針對風(fēng)電場風(fēng)機基礎(chǔ)邊坡裂縫原因的分析

何振源 王海龍 邢海軍 張?zhí)鞊P 宋慶偉

摘 要：某風(fēng)電場人員在風(fēng)機現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)外圍基礎(chǔ)（5-8m范圍左右）有呈弧狀分布且朝向一致的規(guī)律性地面裂縫現(xiàn)象。隨后組織人員對全場機組進(jìn)行排查并擴大對標(biāo)排查范圍至周邊區(qū)域所有風(fēng)電場，發(fā)現(xiàn)本風(fēng)電場大部分風(fēng)機有此同類現(xiàn)象，其余風(fēng)電場均有類似情況。針對此情況，風(fēng)電場采取如下措施：一是緊急制定裂縫變化監(jiān)測方案，選取典型機組建立觀測點位，同時建檔便于數(shù)據(jù)收集觀察;二是翻閱關(guān)于地質(zhì)構(gòu)造、地震影響、主風(fēng)向影響等可能性因素的論文資料查找原因;三是匯報公司委托外委沉降觀測單位進(jìn)行專業(yè)測量分析。以下內(nèi)容結(jié)合相關(guān)專業(yè)論文資料對此次風(fēng)機邊坡裂縫形成的原因進(jìn)行了初步分析。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場;風(fēng)機;邊坡裂縫

中圖分類號：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0165-02

1 原因分析

風(fēng)電場面積40平方公里，總裝機容量200兆瓦。2013年10月13日由西北勘測設(shè)計研究院開展了工程地質(zhì)勘測外業(yè)工作，于10月15日完成了現(xiàn)場勘探工作。2015年5月開工建設(shè)，2015年12月28日首臺機組并網(wǎng)發(fā)電。

1.1 地形地貌及地質(zhì)構(gòu)造影響

風(fēng)電場位于山間盆地南部，在莫欽烏拉山與東準(zhǔn)噶爾斷塊山系之間。屬低山丘陵地形，南鄰高聳的高中山天山山脈，向南地勢漸高，構(gòu)成盆地的南緣。盆地內(nèi)廣大地區(qū)為山前傾斜平原，海拔在700～1800m間，地勢平緩，廣泛分布有砂礫石層及風(fēng)成砂，俗稱戈壁灘。

風(fēng)電場所在區(qū)域位于準(zhǔn)噶爾優(yōu)地槽褶皺帶，該褶皺系形態(tài)復(fù)雜，經(jīng)過多旋回的構(gòu)造演化形成一系列緊閉線形褶皺和推覆構(gòu)造，深斷裂和大斷裂發(fā)育。在深斷裂帶之間，褶皺相對比較寬緩，以不同方向的表層斷層為主。根據(jù)現(xiàn)有資料，主要兩大斷裂帶（圖1）有：

（1）紙房斷裂帶：從北塔山南端至天山東端莫欽烏拉山北麓，北西走向。沿該斷裂帶發(fā)現(xiàn)有古地震形變跡象，探槽揭露出多期古地震事件。

（2）北緣斷裂帶：位于盆地北緣（中蒙邊境），近東西走向。

從所在區(qū)域歷史地理環(huán)境來看，有古地震史，且因此形成地下斷裂帶，地處盆地，長約500km，寬約40～50km，呈低山丘陵地形。地基土主要分為三層，第一層含礫細(xì)砂層薄，較松散，工程性質(zhì)差，不能作為基礎(chǔ)持力層（經(jīng)過對1#機組與2#機組基礎(chǔ)開挖可看到地面裂縫最深在此層，開挖到0.5m左右時裂縫消失）;第二層礫砂層埋深較小，工程性質(zhì)一般，不宜作為基礎(chǔ)持力層。第三層灰?guī)r層力學(xué)強度高，工程地質(zhì)性質(zhì)較好，可作為基礎(chǔ)持力層。

1.2 地震波傳導(dǎo)對風(fēng)機基礎(chǔ)裂縫的可能性因素分析

根據(jù)資料顯示，許多學(xué)者對地震誘發(fā)邊坡變形破壞模式進(jìn)行了探討，得到邊坡的破壞模式主要為地震誘發(fā)-坡肩線拉裂張開-坡面中部出現(xiàn)裂縫-裂縫貫通-發(fā)生高位滑坡-轉(zhuǎn)化為碎屑流-堆積坡腳。

論文資料中提到，通過對典型黃土回填邊坡進(jìn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，該類邊坡的破壞模式為裂縫的發(fā)展-壓實的黃土的軟化-斜坡前緣的蠕變和后緣的裂縫-貫穿滑動面的形成，此模式與我場現(xiàn)象基本一致，目前為坡面淺表部松動、裂隙產(chǎn)生階段。結(jié)合邊坡模型受地震頻率擾動試驗得知，在震動初期，邊坡的變形破壞主要發(fā)生在坡面的淺表部，表現(xiàn)為松動和掉塊現(xiàn)象;隨著震動的持續(xù)，邊坡中下部開始出現(xiàn)拉張裂縫，地震產(chǎn)生的應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)面處相互疊加，產(chǎn)生拉應(yīng)力，是裂縫產(chǎn)生的重要原因之一。

經(jīng)過相關(guān)資料的查找，及近年所在區(qū)域周圍地震情況的統(tǒng)計得知，4次地震距離三塘湖區(qū)域在150km之外。論文資料顯示，遠(yuǎn)距離的地震震級很小對人或建筑物不造成危險，但它們卻對地殼內(nèi)的隱伏構(gòu)造影響深遠(yuǎn)。

1.3 風(fēng)機主風(fēng)向及地震波對風(fēng)機基礎(chǔ)的聯(lián)合影響

當(dāng)今越來越多的風(fēng)機被安裝在地震活躍地區(qū)。地震往往具有很強的不可預(yù)見性和突發(fā)性。風(fēng)電機組普遍采用圓筒形塔架作為支撐結(jié)構(gòu)，塔架的振動和變形不僅會影響其自身的結(jié)構(gòu)強度，而且會影響到塔頂風(fēng)輪的氣動特性，明顯增加塔架前后方向振動位移和載荷的大小和幅值，進(jìn)而影響整機運行穩(wěn)定性。因此對風(fēng)力機塔架在主風(fēng)向風(fēng)力及地震聯(lián)合作用下的動力響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測，對于整機運行可靠性具有重要意義。

風(fēng)電場所有不規(guī)則裂縫分布大多為東北朝向，且情況嚴(yán)重地方也在東北向。調(diào)取了近一年（2018年5月-2019年8月）的主風(fēng)向玫瑰圖，可能存在的原因是三塘湖常年盛行西偏南風(fēng)，由于風(fēng)機基礎(chǔ)受到基礎(chǔ)自重、回填土壓力、上部風(fēng)機塔筒及機艙的豎向壓力，機組常年受力面在西偏南面，載荷重量倒向?qū)α⒚妫A(chǔ)受力不均，可能造成基礎(chǔ)邊坡裂縫的產(chǎn)生。正常情況下，基礎(chǔ)剛開始出現(xiàn)下沉是正常現(xiàn)象，特別是當(dāng)風(fēng)機吊裝完成后，下沉速率明顯加快。當(dāng)運行到一段時間后，基礎(chǔ)下沉主要與風(fēng)向呈規(guī)律性變化。

2 分析結(jié)論

風(fēng)電場所在區(qū)域在有古地震史的地理環(huán)境演變中，地處深斷裂帶之間，以不同方向的表層斷層為主，且是所在地區(qū)主要地震帶。據(jù)中國地震局地殼應(yīng)力研究所資料表明，風(fēng)機結(jié)構(gòu)屬于質(zhì)量較大而且高聳的結(jié)構(gòu)，若運行中的風(fēng)電機組同時受空氣動力載荷、重力、慣性力等機械載荷以及地震波沖擊載荷的耦合作用下，地震斷層周圍一些部位應(yīng)力會明顯增加。在大地震的地震波通過時，地質(zhì)斷層已經(jīng)積累了應(yīng)力，這種壓力變化可動搖附近的地面斷層，使它破裂。從而風(fēng)機的結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定運行都難以得到保證。

從現(xiàn)場1#線機群南部和北部分別抽取1#和2#兩臺裂縫現(xiàn)象較嚴(yán)重機組，對基礎(chǔ)邊坡沿裂縫深度開挖結(jié)果看，裂縫較嚴(yán)重部位均在東北向，裂縫走向為由外向中心方向。現(xiàn)場認(rèn)為，基礎(chǔ)邊坡整體失穩(wěn)是裂隙的產(chǎn)生、發(fā)育和貫通的主要原因之一。在初期坡體表面部分巖體松動，最終形成裂縫;隨著自然環(huán)境的變化持續(xù)，裂隙沿風(fēng)機基礎(chǔ)坡體內(nèi)部結(jié)構(gòu)面逐漸貫通，這樣就解釋了部分風(fēng)機基礎(chǔ)西面、南面有輕微裂縫現(xiàn)象的原因（見圖2）。

3 針對風(fēng)機基礎(chǔ)邊坡裂縫現(xiàn)象的變形監(jiān)測措施

3.1 沉降監(jiān)測的必要性

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，風(fēng)機數(shù)量不斷增多，風(fēng)機倒塔事故會給國家和企業(yè)造成很大的損失。這也使風(fēng)電場運維管理中在做好風(fēng)機重大風(fēng)險隱患防控分析中，不能忽視風(fēng)機基礎(chǔ)沉降的隱患因素。通過風(fēng)電場區(qū)典型風(fēng)機位的沉降觀測，根據(jù)沉降量統(tǒng)計表和沉降曲線圖，可預(yù)測風(fēng)機的沉降趨勢，將風(fēng)機的沉降情況及時反饋公司，避免因不均勻沉降等因素造成嚴(yán)重的后果。

3.2 風(fēng)機垂直度傾斜監(jiān)測

風(fēng)電場計劃采購一臺激光垂準(zhǔn)儀，在風(fēng)機機艙提升機吊物孔與風(fēng)機底部間無阻隔，在底部適當(dāng)位置安置接收靶，機艙吊物孔位置安置激光垂準(zhǔn)儀，使激光垂準(zhǔn)儀的鉛垂激光束投射到底部接收靶，然后接收靶上直接讀取數(shù)據(jù)，量出底部兩位移量，計算傾斜度與傾斜方向角。

通過對風(fēng)機垂直度監(jiān)測，獲得精確觀測數(shù)據(jù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析，對風(fēng)機在運行過程中的異常變形做出預(yù)報，以便及時采取措施，保證人員、設(shè)備安全。

3.3 裂縫變化監(jiān)測

（1）裂縫寬度監(jiān)測。通過全場排查統(tǒng)計同現(xiàn)象機位，在全場范圍內(nèi)對裂縫寬度較明顯的機位最終選定5臺機組共16個點位作為測量點位，監(jiān)測點位設(shè)置在縫隙最寬處及縫隙末端。截取20cm長鋼筋，在縫隙兩邊分別垂直釘入地面15cm深，在露出地面的兩根鋼筋之間用無彈性的線繩進(jìn)行長度固定，并在每處測量點制作點位編號，便于直觀觀察裂縫寬度明顯變化。對測量點位建立監(jiān)測檔案，周期定為每月1日進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并形成變化曲線圖便于查看明顯變化趨勢。

（2）裂縫深度監(jiān)測。將現(xiàn)場已經(jīng)開挖的2臺機組（14#、21#）的縫隙消失處進(jìn)行標(biāo)記拍照，將周圍做好圍欄，防止人員掉入。定期進(jìn)行查看對比深度有無變化。

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