撐體系的驗收按照施工方案及相關國家標準進行，驗收通過方可進入下一道工序的施工。基礎混凝土澆筑順序如圖11所示。

圖11 錨栓可更換基礎混凝土澆筑順序

2.3.2 基礎地下室的通風換氣及防水施工

設置基礎地下室，是為便于檢修人員對錨栓進行更換及維護。考慮到進入地下室人員的安全，需保證地下室與外界的通風換氣，應在基礎中預埋管道。預埋管道的埋設，應嚴格按照圖紙所示的位置及數量進行施工。考慮到基礎地下室及主體混凝土澆筑分2次進行，施工過程中，按照圖紙要求埋設兩道遇水膨脹止水帶，并在基礎施工完畢后，對地下室側壁與主體結構的交界面進行表面的防水處理，以確保在極端工況下地下水無法滲透進入基礎地下室。布置圖如圖12所示。

圖12 錨栓可更換基礎防水及通風換氣管道布置圖

3 工程量對比分析

表1和表2分別對常規錨栓基礎的工程量和錨栓可更換基礎的工程量進行了對比。

表1 常規錨栓基礎工程量

表2 錨栓可更換基礎的工程量

通過對常規錨栓基礎與錨栓可更換基礎的工程量進行對比分析可知，錨栓可更換基礎在實現錨栓可更換功能的同時，工程量相比于常規基礎并無較大增加。可見，該錨栓可更換基礎的實際推廣具有一定優勢。

4 結語

在鋼筋混凝土基礎中埋設基礎環連接風力發電塔與基礎時，基礎環隔離其內外鋼筋混凝土，導致兩者結合性弱，整體受力差。與傳統的基礎環式風電機組基礎相比，錨栓可更換風電機組基礎有如下優勢：

1)采用預應力錨栓式風電機組基礎形式，基礎整體性好、剛度均勻，基礎混凝土抗疲勞性能更好。

2)目前的預應力錨栓式風電機組基礎，錨栓若斷裂或銹蝕嚴重，不能更換，給風電機組的運行留下較大安全隱患。鋼筋混凝土基礎結構的設計壽命為50年[7]，而風電機組和地錨籠的疲勞壽命為20年，風電機組和地錨籠達到疲勞壽命后，若能更換錨栓，就能重復利用原有鋼筋混凝土基礎。采用錨栓可更換風電機組基礎，可從根本上解決選用預應力錨栓式風電機組基礎的后顧之憂。

3)錨栓可更換風電機組基礎設有中空地下室，便于工作人員對預應力錨栓組件進行檢修和更換工作，解決了以往預應力錨栓組件在基礎澆筑完成后難以檢修或更換的問題，為風電機組基礎結構的安全、穩定提供了有力保障。