某風電機組基礎沉降不均勻原因分析及處理

李曉博，姚玲玲，程 帥，舒 進，李 萌，蘭 昊，于博文

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安710054；2.西安益通熱工技術服務有限責任公司，陜西 西安710001）

0 引言

近年來我國風力發電行業經歷了快速發展及裝機容量的迅速增加，截止到2019 年末，我國風電累計裝機容量已達到207 292 MW。隨著風電裝機容量的持續增長以及風電機組運行年限的增長，風電機組各系統、部件會發生一定程度的磨損、老化等現象，風電機組運行的安全性、穩定性變得愈發重要［1-4］。

風電機組基礎除了承受著風機各系統、設備的自重之外，還承載著風力以及風機運行過程中產生的振動、晃動等持續性載荷，如果基礎由于沉降不均勻而發生傾斜，風電機組整體的重心將會發生偏移，導致基礎受力不均勻，同時各節塔筒連接處螺栓受力不均，嚴重時會導致塔筒法蘭連接螺栓發生斷裂甚至塔筒傾斜過度而倒塔［5-9］。因此，當觀測到風機基礎沉降不均勻量增大而影響到機組安全時，應及時采取針對性的糾偏措施，阻止風機基礎沉降不均勻地發展［10-16］，確保風電機組的安全、穩定運行。對基礎開展糾偏工作后，還應結合持續的基礎沉降監測工作，統計基礎沉降發展趨勢，直至基礎沉降區域穩定，恢復正常范圍內［17-19］。

1 基礎沉降觀測數據分析

某風電場位于山西省北部境內，工程重要性等級為二級、中等復雜場地、地基等級為二級，地形為高山地，平均海拔約1 500 m，植被以草地、耕地為主。根據現場勘察結果，結合調查了解資料，場址范圍內及其附近無巖溶土洞、崩塌、滑坡、泥石流等不良地質作用。風電場場址場地類別為I 類，場地土類型為堅硬場地土，全年日照充分，蒸發大。根據《GB/T 12897－2006國家一、二等水準測量規范》A.8，中國凍土極值深度等值線圖，場地最大凍土深度為1.5 m。根據《GB 50011-2001 建筑抗震設計規范》附錄A，該地區抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度值為0.1 g。該風電場12號風機于2011 年至2015 年期間共計開展9 次基礎沉降觀測。風機基礎沉降觀測中采用天寶DINI03 型（DSZ05）精密電子水準儀，采用1.5 m銦鋼水準標尺施測，其每1 km 往返差的標稱精度為±0.3 mm。12 號風機基礎沉降觀測點位于基礎平臺上（如圖1所示），G1、G2、G3、G4 4個觀測點均布于一個平面，形成的圓形弧度各為90°，J1為沉降觀測的基準點。基礎沉降觀測路線為J1-G1-G2-G3-G4-J1。

圖1 風機基礎沉降觀測點布置圖Fig.1 Layout of settlement observation points of foundation

通過對比前9 次基礎沉降觀測數據，發現該風機基礎沉降不均勻趨勢逐步增大，且累積沉降不均勻量達到了6.52 mm，超過了風電場風機運行規程中沉降不均勻量小于2 mm 限值的規定。為了進一步確認數據測量的準確性，掌握風機基礎的真實沉降情況，于1個月后開展了12號風機基礎沉降觀測復測工作。表1為12號風機10次基礎沉降觀測的數據。

12 號風機G1、G2、G3、G4 4 個基礎沉降觀測點的高程趨勢圖見圖2，由圖2 可知G1、G4 點沉降量最大，G2點沉降量較小，G3點高程升高。

12 號風機基礎沉降不均勻量變化趨勢如圖3 所示，由圖3 可知，從第7～9 次測量期間，風機基礎沉降不均勻量突然增加，累計不均勻沉降達到6.52 mm。

根據該風電場運行規程，風機基礎沉降不均勻量應控制在2 mm范圍之內，由第9次沉降觀測數據計算可知，12號風機基礎沉降不均勻量已達到6.52 mm，超過允許值的3倍，應引起高度重視，及時分析基礎沉降不均勻的原因，并采取針對性的措施，以保證風機的安全、穩定。

表1 12號風機基礎沉降觀測數據Table 1 Observation data of foundation settlement of wind turbine No.12

圖2 風機基礎沉降觀測點的高程趨勢圖Fig.2 Elevation trend diagram of settlement observation point of foundation

圖3 風機基礎沉降不均勻量變化趨勢圖Fig.3 Variation trend of uneven settlement of foundation

2 沉降不均勻原因分析

風機基礎在風機塔筒、機艙各系統設備的重力作用下，會產生一定的沉降，正常情況下基礎沉降是均勻的，或者不均勻量是微小的，當不均勻沉降量小于2 mm時，可認為風機基礎是安全的。當沉降不均勻量超過2 mm 時，風機基礎環的水平度也會增大，塔筒各段連接螺栓的受力就會發生變化，風機整機的重心就會逐漸偏移塔筒中心線，會進一步導致基礎沉降較快的一側受力更大，會加快沉降不均勻的趨勢，不利于風機整機的安全性、穩定性［20-27］。因此，在這種情況下，需要及時尋找導致基礎沉降不均勻的原因，并制定相應的整改措施。

本次發生不均勻沉降的風機為運達1500/82機組，風機輪轂高度為70 m。查閱了12 號風機基礎設計及施工圖紙，如圖4～圖5為風機基礎的剖面圖和平面圖，風機基礎采用現澆鋼筋混凝土圓形擴展基礎，基礎混凝土強度等級為C35，墊層為C15，混凝土抗凍等級為F150。

圖4 風機基礎的剖面圖Fig.4 Section drawing of foundation

圖5 風機基礎的平面圖Fig.5 Plane drawing of foundation

查閱風電場12 號風機所屬工程巖土工程勘測報告，發現12號風機場址表層為1.8 m的強風化玄武巖，第二層為厚約1.9 m的棕紅色粘土，其下為強風化白云巖。12 號風機設計基礎埋深為3.15 m，因此風機基底之下與強風化白云巖之間存在厚約0.55 m 的棕紅色粘土。

現場勘查12號風機基礎表面情況，發現基礎表面無明顯開裂、混凝土破損現象。但在風機基礎東側發現有一條施工便道（如圖6所示），經調查，12號風機附近臨時新增某一施工項目，施工期間有多輛總重超過30 t 的重型貨車經過，施工工期達到3 個月以上，對基礎進行碾壓，給基礎增加了額外載荷。

圖6 風機基礎東側的施工道路Fig.6 Construction road on the east side of fan foundation

根據以上情況，12號風機基礎東側新增了一條施工道路，重型貨車通過該道路的時間為2014 年10 月，即第8～9 次基礎沉降觀測的時間范圍內，與風機基礎發生沉降不均勻的時間段高度吻合。風機基礎下方與強風化白云巖之間厚約0.55 m 的棕紅色粘土，由于土質不均勻，在外力的作用下易產生基礎不均勻沉降。因此，分析導致12號風機基礎沉降不均勻的直接原因是由于基礎外部突然增加的載荷（重型車輛碾壓），間接原因是基礎下方存在厚約0.55 m 的棕紅色粘土，在地質不均勻性和外部載荷長期累積作用下，導致風機基礎出現了不均勻沉降。

3 處理措施

風機基礎發生不均勻沉降時，通常采取的糾偏方法主要有補樁法、堆載糾偏法、注漿法等方法［28-31］。

補樁法［32］主要是通過在風機基礎承臺周邊增加一圈均勻布置的灌注樁，該方法對原基礎的擾動較小，施工方便，在較短時間內提高風機基礎薄弱側的承載力，缺點是增加灌注樁后將較大程度改變風機基礎的承載力分布。

堆載糾偏法［33］主要是通過在基礎承臺高程較高一側進行堆載重物，使基礎承臺兩側受力不均，從而糾正原先的基礎不均勻沉降，該方法風機基礎的干擾相對較小，且易于實施、經濟合理，但糾偏效果需要短時間才能反映出來，同時堆載量及堆載時間須經后續觀測配合。

注漿法［34］主要是通過鉆機鉆至承臺下，使用壓力泵通過鉆孔將水泥漿注入持力層樁尖位置，使樁尖飽和土與水泥固化成水泥土，該方法可有效提高預應力樁的承載能力，但操作工藝較為復雜，成本較高。

經過綜合評估，針對12號風機基礎沉降不均勻現象，本次選擇在風機基礎西側采用堆載沉降法進行糾偏。堆載重物位于距離塔筒重心6-8 m 位置的區域，如圖7所示，黑色區域為堆載重物的區域。

圖7 糾偏重物堆載區域Fig.7 Load area for stacking load deviation

對12號風機基礎進行堆載重物的具體方案為：第一次堆載大約20 t沙袋，3個月后，測量基礎沉降情況，不均勻量達到了6.13 mm。隨后增加了堆載重物的重量，總重大約50 t，半年之后測量基礎沉降情況，不均勻量達到了5.48 mm。隨后減少了堆載物的重量，保留約30 t 的重物在堆載區域，并密切關注基礎沉降發展趨勢。如圖8所示為對12號風機基礎采取堆重物糾偏措施后，開展的3 次基礎沉降觀測工作計算的基礎沉降不均勻量，從圖中可知，風機基礎沉降不均勻量呈逐漸回落趨勢，逐漸接近安全區域。當不均勻沉降量小于3 mm 之后，再逐步縮減堆載物的重量，直至風機基礎沉降不均勻量小于2 mm，沉降趨于穩定之后，方可撤去堆載的重物。

圖8 風機基礎沉降不均勻量變化趨勢圖Fig.8 Variation trend of uneven settlement of foundation

4 結語

風電機組基礎的安全、穩定是保證風電機組各系統、設備安全、穩定運行的前提，發生基礎沉降不均勻時，應及時進行糾偏處理，防止基礎沉降不均勻趨勢惡化而導致機組出現安全隱患。通過對12號風機基礎沉降不均勻現象進行分析、處理，得到：1）此次12號風機基礎沉降不均勻的主要原因是由于風機基礎表面受到外部載荷持續性作用導致，次要原因是風機基礎下有0.55 m厚度的易發生變形的粘土；2）由外部載荷作用于風機基礎表面而導致的基礎沉降不均勻可通過堆載沉降法進行糾偏，通過密切關注糾偏過程中的基礎沉降發展趨勢，及時增加或者減輕堆載的重量，可有效抑制基礎沉降不均勻的趨勢，使風機基礎沉降逐漸恢復正常水平。

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