風電機組筏板基礎混凝土溫度場仿真分析與溫控監測

彭 冀 陳一新

（1.水電水利規劃設計總院有限公司，北京 100120；2.杭州市富陽區河道水庫管理中心，浙江 杭州 311400）

0 引言

目前，我國的一些風力發電場大多建設在位置偏遠、海拔較高、風能充足的山區，這樣的建設條件雖然能夠提高風力發電的效率，但是由于這些偏遠地區的晝夜溫差較大，且風速大多時間在6m/s以上，對風電機組的建設也提出了較高的要求[1]。目前我國風電機組逐漸開始采用筏板式建筑方式，由梁、板、中墩組成的筏板式結構，使得筏板受力簡單直接、均衡可靠，并且采用填土替換部分的混凝土，在一定程度上減少了混凝土的用量，減少了混凝土水化熱產生開裂的現象，安全性更高。風電機組筏板基礎混凝土的施工方式為一次性懸模整體澆筑，屬于大體積混凝土，具備大體積混凝土溫度應力明顯的特征[2]。本文對筏板基礎混凝土進行溫度場仿真分析與溫控監測，研究筏板式大體積混凝土在不同溫度下受到的應力變化，從而提出解決方案，減少混凝土開裂，以保證風電機組建設施工安全。

1 研究對象概況

本文選取我國中部某風電場風電機組為研究對象，該風電場周邊環境以山地地形為主，海拔800～1200m，整體地勢高差起伏較大，風能充足，晝夜溫差最大可達20℃，皆采用梁板結構筏板式風電基礎。該梁板結構筏板式風電基礎高3.7m，直徑19.8m，混凝土方量為394m3/基，鋼筋使用量為49.5t/基，屬于大體積混凝土[3]。雖然該風電機組筏板基礎建設與舊有的模式相比，減少了一定量的混凝土與鋼筋使用量，但是建設工程較為復雜，混凝土的施工難度增加。該筏板式風電基礎結構平面圖如圖1所示。

圖1 梁板結構筏板基礎結構平面圖

2 風電機組筏板基礎混凝土溫度場仿真分析

該風電場筏板基礎采取特殊的工藝保溫措施，與傳統的在混凝土中加入冷卻管不同。本文將隨機選取一組筏板式風電基礎進行溫度場仿真分析以及對工程現場進行溫控監測，在筏板基礎厚度3.7m、1.8m 以及0.6m三個位置之間，在混凝土內部與混凝土、筏板之間豎向設置兩組溫度測量點。

2.1 溫度場仿真測試

本文使用MIDAS/CIVIL 軟件對研究對象進行基礎溫度場的數值模擬，研究筏板基礎混凝土對溫度應力的變化。在建立溫度場仿真模型的過程中，以施工完成后的筏板實際尺寸與混凝土實際澆筑量為標準，因此模型高度為3.7m，由于筏板基礎分層建造，對其進行更加細小的單元劃分，通過56787 個單元以及40988 個節點的多點位方式更加準確地分析溫度變化。

在進行溫度場仿真開始前，混凝土模塊單元初始溫度以施工中的澆筑溫度為設定標準，土壤模塊單元由于無法確定施工初始溫度，則以研究現場所測量的溫度為初始溫度。風電機組筏板的單位體積含水泥量為297kg/m3（包括其中加入的煤灰粉折算）。以此模型混凝土單元初始溫度為22℃開始進行溫度場仿真。

2.2 溫度場計算理論

風電機組筏板基礎混凝土在澆筑過程中以及在投入使用過程中，會發生水熱化反應，受到外界溫度的影響以及工作強度的差異，混凝土自身會在不同條件下散發不同程度的熱量，如果散發熱量過大，有可能導致混凝土的開裂。通過對其熱傳導進行計算，可以獲得混凝土的溫度函數，這對于進一步研究風電機組筏板混凝土溫度場仿真以及溫度檢測的深入探究具有重要意義[5]。具體方程如下：

式中：T——溫度；

t——時間；

x、y、z——分別表示三維坐標中的向量，由于空間與時間對混凝土溫度的影響條件較多，因此要想得到該方程的解，就需要對其中的條件進行界定，即（x、y、z，0）=T0（x、y、z）。

2.3 溫度場仿真分析

由模擬軟件進行風電機組基礎混凝土3 處測溫處共9d 的溫度統計，選取每日的最高溫度與混凝土結構表面平均溫度為表格數據。測溫位置如圖2所示。

圖2 墊層混凝土

混凝土不同位置溫控測點溫度場模擬見圖3 所示。根據圖 3 分析可以看出，3.7m、1.8m 以及 0.6m 厚度處的最高溫度在6.13d、6.34d、6.25d 出現，最高溫度均在75℃左右，此前溫度呈高速上漲趨勢發展，當溫度到達峰值時，開始出現緩慢下降趨勢。而其表面溫度發展趨勢大致與最高溫度相同，但表面溫度值明顯低于同期最高溫度，且由表中數據計算可得出，風電機組筏板基礎混凝土的表面溫度與最高溫度之差較低，保持在25℃以內，因此可以看出這種構造的混凝土結構較為穩固，在風電機組運行的過程中具備一定的安全性[6]。

圖3 不同位置的溫度場模擬

3 風電機組筏板基礎混凝土溫控監測

風電機組筏板基礎的混凝土在澆筑成功后，需通過對混凝土中心、表面的溫度以及與大氣之間的溫度差值進行監測，才能更加有效地進行混凝土基礎養護，防治大體積混凝土水化熱反應出現的開裂等現象，增強安全性，增加使用壽命。實時溫控監測可以在筏板基礎的臺柱、中部以及底板中部等結構部位安裝測溫孔，安裝測溫傳感裝置。監測的頻次應隨著混凝土狀態而改變，例如在混凝土的蓄熱養護期間，至少1h測量1次，在5d以后可以減少至每4h測量1次[7]。根據現場測量數據，隨機抽樣一臺風電機組溫度數據如圖4所示。由圖4可知，在風電機組混凝土溫度測量中，任何時段臺柱混凝土溫度都保持最高，并且在3d 左右達到最高峰值，此時臺柱混凝土溫度為68℃左右，而中部混凝土以及底板中部混凝土等部分的溫度明顯保持較低狀態，與大氣的溫差最高在20℃以內。由此可以看出，風電機組筏板基礎混凝土的溫度有所降低，與大氣之間的溫差也略有減小，從而也能夠在一定程度上減少混凝土內部發生水熱化反應的幾率，從而更具有安全性。

圖4 風電機組混凝土溫度統計圖

4 防治筏板基礎混凝土溫度裂縫的措施

4.1 選擇良好的作業氣象環境

由于有一些筏板基礎工程未能規劃制定好施工方案，在實際混凝土澆筑時，可能在高溫或高寒條件下作業，導致作業氣象環境較為惡劣，容易出現較大的溫差。因此，應盡量選擇溫差較小的季節進行混凝土澆筑，如必須在冬季施工則需要對混凝土的出機溫度進行測量，保持在30℃左右，入模溫度控制在10℃左右，盡量減小混凝土與大氣之間的溫度差[8]，降低水化熱的產生。

4.2 采用科學的混凝土澆筑方式

由上文風電機組筏板基礎混凝土的溫度場仿真分析可知，采用分層澆筑的混凝土在保溫以及高度均勻等方面具有一定優勢，在進行大體積混凝土澆筑時，可以采用科學的分層澆筑，減緩混凝土塊體的溫度升高趨勢，注意保持混凝土的連續供應，間隔時間合理，否則容易在澆筑過程中形成冷縫[9]。并且注意清除混凝土表面浸水，減小混凝土蜂窩狀況的發生。

4.3 采取有效的溫控保養措施

大體積混凝土合理的后期保養維護能夠預防開裂現象的出現。可以在混凝土結構的上、中、下等部分安裝測溫孔，設置自動溫度監測裝置，在混凝土澆筑初期適當增加溫度檢測頻率，在夜晚混凝土內外溫差有所增加時，也需增加溫度監測頻率，并且設置溫差報警裝置，混凝土內部溫度與大氣溫差高于30℃時，啟動自動報警，引起維護人員的注意，以此來提高大體積混凝土的養護效率[10-11]。

5 結束語

風電機組筏板式混凝土基礎，具備大體積混凝土溫度應力的特征，其施工難度較大。通過對混凝土澆筑量的控制以及分層澆筑等工藝的改進，可有效提高筏板式基礎的安全性與結構的穩定性。本文通過混凝土不同位置進行溫度場仿真分析以及溫控監測，更加有效地進行混凝土基礎的澆筑及養護，防治大體積混凝土水化熱反應出現的開裂等現象，增強安全性，增加使用壽命。本文獲得的經驗和成果可作為相似筏板式風電機組基礎建設參考。