山地大體積風機混凝土基座施工裂縫控制研究

劉剛偉

（中國安能集團第一工程局有限公司，廣西 南寧 530028）

0 引言

風電工程適宜建設在地處西部多高山、多季風的廣大地區。風電工程的施工難度并不大，其巨大的風機基礎的施工及后期葉片吊裝是全部工程的核心。風機基座作為最主要的受力構件，始終存在一定的安全隱患和質量問題[1]。如何在進行風機基座混凝土澆筑的過程中減少施工裂縫的問題，是施工技術中重點需要攻克的難題。該文將從風機基座混凝土施工裂縫的控制入手，制定有效的抗裂措施。

1 混凝土應力狀態分析

為防止出現溫度裂縫，在過去傳統的大混凝土施工過程中，通常采用循環水管冷卻措施，以此來減少內外溫差，并將內外溫差控制在25 ℃內，保證大體積混凝土不出現溫度裂縫，提高施工質量[2]。對大型圓臺式重力風機基礎并沒有進行通冷卻水管的施工條件。當混凝土開始澆筑并且逐漸澆筑至所有圓臺基礎時，混凝土會不斷發生放熱反應，其放熱會使結構內部持續釋放拉應力，并最終使風電圓臺基礎的表面被拉裂。因此，對混凝土本身在連續澆筑的過程中的應力狀態需要特別進行分析，才能真正解決山地大體積風機混凝土基座的穩定不開裂問題[3]。

2 溫度收縮機制

2.1 溫差分析

溫差是引起應力變化的因素之一，而應力是導致混凝土開裂的原因。引起應力的因素包括水泥水化收縮、溫度梯度效應以及內外約束等，該文在研究混凝土應力問題時，首先要考慮溫差帶來的變化，以圖1 所示的混凝土模量時間曲線力學模型為準，進行混凝土的溫度溫差分析。

圖1 混凝土力學模型曲線

通過有限元徑向截面選取單元如圖2 所示，得到溫差變化如圖3 所示。該曲線揭示了在4 種溫度狀態下的混凝土單元的溫度變化情況，分別為T1 上表層混凝土溫度；T3為混凝土基座上表層以下0.3m 范圍的混凝土溫度分布；T4為混凝土基座表層以下0.7 m～1 m 的混凝土單元平均溫度分布；T5 為混凝土基座最底層溫度分布。

圖2 山地大體積風機混凝土基座1/4 有限元模型

圖3的曲線分布結果顯示：大體積混凝土基座的溫差較大并且呈現一定規律，反復振蕩。并且發現，隨著風機基座混凝土的深度由表層向內部逐漸延伸，出現的溫度偏差越大，而這種偏差主要是在大體積混凝土澆筑中，由于混凝土表層直接與大氣接觸，可以及時地進行放熱，大氣的溫度瞬間能夠平衡掉混凝土由于迅速硬化而釋放的大量熱源，從而不會出現開裂。

圖4的溫度變化曲線為現場實測基座混凝土澆筑后的混凝土溫度變化曲線，選取從2022 年11—12 月初進行跟蹤觀測所得的結果。圖中-1、-2、-3 三條曲線分別表示混凝土表層、中部以及墊層以上的位置。從實測數據曲線可知：在大體積風機基座澆筑的首倉料中，混凝土溫度基本無顯著變化，在表層、中部、墊層以上3 個部位溫度趨勢整體趨于一致；而從澆筑后的第三天開始，混凝土內部溫度呈現迅速上升的趨勢，并在5 d 內達到溫度的峰值，3 個不同位置的溫度均出現同樣的特征。受不良導熱性的影響，處于墊層以上部位的混凝土最先出現拐點，呈現緩慢向下降溫的趨勢。而處于中間的混凝土部位由于內部放熱積蓄的溫度應力無法及時得到釋放，積壓的溫度最多，因此表現為其溫度峰值最大并且在測試記錄的后期降溫過程也最緩慢。通過實際觀測結果，與通過有限元力學模型仿真分析結果進行對比可以看出，整體結論較為一致。驗證了大體積風機基座混凝土在澆筑以后出現的溫差的確廣泛存在并且其分布規律具有顯著特征，需要做好中間層次的熱量釋放，溫度峰值主要由該層次的熱量釋放所堆積，因此在施工過程中重點控制中間層次的溫度裂縫。

圖4 現場基座澆筑實測溫度變化曲線

3 現場實例分析

3.1 工程實例

傳統大體積溫控措施主要包括混凝土攪拌溫度控制、混凝土入模溫度控制和混凝土內外溫差控制等[4]。由于在山地地區，風力大，更容易造成混凝土結構內外溫差急劇增大的情況，在這種工況下作業，特別是對大型風電機組安裝來說，基座的牢固及其穩定性直接影響后期風力發電的葉片旋轉的正常進行并且影響整個風電結構的使用壽命和維護成本。該文選取廣西龍源陳平（75.55 MW）風電項目實際澆筑溫控措施，來說明前述規律在實際情況中的應用，對實際基座裂縫控制的實際作用。

該風機基礎采用機械開挖，鋼筋混凝土澆筑，混凝土強度為C40，單個基座混凝土方量為725 m3，半徑10.5 m，風機基礎頂高4.7 m，施工現場須避免由于溫度變化及大體積混凝土收縮造成的混凝土內部出現裂縫，影響風機基礎的質量[5]。從混凝土的應力狀態出發采取實際工況的澆筑溫控措施，使整體內外溫度基本一致，或最大限度地迅速耗散到大氣空間。

3.2 監測控制分析

現場實際施工時應根據基座混凝土的情況布設溫感器，實際布設圖如圖5 所示。由于基座半徑較大，整體混凝土澆筑方量也相對較大，因此整體布設溫感器26 個，布設位置及其編號如圖5 所示。一共安裝2 種溫感器類型，一種測量溫度變化、一種進行應變監測。通過2 種不同類型的溫感器可以全面地對施工裂縫進行控制和數據監測，所設置的溫感器可以準確讀出不同部位溫度數值；并隨著現場實際澆筑情況的變化而隨時顯示不同的數據值。從基座混凝土首倉澆筑時間開始進行監控，仍然選取2022 年11 月—12 月初的澆筑時間進行跟蹤記錄。

圖5 風機基座混凝土表層溫感器布置及編號平面示意圖

為了便于分析，考慮3 個方向的溫控及裂縫控制數據采集，并拉出相應曲線。選取溫感器編號1-8 所在區域、19-22 所在區域、15-18 所在區域進行圖行曲線匯總，如圖6 所示。

圖6 溫感器應變數據采集匯編曲線

從基座混凝土澆筑一個月的實際應變值情況分析，3個方向的應變值差異較大。1-8 所在區域的應變值相對最大，而15-18 區域、19-22 區域則相對較小；同時3 條方向的整體應變趨勢基本一致。在監測開始的極短的時間范圍內，混凝土應變值呈負數變化，在力學響應上表征為壓應力，即發生緊致收縮變形；而在中后程開始向上反彈，主要表征為出現拉應力，混凝土結構開始出現裂縫，并逐漸發展。在監測的最后階段達到平衡。其中，19-22 區域的分布波動值較小，在監測5 d 時間可以看出，整體應變值很小，基本沒有變形。說明基座澆筑沿該條線上整體區域穩定并且不會出現裂縫等不良質量問題；與澆筑的15-18區域相比，容易產生裂縫，其應變值在5×10-5波動，該應變條件下，會出現少量極小的細裂紋，但是整體仍然不會有較大結構影響；在應變值最大的1-8 區域，是整個基座的薄弱環節，當上部塔筒及風機葉片安裝就位后，對基座的偏心受壓，產生的組合壓彎變形會極大地影響基座穩定性并且通過拉應力不斷傳導，會導致表層混凝土的裂縫向深層發展，最終影響結構安全。根據監測結果顯示，最大應變值達到15×10-5左右。該數值足以產生能夠貫穿結構的危害性較大的裂縫。

3.3 裂縫控制措施

由圖5、圖6 可知，在基座的上下平分區域線條上最易出現應變值較大的混凝土，而在其余斜向方向整體均較小，不會構成安全隱患，穩定性在可控范圍。對基座混凝土防裂應做好及時覆蓋保溫工作[6]。由于施工地點地處廣西山地發育地區，風力較大，在澆筑混凝土尤其是大體積混凝土后非常容易受到風力影響，水分蒸發加速，從而導致混凝土失水干縮。因此，主要控制措施就是對上述分析的區域（1-8、15-18 區域）需要加大保水薄膜覆蓋。

此外，混凝土配合比還需根據現場施工效果不斷地進行調整[7]。混凝土的變形特性需要對其應力狀態有較清晰認識，適當在配合比中增加混凝土抗拉應力增強的摻合料。在一定的時間范圍內，混凝土整體的性能可以表現得更為優越。配合比具體數值需要根據實際現場施工、監測的應變以及溫度變化情況來調整。反復高效地進行振搗能夠減少85%以上的溫度所引發的裂縫問題。

最后，通過適當分層澆筑，能夠有效控制混凝土溫度裂縫的產生。陳平風電項目在進行基座混凝土施工過程上對每個風機基座的幾何尺寸、澆筑順序、板塊劃分等方式上均進行過整理規劃。通過這種方式可以直接減少由于澆筑放熱而導致混凝土開裂的情況。

4 結論

作為大型風電結構的隱蔽工程，控制基座混凝土施工質量非常重要，要能夠全面地進行混凝土的防裂施工，必須通過裂縫處理。通過該文的論述，得到如下3 個結論：1）首先，要對風電基座混凝土進行全面的參數分析以及有限元數值仿真分析。通過數值模擬的計算結果，對比有關曲線結果。混凝土基座施工是大體積澆筑施工。2）從溫度控制、應力狀態分析入手，對大體積風電基座混凝土施工可能存在的問題及原理進行研究，可知混凝土厚度的變化呈現不同的特征，在表層和較深層的混凝土材料中其出現的裂縫不同，施工中要注意搜集監測數據，并及時修正。3）對陳平風電的基座布設溫感器進行溫度與變形實時監測。通過應變來直觀地反映大體積混凝土在澆筑后的變形情況；并制定有實際效果的裂縫控制措施。