某風電場基礎環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埋入方式。隨著裝機臺數增多，外部環境越來越復雜，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出現，共計4臺風機。按照嚴重程度可歸納為兩類。Ⅰ類(1#)：基礎環晃動嚴重，幅度達20mm。泛灰現象明顯，基礎環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現的。初步判斷為風機基礎與基礎環之間連接出現問題。

由于基礎環式方案存在錨固深度淺，基礎環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生，對該方案的質疑之聲不斷[3- 6]。本文依據現場檢測成果，利用有限元分析軟件，對基礎環式風機基礎進行計算，分析其破壞機理，尋求致使基礎環式方案出現問題的主要因素，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。按行業標準[7]，風機等級設計取決于風速和湍流參數。根據現場監測結果，運行期內全場湍流強度、最大風速并未超過設計值。

現場對各風機進行了結構尺寸、外觀表現、基礎環水平度測量等，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，鉆孔緊貼基礎環外側豎直鉆入，孔徑73mm，到基礎環下法蘭下部止，混凝土樣芯如圖1所示。

根據檢測結果，基礎環出露高度、基礎環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定，且上部回填土完好，可以排除地基沉降的因素。未發現混凝土有明顯開裂現象，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、基礎環和加載環模型，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，基礎環鋼材采用Vos Mises屈服準則，混凝土與基礎環之間考慮接觸作用[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連接。基礎環采用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 正常狀態分析

2.2.1基礎環受力分析

在荷載作用下，基礎混凝土和基礎環沿受力方向彎曲，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之間產生一定裂隙。基礎環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Mises應力云圖如圖3所示，基礎環應力分布基本對稱，集中在彎矩作用方向，應力最大值在基礎環剛出露混凝土的位置，為114.70MPa。

圖2 基礎混凝土及基礎環變形圖

圖3 基礎環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域內，都為壓應力。圖4有兩個明顯的應力集中區域，分別在荷載作用兩側：一部分位于基礎環下法蘭下部內側、最大值為8.20MPa，另一部分位于對側基礎環下法蘭上部外側、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

根據風機基礎有限元計算分析結果，在極端荷載下，基礎環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，雖在基礎環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。部分區域出現的拉應力，基礎設計時已配置足夠的鋼筋來承擔。

2.3 非正常狀態分析

根據現場檢測資料及其他文獻分析[11- 12]，基礎環埋深不足和混凝土澆筑缺陷使得基礎混凝土對基礎環的嵌固能力不足[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基礎環埋深影響分析

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

不同基礎環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。在實際基礎環埋深下，最大壓應力為8.22MPa，最大拉應力為2.23MPa。基礎環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下法蘭附近混凝土澆筑不密實，有孔洞。考慮基礎環下法蘭的特殊結構，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

基礎環埋深不足和混凝土澆筑缺陷均對基礎混凝土應力狀態產生不利影響，混凝土澆筑缺陷的影響要更大一些。但由于兩者發生的程度不太嚴重，在計算分析中并沒有發現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，發生破壞。而在運行中基礎環側壁接觸面上混凝土會進一步磨損、產生縫隙，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初始產生

在風機承受較大風荷載時，基礎環下法蘭周圍混凝土出現應力集中加大現象。若由于基礎環埋深不足或混凝土澆筑有缺陷，使基礎混凝土對基礎環的嵌固能力降低，引起基礎環振動加大、混凝土應力增大，進而使混凝土內部產生縫隙和磨損。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之間的止水存在缺陷，在基礎環的振動下，止水很快失效，雨水進入基礎，在基礎環擠壓時帶出內部磨損的混凝土粉塵，造成混凝土與基礎環之間縫隙不斷擴大，基礎混凝土對基礎環嵌固能力不斷降低。進一步導致基礎環振幅加大，周而復始，進入惡性循環。最終混凝土應力增大到超過自身強度，產生破壞。基礎環水平度增大，也是基礎環振動加劇的表現。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，隨著問題進一步發展，風機基礎混凝土對基礎環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傳遞給基礎，致使最終被拔出，從而發生倒塔事故。

3.2 處理方案

通過前面計算分析，雖然基礎環埋深不足、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生，只是誘發因素。如Ⅱ類風機基礎所表現的，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類風機基礎已經出現混凝土的破壞，因此需要徹底加固處理。根據不同情況，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、千斤頂等方式對基礎環進行糾偏，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氧樹脂漿料灌注，最后采用全孔灌漿法封孔[14]。在基礎環內側斜向造孔，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，增加基礎環埋深。灌漿結束后，對基礎內外混凝土表面進行鑿毛，植筋，新澆筑混凝土，外側加高550mm，內側加高260mm。

做好密封止水。混凝土達到強度后，對基礎環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，原來出現異常的風機基礎運行良好，未出現新的問題。

4 結論

研究表明，基礎環式的設計方案是安全可靠的。基礎環埋深不足和混凝土澆筑缺陷使得基礎混凝土對基礎環的嵌固能力降低，是基礎發生破壞的主要因素。通過增加基礎環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，降低事故發生的幾率。

隨著高輪轂、大葉片風機大規模使用，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、經濟性等各方面的問題，如何增加基礎環的嵌固能力是基礎環式風機基礎面臨的新挑戰。