某風電場基礎環(huán)式風機基礎破壞機理分析

趙 斌，肖亞萌，劉 艷

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

甘肅省風能資源豐富，截止2019年底已建風電場總裝機規(guī)模1297萬kW，單機容量從最小的0.3MW到最大的5.0MW，總約8千多臺。風機基礎與塔筒連接大部分采用基礎環(huán)埋入方式。隨著裝機臺數(shù)增多，外部環(huán)境越來越復雜，風機基礎連接部位暴露出來的問題也越來越多[1- 2]。

甘肅省某山地風電場安裝100臺單機容量為2.0MW的風機，2015年全部建成運行。運行不到3a，在運行中風機基礎異常情況陸續(xù)出現(xiàn)，共計4臺風機。按照嚴重程度可歸納為兩類。Ⅰ類(1#)：基礎環(huán)晃動嚴重，幅度達20mm。泛灰現(xiàn)象明顯，基礎環(huán)與混凝土連接部位的密封材料被擠出，止水失效。Ⅱ類(2#、3#、4#)：風機晃動輕微，泛灰不明顯，此類主要是在1#風機運行報警后全場巡查時發(fā)現(xiàn)的。初步判斷為風機基礎與基礎環(huán)之間連接出現(xiàn)問題。

由于基礎環(huán)式方案存在錨固深度淺，基礎環(huán)與混凝土連接部位剛度突變等自身問題，加之近年來與之相關的工程問題多有發(fā)生，對該方案的質疑之聲不斷[3- 6]。本文依據(jù)現(xiàn)場檢測成果，利用有限元分析軟件，對基礎環(huán)式風機基礎進行計算，分析其破壞機理，尋求致使基礎環(huán)式方案出現(xiàn)問題的主要因素，并提出相應加固處理方案。

1 風電場設計及現(xiàn)場情況

本風電場采用2.0MW低溫型直驅機組，輪轂中心高度85m，風輪直徑106m。按行業(yè)標準[7]，風機等級設計取決于風速和湍流參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結果，運行期內(nèi)全場湍流強度、最大風速并未超過設計值。

現(xiàn)場對各風機進行了結構尺寸、外觀表現(xiàn)、基礎環(huán)水平度測量等，及對兩類風機基礎各選取1臺(1#和4#)進行混凝土鉆孔取樣鑒定，鉆孔緊貼基礎環(huán)外側豎直鉆入，孔徑73mm，到基礎環(huán)下法蘭下部止，混凝土樣芯如圖1所示。

根據(jù)檢測結果，基礎環(huán)出露高度、基礎環(huán)水平度均不滿足設計要求，具體檢測及取樣情況見表1。按觀測資料，運行期基礎沉降已基本穩(wěn)定，且上部回填土完好，可以排除地基沉降的因素。未發(fā)現(xiàn)混凝土有明顯開裂現(xiàn)象，基礎結構性未破壞。

圖1 風機基礎混凝土樣芯缺陷情況(左1#，右4#)

2 風機基礎有限元分析

由于風機基礎是鋼混組合結構，基礎環(huán)連接部位構造更為復雜，為驗證風機基礎設計的合理性，尋求異常問題的導致因素，對風機基礎進行有限元模擬計算分析[8]。在風機基礎有限元模型中建立基礎混凝土、基礎環(huán)和加載環(huán)模型，混凝土采用塑性

表1 異常風機基礎檢測情況匯總表

損傷模型，基礎環(huán)鋼材采用Vos Mises屈服準則，混凝土與基礎環(huán)之間考慮接觸作用[9]。計算采取擬靜力方法，主要計算極端荷載作用下基礎環(huán)和基礎混凝土的受力情況[10]。

2.1 風機基礎形式

風機基礎采用圓形擴展式，底板直徑18m、高1.0m，頂部圓柱直徑7.0m、高1.2m，總高3.7m，混凝土標號為C35。風機塔筒與基礎采用基礎環(huán)連接。基礎環(huán)采用Q345鋼材，直徑4400mm，高度2150mm，埋入混凝土1550mm，出露600mm。壁厚40mm。設上下法蘭，下法蘭厚度80mm。

2.2 正常狀態(tài)分析

2.2.1基礎環(huán)受力分析

在荷載作用下，基礎混凝土和基礎環(huán)沿受力方向彎曲，兩者變形趨勢基本一致，如圖2所示。在變形過程中，基礎混凝土與基礎環(huán)之間產(chǎn)生一定裂隙。基礎環(huán)出露混凝土部分變形較大，進入混凝土后下降，隨著埋深加大，趨于平緩。基礎環(huán)Mises應力云圖如圖3所示，基礎環(huán)應力分布基本對稱，集中在彎矩作用方向，應力最大值在基礎環(huán)剛出露混凝土的位置，為114.70MPa。

圖2 基礎混凝土及基礎環(huán)變形圖

圖3 基礎環(huán)Mises應力云圖

2.2.2基礎混凝土受力分析

基礎混凝土應力如圖4所示。Mises應力集中分布在基礎圓臺及下部區(qū)域內(nèi)，都為壓應力。圖4有兩個明顯的應力集中區(qū)域，分別在荷載作用兩側：一部分位于基礎環(huán)下法蘭下部內(nèi)側、最大值為8.20MPa，另一部分位于對側基礎環(huán)下法蘭上部外側、最大值為8.69MPa。

徑向應力分布與Mises應力相同，一側下法蘭上部為拉應力、最大值為2.11MPa，下部為壓應力、最大值為4.84MPa；對側下法蘭上部為壓應力、最大值為10.03MPa，下部為拉應力、最大值為2.02MPa。

圖4 風機基礎混凝土應力云圖

2.2.3小結

根據(jù)風機基礎有限元計算分析結果，在極端荷載下，基礎環(huán)應力遠小于自身屈服強度315MPa，結構安全性較高。基礎混凝土也是處于安全狀態(tài)，雖在基礎環(huán)下法蘭下部和上部會有不同程度的應力集中，但最大值也小于混凝土抗壓強度標準值23.4MPa。部分區(qū)域出現(xiàn)的拉應力，基礎設計時已配置足夠的鋼筋來承擔。

2.3 非正常狀態(tài)分析

根據(jù)現(xiàn)場檢測資料及其他文獻分析[11- 12]，基礎環(huán)埋深不足和混凝土澆筑缺陷使得基礎混凝土對基礎環(huán)的嵌固能力不足[13]，是本項目導致異常的可能因素，分別對其進行有限元分析。

2.3.1基礎環(huán)埋深影響分析

在前面模型的基礎上，進行不同基礎環(huán)埋深對基礎應力的影響分析。基礎環(huán)埋深按原設計方案(1550mm)、實際出現(xiàn)的情況(1450mm)、可能存在的情況(1650mm、1750mm)考慮。根據(jù)前述分析，基礎環(huán)自身的結構安全性高，后續(xù)重點對基礎環(huán)下法蘭附近混凝土的受力情況進行分析。

不同基礎環(huán)埋深下基礎混凝土應力變化如圖5所示，最大壓應力采用Mises應力值(下同)。隨著基礎環(huán)埋深減小，基礎混凝土最大壓應力隨之減小、最大拉應力隨之增大。在實際基礎環(huán)埋深下，最大壓應力為8.22MPa，最大拉應力為2.23MPa。基礎環(huán)埋深變化與引起基礎混凝土應力的變化幅度基本相當，雖然基礎環(huán)埋深小于設計值，但由于其減小幅度不大，故對基礎混凝土應力影響也不大。

圖5 不同基礎環(huán)埋深下混凝土最大應力變化圖

2.3.2混凝土缺陷影響分析

混凝土鉆孔取樣表明基礎環(huán)下法蘭附近混凝土澆筑不密實，有孔洞。考慮基礎環(huán)下法蘭的特殊結構，其底部混凝土澆筑不密實的可能性更大，脫空情況將更嚴重。本次有限元計算分析中，考慮采用定義混凝土與基礎環(huán)下法蘭底部接觸面粘結失效的方式模擬混凝土缺陷。若將基礎環(huán)下法蘭底部混凝土全部脫空定義為失效率100%，按本次計算考慮脫空沒有、一般、較重、嚴重四級程度，分別用0%、20%、40%和60%的失效率(工況1—4)分別進行計算，失效部位按接觸面均勻分布考慮。

不同工況下基礎混凝土應力變化如圖6所示，隨著接觸面粘結失效率增加，基礎混凝土最大壓、拉應力均隨之急劇增大。失效20%的工況下，基礎混凝土最大壓應力為12.10MPa、最大拉應力為2.67MPa；失效40%的工況下，最大壓應力為16.78MPa、最大拉應力為3.38MPa；失效60%的工況下，最大壓應力為23.16MPa、最大拉應力為4.26MPa，已逼近混凝土強度標準值。

圖6 不同工況下混凝土應力變化圖

2.3.3小結

基礎環(huán)埋深不足和混凝土澆筑缺陷均對基礎混凝土應力狀態(tài)產(chǎn)生不利影響，混凝土澆筑缺陷的影響要更大一些。但由于兩者發(fā)生的程度不太嚴重，在計算分析中并沒有發(fā)現(xiàn)引起混凝土直接破壞的情況。按接觸面粘結失效率對基礎混凝土應力的影響趨勢判斷，隨著失效率的進一步增加，混凝土最大應力將會超過自身強度，發(fā)生破壞。而在運行中基礎環(huán)側壁接觸面上混凝土會進一步磨損、產(chǎn)生縫隙，將會致使接觸失效進一步擴大。

3 破壞機理分析及處理方案擬定

3.1 風機基礎破壞機理分析

3.1.1初始產(chǎn)生

在風機承受較大風荷載時，基礎環(huán)下法蘭周圍混凝土出現(xiàn)應力集中加大現(xiàn)象。若由于基礎環(huán)埋深不足或混凝土澆筑有缺陷，使基礎混凝土對基礎環(huán)的嵌固能力降低，引起基礎環(huán)振動加大、混凝土應力增大，進而使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生縫隙和磨損。Ⅱ類風機正處于此階段，此時風機尚可正常運行。

3.1.2進一步發(fā)展

對比兩類風機基礎異常情況，可以看出問題擴大與止水破壞有直接關系。若風機基礎與基礎環(huán)之間的止水存在缺陷，在基礎環(huán)的振動下，止水很快失效，雨水進入基礎，在基礎環(huán)擠壓時帶出內(nèi)部磨損的混凝土粉塵，造成混凝土與基礎環(huán)之間縫隙不斷擴大，基礎混凝土對基礎環(huán)嵌固能力不斷降低。進一步導致基礎環(huán)振幅加大，周而復始，進入惡性循環(huán)。最終混凝土應力增大到超過自身強度，產(chǎn)生破壞。基礎環(huán)水平度增大，也是基礎環(huán)振動加劇的表現(xiàn)。Ⅰ類風機正處于此階段。

3.1.3事故形成

若不及時采取措施，隨著問題進一步發(fā)展，風機基礎混凝土對基礎環(huán)的嵌固能力越來越差，混凝土破壞范圍擴大，上部荷載不能由基礎環(huán)傳遞給基礎，致使最終被拔出，從而發(fā)生倒塔事故。

3.2 處理方案

通過前面計算分析，雖然基礎環(huán)埋深不足、基礎混凝土澆筑有缺陷，但由于其程度不高，并不能直接導致事故發(fā)生，只是誘發(fā)因素。如Ⅱ類風機基礎所表現(xiàn)的，施工缺陷只是引起混凝土應力增加、振動加大，并沒有達到超自身強度而引起破壞的程度，只要阻止問題擴大即可。但Ⅰ類風機基礎已經(jīng)出現(xiàn)混凝土的破壞，因此需要徹底加固處理。根據(jù)不同情況，針對工程特性，參考類似情況[5]，擬定處理方案。

3.2.1Ⅰ類風機基礎

提高水平度。先采用偏航、千斤頂?shù)确绞綄A環(huán)進行糾偏，使其水平度滿足要求。

進行灌漿加固原基礎混凝土。在基礎環(huán)外側豎向及水平造孔，鉆孔至下法蘭下側破損混凝土為止，孔徑75mm，豎向14個，水平10個，水平孔兼做清灰孔；采用自重或低壓法灌注水泥基漿料，在灌注水泥基漿料時埋設注膠管，水泥基漿料灌注完成后再進行環(huán)氧樹脂漿料灌注，最后采用全孔灌漿法封孔[14]。在基礎環(huán)內(nèi)側斜向造孔，鉆孔至下法蘭底部，向外側傾斜10度，孔徑32mm，共10個；采用低壓灌注環(huán)氧樹脂漿料。灌漿材料均采用無收縮性材料。

加高混凝土，增加基礎環(huán)埋深。灌漿結束后，對基礎內(nèi)外混凝土表面進行鑿毛，植筋，新澆筑混凝土，外側加高550mm，內(nèi)側加高260mm。

做好密封止水。混凝土達到強度后，對基礎環(huán)與混凝土表面接觸部分進行密封及止水加固處理。

3.2.2Ⅱ類風機基礎

對已經(jīng)鉆孔取樣的風機，按Ⅰ類處理方案進行。其余風機考慮只是處于破壞的初始階段，并不影響正常使用。因此，只對基礎環(huán)與混凝土面接觸重新進行密封及防水加固處理，防止問題進一步擴大[15]。同時，加強運行監(jiān)測，并對全場風機基礎止水密封存在問題的全部進行加固處理。

按擬定方案，2018年陸續(xù)完成全場風機基礎加固處理工作，通過一年多的運行觀測，原來出現(xiàn)異常的風機基礎運行良好，未出現(xiàn)新的問題。

4 結論

研究表明，基礎環(huán)式的設計方案是安全可靠的。基礎環(huán)埋深不足和混凝土澆筑缺陷使得基礎混凝土對基礎環(huán)的嵌固能力降低，是基礎發(fā)生破壞的主要因素。通過增加基礎環(huán)的埋深和灌漿加固修復風機基礎的方案是可行的。今后設計中應該適當增加基礎環(huán)的埋深，在施工中一定要加強管控，提高施工質量，降低事故發(fā)生的幾率。

隨著高輪轂、大葉片風機大規(guī)模使用，風機所承受的荷載也迅速增加，需要獲得更多的錨固力，這將帶來技術風險、經(jīng)濟性等各方面的問題，如何增加基礎環(huán)的嵌固能力是基礎環(huán)式風機基礎面臨的新挑戰(zhàn)。