淺析風電機組基礎開裂及高流動高聚物在基礎維護中的使用

2021-02-21 02:34:26張峰峰

新視線·建筑與電力 2021年8期

摘要：風電機組在運行過程中，由于基礎環受到塔筒傳遞的復雜的交變載荷，以及風機偏航振動等方面的影響，風機基礎混凝土與基礎法蘭之間出現間隙，雨水浸入縫隙之后，通過“呼吸”作用使基礎內部混凝土流失而出現空腔，基礎會出現傾斜、壓潰等情況。

關鍵詞：風電機組;基礎;開裂;高聚物灌漿;流動性

引言

我國風電裝機規模不斷擴大，隨著大型風電場的運行年限的增加，風電場機組基礎因振動、止水層破壞等原因造成的基礎翻漿、開裂現象逐漸普遍，本文就實際案例的處置及風機基礎維護方面做簡要探討。

1.案例研究

某風電場投產于2013年，裝機容量100MW，單機容量2MW。風電場投產至今，有2臺機組基礎出現嚴重的基礎混凝土壓潰、開裂現象，其他機組不同程度出現翻漿現象（如圖1所示）。

經過實地勘察，基礎環外部混凝土部分，在水平表面敲擊有空鼓現象，并且是圍繞基礎環一周均有，越靠近基礎環空鼓深度越深;基礎環與混凝土平臺結合處均出現不同程度翻漿現象，基礎環混凝土平臺結合處均出現4㎜左右間隙。

2.風機運行是載荷傳遞分析

風機運行時塔筒傳遞至基礎的荷載非常復雜，一般有豎向荷載、橫向荷載、彎矩等。謝冰冰[8]等研究了風機在啟停時在風向方向前后擺振的情況，如圖2所示。

此時塔筒傳遞給基礎的荷載對基礎的沖擊作用是很大的，基礎環周邊混凝土必然會受到不均勻的徑向應力從而導致應力集中，極有可能使混凝土壓碎、破裂，繼而產生裂縫，如圖3所示。

3.非均勻受力的探討

對于非均勻的徑向壓力，目前沒有明確的分布曲線，常用一些函數曲線近似表示荷載分布規律的不均勻性，如采用倍角余弦曲線的非均勻徑向壓力分布[5]，或采用單角正弦函數分布等，參考上述研究，謝冰冰等[8]結合風機基礎的受力情況，提出基礎環周邊非均勻的徑向壓力的分布形式如式（1）及圖3所示。

2q = q0 （1+ kcosθ）2 （1）

式（1）中： q0 表示不均勻徑向壓力的最小點處的壓力;k ∈ （0，1）表示風機擺振程度，擺振幅值越大 k值越大;θ ∈[0，2π]。

4.風振效應在風機基礎上的載荷作用分析

王軍[10]等針對風電機組的受荷條件和振型分析，基于Davenport 脈動風速譜水平風荷載Pd作用，又考慮塔筒-基礎動力相互作用，分析基礎-土體結構的載荷分布如圖5所示。

式中：H為輪轂至基礎頂面的高度，D為塔筒直徑，G為上部結構自重，為上部結構的彈性參數。

基于王軍等的計算公式，結合風電場機組實際工況，通過仿真（圖6、圖7）可以看出，在出現基礎空洞、基礎混凝土在局部區域有嚴重的應力集中效應，這種效應會加劇混凝土基礎在運行中的惡化，形成惡性循環。

5.初步原因分析

5.1機組驅動、非驅動方向的震動

機組在運行過程中，因受風力的影響，出現驅動方向和非驅動方向的震動，機組振動幅度在機艙位置最大，塔筒會產生一定的撓度，但受到的力會通過塔筒最終傳導到基礎環，基礎環受到縱向傳導的驅動與非驅動方向振動，會導致基礎環與混凝土出現一定的間隙。

5.2機組偏航低頻振動

該風電場機組偏航過程中，會帶壓力（俗稱抱閘）偏航，抱閘偏航過程中，偏航摩擦片與偏航大齒圈之間會產生低頻高幅值振動波，振動波會通過塔筒縱向導向到基礎環，導致基礎環與混凝土之間逐漸出現裂隙，基礎平臺混凝土也因該低頻振動而逐漸損壞，國內曾出現過多起因偏航振動過大而導致基礎損壞的案例。

5.3雨水浸入

基礎環的擺動使底法蘭側面與混凝土產生相對“錯動”，破壞了止水層，當基礎環與平臺混凝土之間出現裂隙時，在下雨天會有雨水逐漸浸入，浸入基礎的雨水會逐漸堆積在其縫隙內，首先浸泡與之接觸部分的混凝土，使混凝土逐漸失效，在“呼吸”作用下，粗糙的混凝土被研磨成細小顆粒，在雨水中形成泥漿，在“呼吸”作用下被擠出裂縫;其次，浸入基礎內的雨水在一些狹小的空間內積聚后，因塔筒的擺動，而使其在狹小空間內受到極大的壓迫力，雨水通過傳導這種壓迫力，進一步腐蝕混凝土，從而形成惡性循環，逐步擴大基礎的損壞程度。

6.基礎開裂環氧樹脂灌漿處理

6.1基礎糾偏

基礎出現開裂之后，由于基礎內部出現空腔，因此可能出現基礎傾斜，在基礎進行灌漿處理前應進行基礎糾偏。基礎糾偏時，可在基礎內放置液壓千斤頂頂起基礎法蘭（如圖8所示），實現基礎糾偏，然后再鉆孔注漿。

6.2高聚物注漿

對于大型混凝土結構修復，業內有比較成熟的方案。一般選用對基礎混凝土內部空腔進行注漿處理。注漿步驟可分為孔位布置、鉆孔、埋管、灌前檢查、化學灌漿、表面恢復等幾個步驟。高聚物注漿技術的基本原理是按一定配比，向病害處治區內注射多組高聚物流體材料，材料迅速發生反應后，體積急劇膨脹并固化，達到快速填充固化、加固結構、防滲堵漏的目的。

一般情況下，材料采用“非水反應高聚物”，采用A、B雙組份按特定比例混合而成，48小時凝固抗壓強度不小于60Mp，2小時強度達到70%以上。

7.高聚物流動性探討

在風機基礎出現壓潰、開裂的情況下，一般需要緊急修復。高聚物注漿修復對時限要求、強度要求就較為迫切、嚴格，因此在修復時一般會在基礎上鉆孔注漿，孔徑一般為30㎜～40㎜，注射壓力一般為0.5Mp左右，靠流體自身的流動性和毛細血管作用是無法注滿空腔的。緊急修復時使用的高聚物基本指標如下（表1）：

通常緊急搶修時使用的高聚物有KD-506、KD-798、KD-508等多種環氧樹脂，因其初始粘度較大，流動性差，所以才需帶壓灌注;由于流動性差、粘度大、固化時間短，所以可操作時間也非常短，具體對比如下表（表2）。

8.高聚物在風機基礎混凝土年度維護方面的使用探討

風機基礎混凝土出現裂紋、止水層損壞后，如果不及時處理，缺陷持續擴展，基礎失去自持力，塔筒晃動擺幅增加，塔筒承受破壞性的載荷，可能發生異常傾斜甚至傾倒;基礎環和混凝土之間發生邊界腐蝕，腐蝕將嚴重損傷基礎環強度;基礎環和混凝土的分離部位埋深一般都貫穿到了基礎環下部T型法蘭處，進行修復的難度較大、費用較高、修復周期長，缺陷嚴重時，風機將無法運行，造成嚴重經濟損失。

為了避免風機基礎混凝土出現嚴重龜裂、止水損壞等情況，可利用高流動性高聚物進行年度維護。高流動性高聚物與緊急維修時的高聚物相比較，流動性要大很多，但凝固時間較長，一般可操作時間會長達770分鐘。因其灌注基本靠高聚物自身的流動性和毛細血管效應，因此其粘度非常低。根據某廠商送檢材料，國家建筑材料試驗中心試驗的結果，其初始粘度只有10 mPa·s，而在完全硬化后其抗壓強度也接近70MPa，符合風機基礎環混凝土強度要求。

從經濟方面對比，基礎混凝土緊急處理周期一般為8-10天，每臺處理費用從20萬元人民幣-80萬元人民幣不等;如果使用高流動性高聚物，固化時間為24小時左右，每臺維護成本約2000元-4000元不等，極大地節約了成本，因此運行時間3年以上的風電場可考慮將基礎混凝土維護納入年度維護范圍。

9.結論

（1）風機基礎混凝土在風機運行時，受到復雜的交變載荷作用，而因混凝土與基礎環因彈性模量不一致，使其結合處防水、止水層出現破損;防水、止水層破壞后，混凝土因水的沖刷，以及“呼吸”作用而流失，基礎內部形成空腔。

（2）一般性高聚物灌漿修復方案，能滿足基礎混凝土強度要求，但成本較高、修復周長較長。

（3）為防止基礎環出現嚴重的壓潰、空腔等情況，基礎混凝土以及防水、止水層因納入年度維護范圍內，可用比較經濟的高流動性高聚物進行年度維護。

參考文獻：

[1]《混凝土結構加固設計規范》（GB50367-2013）

[2]《陸上風電場工程風機組基礎設計規范》（NB/T 10311-2019）.

[3]汪宏偉.風機基礎環松動原因分析和注漿加固[J].中國安全生產科學技術，2016，12（ 3）： 104-107.

[4]劉梅梅，楊敏.風力機基礎環與混凝土間相互作用研究[J].太陽能學報，2017，38（ 7）： 1973-1978.

[5]吳慶良，呂愛鐘.一類非均布荷載作用下厚壁圓筒平面問題的應力解析解[J].工程力學，2011，28（ 6）： 6-18.

[6]侯彭翔.采礦設計手冊（ 3）井巷工程卷[M].北京：中國建筑工業出版社，1989.