影響風電機組基礎環(huán)與基礎混凝土之間錨固性能的因素分析

周 敏，吳繼亮，陳加興，譚爭光

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙 410014)

0 引言

風能作為一種清潔的可再生能源，國家在政策上對其發(fā)展給予了大力支持，近年來我國風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展勢頭迅猛。根據(jù)國家能源局的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，當前我國的風電裝機規(guī)模位居世界第一。在陸上風電場中，風電機組的塔筒與基礎之間主要采用基礎環(huán)或預應力錨栓進行連接，而由于基礎環(huán)的施工和安裝較為便捷，在目前已建成的陸上風電場中，風電機組的塔筒和基礎之間的連接大部分都采用了基礎環(huán)連接方式。

但采用基礎環(huán)連接方式的部分風電場在投產(chǎn)運行后出現(xiàn)了基礎環(huán)與基礎混凝土之間冒灰、冒漿，臺柱表層混凝土壓碎和表面混凝土裂縫等現(xiàn)象，如圖1、圖2所示。

因基礎環(huán)與基礎混凝土之間的錨固性能欠佳甚至失效而導致風電機組處于不安全的運行狀態(tài)，從而引發(fā)事故，且事故數(shù)量有逐年上升的趨勢。因此，對影響風電機組基礎環(huán)與基礎混凝土之間錨固性能的因素進行分析非常必要。本文結(jié)合實際工程案例，對影響風電機組基礎環(huán)與基礎混凝土之間錨固性能的主要因素進行了探討，研究結(jié)果可為陸上風電機組基礎的設計及加固提供參考。

圖1 風電機組基礎冒灰、冒漿Fig. 1 Ash and slurry emission of wind turbine foundation

圖2 臺柱表層混凝土壓碎和表面混凝土裂縫Fig. 2 Crushed and cracked of surface concrete of abutment column

1 基礎環(huán)的受力特性

風電機組采用高聳結(jié)構(gòu)，輪轂高度一般都大于等于80 m，塔筒本身承受巨大的剪力、彎矩和疲勞荷載。由于風荷載方向、大小的不確定性，風電機組的基礎環(huán)承受的荷載具有多變性、復雜性的特點。

基礎環(huán)作為連接上部結(jié)構(gòu)和下部基礎的重要組成部分，是風電機組基礎的核心錨固構(gòu)件，其主要由上、下法蘭和中部鋼筒組成，其中，下法蘭為錨固端；鋼筒筒壁的側(cè)壁光滑，并有橢圓形的孔，用于穿孔鋼筋的徑向放置，其剖面圖如圖3所示。

圖3 風電機組基礎環(huán)的剖面圖(單位：mm)Fig. 3 Sectional view of wind turbine foundation ring(unit：mm)

基礎環(huán)的材質(zhì)是鋼，性質(zhì)與混凝土材質(zhì)截然不同，在風電機組的基礎結(jié)構(gòu)中，基礎環(huán)和基礎混凝土之間是通過錨固作用協(xié)同工作、共同受力。基礎環(huán)主要是通過錨固作用固定于基礎混凝土中，其周邊混凝土配置有多種形式的鋼筋，起到約束、抗拔、抗沖切及抗拉的效果。

但由于基礎環(huán)與混凝土的剛度差異大，接觸區(qū)域受力復雜，傳力路徑不明確，因此在長期疲勞荷載的作用下，與基礎環(huán)結(jié)合的混凝土容易產(chǎn)生脫開、裂縫的現(xiàn)象；基礎環(huán)埋入基礎混凝土的深度小，基礎環(huán)上、下邊緣應力集中，導致這部分混凝土容易被壓碎。而且受上述損傷、風荷載引起的疲勞荷載持續(xù)作用，以及雨水侵蝕會使基礎環(huán)與混凝土脫開的縫隙不斷增大，會導致風電機組基礎冒灰、冒漿，出現(xiàn)基礎環(huán)松動等現(xiàn)象[1-4]。

2 影響基礎環(huán)與基礎混凝土之間錨固性能的因素分析

基礎環(huán)的錨固承載力主要由基礎環(huán)下法蘭的抗剪力、基礎環(huán)與基礎混凝土的粘結(jié)作用、基礎環(huán)側(cè)壁混凝土的抗力和穿孔鋼筋的作用力這4部分提供[5]。影響基礎環(huán)與基礎混凝土之間錨固性能的直接或間接因素眾多，以下結(jié)合實際陸上風電場工程對主要的影響因素進行探討。

2.1 基礎混凝土強度

陸上風電機組基礎的混凝土強度設計值一般為C30～C40，只有當混凝土強度等級達到設計值才能夠保證混凝土與基礎環(huán)之間的粘結(jié)作用力和混凝土抗壓、抗剪承載力；若混凝土強度等級低則混凝土容易被壓碎，從而導致基礎環(huán)的錨固性能變差。

以我國西南部某陸上風電場為例。該風電場共70臺風電機組，投產(chǎn)運行時間不足1年，其中52臺風電機組存在不同程度的基礎環(huán)松動和基礎冒灰、冒漿現(xiàn)象。利用鉆芯取樣法檢測該風電場所有風電機組基礎混凝土的強度值，實測的風電機組基礎的混凝土強度值如圖4所示。

圖4 風電機組基礎的混凝土強度實測值Fig. 4 Concrete strength of wind turbine foundation

現(xiàn)場鉆芯取樣法的檢測結(jié)果表明，該風電場70臺風電機組基礎的混凝土強度實測平均值僅為15.4 MPa，其中44.3%的風電機組基礎的混凝土強度低于15 MPa，僅5.7%的風電機組基礎的混凝土強度超過20 MPa，均未達到本項目的設計值C35。根據(jù)計算分析，基礎環(huán)下法蘭處最大局部壓應力為14.6 MPa，基礎的混凝土強度會因局部壓應力過大而被破壞，且混凝土強度低勢必會減小混凝土對基礎環(huán)和穿孔鋼筋的握裹力，同樣會降低基礎環(huán)的錨固承載力，從而導致基礎環(huán)松動和風電機組基礎冒灰、冒漿等現(xiàn)象。

基礎的混凝土強度會直接影響基礎環(huán)的錨固性能，混凝土強度越高，基礎環(huán)與其的錨固性能越好。根據(jù)風電機組荷載大小不同，混凝土強度等級一般要達到C30～C40才能滿足局部壓應力要求，基礎環(huán)的錨固性能才能夠得到保障。

2.2 基礎環(huán)埋置深度

國內(nèi)已建成的陸上單機容量為2.0 MW的風電機組，其輪轂高度一般為80～100 m，基礎環(huán)外徑一般在4.2～4.6 m之間。本文統(tǒng)計了已經(jīng)投產(chǎn)運行的86個陸上風電場中風電機組基礎的基礎環(huán)高度和埋置深度，具體數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 國內(nèi)已建成的陸上風電場的基礎環(huán)高度和埋置深度統(tǒng)計Fig. 5 Statistics of height and buried depth of foundation ring in domestic onshore wind farms

由圖5可知，在已經(jīng)投產(chǎn)運行的86個陸上風電場中，基礎環(huán)的最大高度為2.5 m，最小高度為1.8 m，平均高度約為2.3 m；基礎環(huán)埋置深度在1.3～2.0 m之間，平均埋置深度約為1.8 m。

我國中部地區(qū)某陸上風電場共安裝了50臺2.0 MW的風電機組，全部建成投產(chǎn)2年后，其中13臺風電機組存在基礎混凝土表面開裂、基礎環(huán)松動，以及基礎冒灰、冒漿的現(xiàn)象。調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，該風電場的基礎環(huán)高度為1.8 m，埋置深度僅為1.345 m。根據(jù)分析計算，由于基礎環(huán)埋置深度過小，穿孔鋼筋的計算應力超限，下法蘭處局部壓應力較大，從而導致基礎環(huán)與基礎混凝土之間的錨固效果欠佳。

基礎環(huán)的埋置深度對其錨固性能的影響較大，隨著基礎環(huán)埋置深度加大，穿孔鋼筋的應力明顯減小，基礎下法蘭處混凝土的應力集中問題有所改善，錨固性能會更好[6]。根據(jù)風電機組荷載大小不同，基礎環(huán)的埋置深度一般要達到1.5～2.0 m才能夠滿足設計要求。

2.3 基礎環(huán)下法蘭寬度

根據(jù)GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》第12.7.10條的規(guī)定，鋼結(jié)構(gòu)插入式柱腳最小插入深度為1.5D(D為鋼管柱直徑)；而風電機組基礎環(huán)的實際埋置深度僅為上述標準所要求最小插入深度的20%～30%，遠低于上述標準要求達到的值[7]。因此，僅依靠埋置深度提供錨固性能是遠遠不夠的，基礎環(huán)的錨固性能承載力大部分需要依靠下法蘭的錨固力來提供。

研究表明，若基礎環(huán)下法蘭寬度每增加60%，基礎環(huán)的節(jié)點極限抗彎承載力就可在原來基礎上提高67%，二者之間大致呈線性關(guān)系[5]；增加下法蘭寬度，能夠降低基礎環(huán)穿孔鋼筋的峰值應力，并明顯減小下法蘭處混凝土的應力，從而有效緩解基礎環(huán)下法蘭處局部混凝土應力集中的現(xiàn)象[8]。

根據(jù)外部條件不同，陸上單機容量為2.0 MW的風電機組的基礎環(huán)下法蘭寬度一般在250～500 mm之間，增加下法蘭寬度對基礎環(huán)的拉拔承載力有較大提高。因此，為了提高基礎環(huán)與基礎混凝土之間的錨固性能，建議基礎環(huán)下法蘭寬度不小于400 mm。

2.4 基礎環(huán)穿孔鋼筋

在目前國內(nèi)風電機組基礎的設計中，對基礎環(huán)穿孔鋼筋的計算方法并未明確，設計人員一般根據(jù)經(jīng)驗進行配筋。一般情況下，會根據(jù)風電機組廠家提供的基礎環(huán)孔洞布置，采用直徑28 mm或32 mm的三級鋼，逐孔進行布置，單孔一般布置2根穿孔鋼筋。穿孔鋼筋的典型布置如圖6所示。

圖6 基礎環(huán)的穿孔鋼筋布置圖(單位：mm)Fig.6 Perforated steel reinforcement layout of foundation ring(unit：mm)

基礎環(huán)的錨固承載力很重要的一部分是由基礎環(huán)穿孔鋼筋提供的。研究表明，隨著穿孔鋼筋數(shù)量的增加，穿孔鋼筋的最大應力會顯著降低，對基礎環(huán)孔洞附近的混凝土應力也會有一定程度的改善[9]。

受基礎環(huán)尺寸的限制，基礎環(huán)筒壁單排開孔數(shù)量一般在56～60個之間，相應的穿孔鋼筋的數(shù)量也會被限制。因此，在進行風電機組基礎設計時，可考慮在基礎環(huán)筒壁上開2排孔洞，如此可增加穿孔鋼筋的數(shù)量，能夠有效提高基礎環(huán)的錨固性能。

2.5 基礎環(huán)的密封防水

通過對基礎環(huán)錨固出現(xiàn)問題的多個風電場進行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，各風電場的風電機組基礎環(huán)的防水密封材料均有不同程度的損壞，甚至部分已完全脫落。基礎環(huán)的防水密封失效后，雨水就會沿著基礎環(huán)與混凝土之間的縫隙進入基礎混凝土內(nèi)部，在風電機組荷載的反復作用下，基礎環(huán)與基礎混凝土之間的粘結(jié)摩擦力逐漸喪失，混凝土強度和耐久性降低，導致基礎出現(xiàn)冒灰、冒漿等問題，錨固性能大幅降低[10]。

為了避免基礎環(huán)與混凝土之間的縫隙進水，防止基礎環(huán)表面銹蝕，基礎環(huán)必須采用持久耐用、有彈性、耐紫外線輻射的密封防水材料，并應嚴格按照設計圖紙、施工工藝做好基礎的密封防水。基礎環(huán)密封防水的典型做法如圖7所示。

圖7 基礎環(huán)的防水密封做法詳圖Fig. 7 Waterproof and sealing of foundation ring

2.6 其他因素

由于風電機組基礎環(huán)附近的鋼筋配置較為密集，在基礎施工過程中若混凝土振搗不密實，會造成基礎環(huán)附近混凝土形成孔洞，從而降低基礎環(huán)的錨固承載力。風電機組基礎施工屬于大體積混凝土工程，設計要求一次澆筑成型，但由于現(xiàn)場施工管理問題，會出現(xiàn)混凝土澆筑中斷的情況，若混凝土中斷澆筑，二次澆筑也會對混凝土的錨固性能造成一定的不利影響。

3 結(jié)論

本文結(jié)合實際工程對影響風電機組基礎環(huán)與基礎混凝土之間錨固性能的主要因素進行了探討，風電機組基礎環(huán)與基礎混凝土之間接觸區(qū)域的受力情況非常復雜，因此影響基礎環(huán)與基礎混凝土之間錨固性能的因素眾多，主要因素包括基礎混凝土強度、基礎環(huán)埋置深度、基礎環(huán)的下法蘭寬度、基礎環(huán)穿孔鋼筋的配置和基礎環(huán)的密封防水等。基礎混凝土強度等級、基礎環(huán)埋置深度和下法蘭寬度對基礎環(huán)的錨固性能影響較大，提高混凝土強度等級、加大基礎環(huán)埋置深度和下法蘭寬度，能夠顯著提高基礎環(huán)的錨固承載力；增加穿孔鋼筋數(shù)量和做好基礎環(huán)的防水密封措施也能夠提高基礎環(huán)的錨固性能。另外，風電機組基礎的施工質(zhì)量也會對基礎環(huán)的錨固性能造成一定影響。