風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)裂縫成因及性狀分析

羅錦華 呂偉榮,2* 盧倍嶸,2 徐偉 姚帥

（1、湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201 2、湖南科技大學(xué)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)與震動控制湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201）

隨著可持續(xù)發(fā)展的理念深入人心，風(fēng)力發(fā)電作為新型清潔能源，已經(jīng)成為國家關(guān)注和發(fā)展的重點[1]，而我國風(fēng)資源豐富，因地制宜，大力發(fā)展風(fēng)能不僅可以改善環(huán)境促進(jìn)新能源發(fā)展，還能促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展。隨著風(fēng)力發(fā)電機投入運行的時間逐年增加，國內(nèi)風(fēng)力機基礎(chǔ)普遍存在著風(fēng)致疲勞導(dǎo)致的混凝土受力裂縫[2-4]以及由溫度和水化熱引起的收縮裂縫[5-6]。盡管上述混凝土裂縫具有各自的成因、分布及性狀特點[7]，但對于現(xiàn)場主機企業(yè)和業(yè)主等日常巡檢人員，亦沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)予以識別。為此，本文基于對實際工程的檢測結(jié)果分析和總結(jié)，提出了風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)受力和非受力裂縫的鑒別方法，可供業(yè)主及主機廠家在日常風(fēng)機巡檢中進(jìn)行初步的判斷，有助于在風(fēng)力機基礎(chǔ)破壞嚴(yán)重前提前發(fā)現(xiàn)問題并及時停機維修，同時又避免了過度維護(hù)，保證了安全性的同時也保證了經(jīng)濟(jì)效益。

1 裂縫檢測方法

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)混凝土的損傷特點，對所檢風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)塔筒內(nèi)外混凝土裂縫進(jìn)行現(xiàn)場檢測，包括裂縫外觀形態(tài)、分布特征的描述、裂縫寬度檢測和深度檢測。

1.1 混凝土裂縫的外觀形態(tài)、分布特征描述

初步查看裂縫的外觀形態(tài)，繪制裂縫分布圖，準(zhǔn)確記錄裂縫的條數(shù)、位置、長度和走向，對可能的受力裂縫應(yīng)重點關(guān)注主風(fēng)方向，并在分布圖中予以注明，同時記錄并存儲構(gòu)件典型裂縫的影像資料。

1.2 混凝土裂縫寬度檢測

根據(jù)現(xiàn)場情況，每臺風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)至少選定3 條及以上的裂縫采用裂縫測寬儀進(jìn)行寬度檢測，單條裂縫上宜布置3 個及以上裂縫寬度測位，主要分布于兩端和最大裂縫寬度處，每個測點重復(fù)檢測三次，取平均值做為該點裂縫寬度值，精確至0.02mm 并在裂縫分布圖中標(biāo)注檢測部位。

1.3 混凝土裂縫深度檢測

裂縫深度檢測采用超聲法，根據(jù)裂縫深度與被測構(gòu)件厚度的關(guān)系以及可測試表面情況，采用單面平測跨縫法進(jìn)行檢測，如圖1 所示。被測裂縫表面應(yīng)清潔、平整，縫中不得有積水或泥漿等[8,9]。

圖1 跨縫測試示意圖

式中 hci- 第i 點計算的裂縫深度值(mm)；li- 跨縫平測時第i 點的超聲波實際傳播距離(mm)；ti0- 第i 點跨縫平測的聲時值（μs）；v- 裂縫區(qū)域的混凝土聲速，可取用平測法聲速或用其他方法獲取的聲速(km/s)。

2 裂縫成因及性狀分析

2.1 受力裂縫

2.1.1 成因分析

風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)在力的作用下，會使得混凝土內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力或者應(yīng)變高出其本身的強度或者極限應(yīng)變，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫。預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)通過施加豎向預(yù)應(yīng)力，使得基礎(chǔ)混凝土即使在風(fēng)機機組正常運行狀態(tài)下仍處于受壓應(yīng)力狀態(tài)，有效避免了基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)中基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土因受剪而導(dǎo)致風(fēng)致疲勞損傷[2]。因此，目前普遍因受力導(dǎo)致混凝土開裂和壓潰的主要是基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機基礎(chǔ)[2]，如圖2 所示。

圖2 基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土受力裂縫分布特點

大量工程實踐表明，基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機基礎(chǔ)在其主風(fēng)向迎風(fēng)和背風(fēng)面往往因往復(fù)風(fēng)荷載作用而產(chǎn)生基礎(chǔ)環(huán)與混凝土脫開，形成脫開裂縫，同時基礎(chǔ)環(huán)因為松動導(dǎo)致塔筒搖擺，搖擺將造成對基礎(chǔ)環(huán)主風(fēng)向周邊混凝土的反復(fù)沖壓[10]，久而久之則造成基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)外表層混凝土沖壓破碎，形成壓潰裂縫。

2.1.2 裂縫分布及性狀特點

上述因往復(fù)風(fēng)荷載作用產(chǎn)生的基礎(chǔ)環(huán)脫開裂隙和混凝土壓潰裂縫等在基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)外主風(fēng)方向均有分布，呈局部環(huán)形分布特點。同時，上述裂縫深度早期主要限于混凝土表層，隨著破損的不斷深入，受拉脫開裂隙會延伸至下法蘭。受壓開裂裂縫兩邊存在一點高差，即靠近塔筒的高，明顯呈現(xiàn)為受壓沖潰的特點。

2.2 溫度收縮縫

混凝土裂縫形成的一個關(guān)鍵在于溫度的改變，引發(fā)其裂縫的產(chǎn)生的緣由在于其里面與外面的溫差。外面的氣溫改變通常是季節(jié)改變、濕度變化及晝夜溫差等。混凝土內(nèi)部溫度變化主要緣于水泥反應(yīng)產(chǎn)生的水化熱，在它里面產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)熱量消失比較困難，這樣就存在其里面和外面溫度差別較大，就會形成因溫度改變而出現(xiàn)的應(yīng)力和應(yīng)變。該類型裂縫的特點是沿徑向等間距均勻分布，從基礎(chǔ)環(huán)開始沿徑向向外擴(kuò)展至臺柱邊，甚至沿側(cè)面一直向下，如圖3 所示。

圖3 溫度裂縫分布圖

2.3 混凝土自收縮裂縫

混凝土自收縮是指在混凝土凝結(jié)初期或硬化過程中出現(xiàn)的體積縮小現(xiàn)象。一般分為塑性收縮，化學(xué)收縮(又稱自身收縮)，干燥收縮及碳化收縮，較大的收縮會引起混凝土開裂。混凝土之所以產(chǎn)生自收縮開裂，主要是有兩類：

水灰比偏大，配合比不當(dāng)。因為配合比不當(dāng)，水灰比偏大導(dǎo)致的混凝土自收縮開裂裂縫與溫度裂縫比較相似，即沿徑向均勻分布，但裂縫深度往往較深，在某風(fēng)場中通過鉆芯取樣結(jié)果可達(dá)1.5m，如圖4 所示。

圖4 混凝土收縮裂縫深度

局部過振引起的混凝土離析，造成表層混凝土僅剩浮漿。局部過振是風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)混凝土施工過程中常見的施工質(zhì)量問題。但局部過振常引起的混凝土離析，造成表層混凝土僅剩浮漿，極易造成局部表層混凝土因無粗骨料而產(chǎn)生自收縮開裂。與配合比不當(dāng)產(chǎn)生的收縮裂縫不同的是，該類裂縫往往呈龜裂分布且呈隨機性的特點，如圖5 所示。

圖5 混凝土龜裂裂縫與稻田龜裂裂縫對比

2.4 裂縫小結(jié)，見表1。

表1 風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)混凝土裂縫類型及特點匯總

3 解決辦法

3.1 受力裂縫

對于受力裂縫目前往往采取先注漿填充，后表面破損混凝土破拆置換，如圖6 所示，具體如下。

圖6 風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)混凝土受力裂縫修補

基礎(chǔ)環(huán)周邊受拉裂縫：目前采用基礎(chǔ)環(huán)周邊鉆孔，深至下法蘭，考慮到需要進(jìn)行裂縫修補，建議注漿材料的選擇以環(huán)氧基為主，同時兼顧基礎(chǔ)下法蘭可能存在水和較大的磨損性空腔分布，建議選擇發(fā)熱量低且親水的改性環(huán)氧注漿料。

基礎(chǔ)環(huán)周邊混凝土壓潰裂縫：對受壓破損的混凝土進(jìn)行徹底拆除，植入界面短鋼筋后重新澆筑高出原基礎(chǔ)混凝土設(shè)計標(biāo)號一個等級的防裂混凝土或纖維混凝土。

上述風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)混凝土受力裂縫修補方案已在湖南、江西、安徽、福建、河北等全國多地風(fēng)電場的問題風(fēng)機基礎(chǔ)加固中得到有效實施，其中最早的一臺可追溯到2015 年，截止目前該風(fēng)機運行良好，表明經(jīng)基礎(chǔ)環(huán)周邊受拉裂縫環(huán)氧注漿修補和受壓區(qū)混凝土置換方案能有效的解決基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機基礎(chǔ)受力裂縫持續(xù)開展，延長機組使用壽命，為業(yè)主贏得寶貴的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 非受力裂縫

盡管因溫度和混凝土自收縮引起非受力裂縫的延伸會引起基礎(chǔ)內(nèi)部鋼筋銹蝕和混凝土碳化等耐久性方向的不利影響，但考慮到非受力裂縫均不存在明顯后期發(fā)展的特點，加之目前國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機普遍使用壽命為20 年，故一般情況下建議不予處理，持續(xù)觀察，待后期與可能出現(xiàn)的受力裂縫一起合并用注漿方式予以統(tǒng)一處理。

4 結(jié)論

4.1 本文基于對實際工程的檢測結(jié)果分析和總結(jié)，提出了風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)混凝土受力和非受力裂縫的鑒別方法，可供業(yè)主及主機廠家在日常風(fēng)機巡檢中進(jìn)行初步的判斷，有助于在風(fēng)力機基礎(chǔ)破壞嚴(yán)重前提前發(fā)現(xiàn)問題并及時停機維修。

4.2 針對風(fēng)力發(fā)電機基礎(chǔ)混凝土受力和非受力裂縫，本文提出了針對性處理方法并應(yīng)用于實際工程中，取得了良好效果，可供實際工程中參考。