陳華宇，荊海城

(國家電投東北新能源發(fā)展有限公司，遼寧 沈陽 110181)

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)重要的組成部分，是保證風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。作為支撐結(jié)構(gòu)的塔架及基礎(chǔ)要承受巨大的風(fēng)力作用，基礎(chǔ)環(huán)在水平方向較小的位移都將引起塔架頂端較大的水平偏心距。根據(jù)1.5 MW風(fēng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)，可以計(jì)算出塔架頂端的水平偏心距約為基礎(chǔ)環(huán)水平位移的17倍[1]，基礎(chǔ)環(huán)晃動嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。1.5 MW及以下小功率風(fēng)機(jī)采用環(huán)式基礎(chǔ)，隨著運(yùn)行年限延長，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)松動的問題更為嚴(yán)重，保證基礎(chǔ)環(huán)風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行，越來越受到重視。

1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)松動案例概述

某風(fēng)場1.5 MW的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用基礎(chǔ)環(huán)連接形式，基礎(chǔ)環(huán)埋深3.3 m?；A(chǔ)環(huán)下設(shè)3個槽型鋼支腿，正三角形布置，支腿下部焊接在混凝土墊層的預(yù)埋件上，支腿上部通過螺栓與基礎(chǔ)環(huán)連接。

風(fēng)場運(yùn)行10年后，66臺機(jī)組有5臺風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)松動，占比7.6%?；A(chǔ)環(huán)與混凝土之間形成縫隙，尤其主力風(fēng)向區(qū)塔架外壁與基礎(chǔ)結(jié)合處的縫隙最大為12 mm(見圖1)。

塔架內(nèi)壁與基礎(chǔ)連接處產(chǎn)生破碎帶(見圖2)，裂縫周圍有明顯的水洇痕跡。在風(fēng)機(jī)啟、停的瞬間，塔架明顯上下竄動并伴隨鋼筋與混凝土摩擦聲。

為進(jìn)一步查明風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)部失效情況，采用超聲波透射探傷，結(jié)果如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可以看出，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間已經(jīng)產(chǎn)生縫隙，混凝土被壓碎并形成空腔。風(fēng)機(jī)運(yùn)行使摩擦進(jìn)一步加劇，空腔和縫隙進(jìn)一步擴(kuò)大，嚴(yán)重危及風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)松動原因分析

2.1 存在問題

環(huán)式鋼混組合結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)是1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)類型，主要存在以下問題。

a.風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)雖有專門的設(shè)計(jì)規(guī)范，但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有明確要求，通常參考電力高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[2]?；A(chǔ)環(huán)埋深設(shè)計(jì)無確切依據(jù)，鋼環(huán)沒有深入基礎(chǔ)底板與基礎(chǔ)形成整體，只是埋置到基礎(chǔ)變階處。

b.基礎(chǔ)環(huán)開孔少，鋼筋穿插困難，基礎(chǔ)環(huán)筒壁不設(shè)栓釘，也不與基礎(chǔ)鋼筋直接焊接,基礎(chǔ)的非主要受力部位材料浪費(fèi)或者結(jié)構(gòu)的安全儲備不夠。如果在基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)表面分布式焊接栓釘，可增強(qiáng)基礎(chǔ)環(huán)在混凝土內(nèi)的嵌固作用,塔架擺動時可截住塔架下傳給基礎(chǔ)環(huán)的部分自重和彎矩荷載，減少基礎(chǔ)環(huán)下法蘭受力。

c.基礎(chǔ)環(huán)與混凝土的材料性質(zhì)差異較大，變形不協(xié)調(diào)，基礎(chǔ)環(huán)受力對基礎(chǔ)混凝土有切割作用?；A(chǔ)環(huán)與下法蘭連接處剛度突變，周圍局部混凝土形成較大的應(yīng)力集中區(qū)[3],應(yīng)力主要集中在基礎(chǔ)環(huán)頂部及基礎(chǔ)環(huán)下法蘭端面[4]，這是基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。

隨著風(fēng)電大型化發(fā)展，風(fēng)機(jī)機(jī)組的荷載增大(見表1)，基礎(chǔ)環(huán)連接方式的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)隨著荷載增大出現(xiàn)失效的時間逐漸縮短，一般2 MW以上機(jī)組3～5年，1.5 MW機(jī)組時間更長一些。

表1 風(fēng)電基礎(chǔ)的荷載

2.2 基礎(chǔ)環(huán)錨固機(jī)理

a.基礎(chǔ)環(huán)與混凝土粘結(jié)錨固

基礎(chǔ)環(huán)與混凝土依靠粘結(jié)錨固作用共同受力，將塔架自重和傾覆力矩等荷載傳遞到混凝土基礎(chǔ)。兩者之間主要由初始化學(xué)粘結(jié)力、相對滑動的摩擦阻力、破壞后的機(jī)械咬合力、端板剪切連接件剪力4部分組成[5]。

b.基礎(chǔ)環(huán)下法蘭與混凝土抗剪錨固

基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間的粘結(jié)作用主要由接觸面上的水泥凝膠體產(chǎn)生的化學(xué)粘著力或吸附力、周圍混凝土與基礎(chǔ)環(huán)接觸面上的摩擦阻力、基礎(chǔ)環(huán)表面粗糙不平與混凝土的機(jī)械咬合力等組成[6]。混凝土與基礎(chǔ)環(huán)之間的粘結(jié)力是一種剪力，不能完全提供風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的抵抗力。當(dāng)基礎(chǔ)環(huán)與混凝土交界面的化學(xué)粘結(jié)力被剪斷時，兩者之間產(chǎn)生較明顯的相對滑移，基礎(chǔ)環(huán)下法蘭抵抗混凝土與鋼環(huán)之間的縱向剪力，約束兩者在沿基礎(chǔ)環(huán)錨固方向的相對滑移，防止基礎(chǔ)環(huán)掀起破壞，發(fā)揮抗剪錨固的作用。

c.基礎(chǔ)環(huán)穿孔鋼筋傳力錨固

基礎(chǔ)環(huán)穿孔鋼筋是風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)抵抗彎矩荷載的重要組件，將傳至其上的彎矩及剪力分散至鋼筋混凝土基礎(chǔ)上，在整個連接體系中起著重要的傳力作用。

2.3 基礎(chǔ)環(huán)受力特征分析

湖南科技大學(xué)李艷慧利用簡化模型試驗(yàn)對基礎(chǔ)環(huán)與混凝土界面上的粘結(jié)應(yīng)力傳遞及分布規(guī)律進(jìn)行分析。試驗(yàn)表明隨著拉拔力增大，基礎(chǔ)環(huán)應(yīng)變值增大，同一級拉拔力下，隨著遠(yuǎn)離加載端，應(yīng)變值逐漸變小(見表2)。沿埋置深度應(yīng)變呈負(fù)指數(shù)形式分布，應(yīng)力傳遞逐漸減弱。

表2 實(shí)測鋼板應(yīng)變值

隨著拉拔力增大，粘結(jié)應(yīng)力傳遞呈指數(shù)曲線分布[7](見圖5)。

2.4 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)松動過程分析

影響基礎(chǔ)環(huán)松動的因素有很多，下面僅從基礎(chǔ)環(huán)受力傳遞機(jī)理方面進(jìn)行松動過程分析。

a.風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)所受荷載主要由風(fēng)機(jī)和塔架自重作用下的豎向力，風(fēng)荷載作用在葉輪上的氣動推力產(chǎn)生傾覆力矩及塔架表面受到的分布風(fēng)荷載組成?；A(chǔ)環(huán)與混凝土之間依靠化學(xué)粘結(jié)力抵抗風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)所受的外荷載，在未達(dá)到屈服極限前，兩者未發(fā)生滑移，但由于風(fēng)機(jī)運(yùn)行時塔架產(chǎn)生高頻振動及擺動，基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間會產(chǎn)生微小縫隙。

b.隨著外荷載增大，基礎(chǔ)環(huán)受力變形，與混凝土在循環(huán)荷載的作用下，交界面上化學(xué)粘結(jié)力被剪斷，混凝土對基礎(chǔ)環(huán)的握裹力不足，在加載端附近發(fā)生相對滑移，基礎(chǔ)環(huán)與混凝土形成內(nèi)裂縫。當(dāng)混凝土喪失粘結(jié)力時，其承載能力下降約為原來的81%；當(dāng)間隙寬度達(dá)到2.0 mm時,承載能力下降為原來的75%[8]。

c.產(chǎn)生相對滑移后，周圍混凝土對基礎(chǔ)環(huán)的摩擦阻力發(fā)揮作用，粘結(jié)力沿基礎(chǔ)環(huán)埋置深度向下延伸。隨著滑移向下擴(kuò)展，化學(xué)粘結(jié)力破壞后，基礎(chǔ)環(huán)表面和混凝土之間發(fā)生機(jī)械咬合，但無法阻擋滑移向基礎(chǔ)環(huán)下法蘭端發(fā)展的趨勢。

d.隨著時間推移，加載端交界面上裂縫變大，當(dāng)雨水進(jìn)入基礎(chǔ)環(huán)間隙內(nèi)，基礎(chǔ)環(huán)變形自振與水、混凝土摩擦產(chǎn)生的粉末形成濕磨效應(yīng)，進(jìn)一步加劇混凝土與基礎(chǔ)環(huán)磨損，加速了粘結(jié)破壞發(fā)展。

e.隨著塔架傾斜，基礎(chǔ)環(huán)下法蘭迎風(fēng)側(cè)上部和背風(fēng)側(cè)下部出現(xiàn)應(yīng)力集中。在剪力作用下，下法蘭迎風(fēng)側(cè)上部混凝土受壓，下部混凝土受拉，產(chǎn)生的拉彎應(yīng)力超過混凝土抗壓強(qiáng)度后，與下法蘭接觸的混凝土被壓碎，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形成縫隙或空腔?；A(chǔ)承載能力急劇下降，基礎(chǔ)環(huán)與混凝土組合結(jié)構(gòu)被破壞。

3 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)松動處理方法

目前主要采取灌漿、加預(yù)應(yīng)力和加環(huán)向箍的方法對基礎(chǔ)環(huán)進(jìn)行加固。首先是糾偏，使基礎(chǔ)環(huán)達(dá)到符合水平度要求的位置；然后在糾偏的基礎(chǔ)上進(jìn)行加固。加預(yù)應(yīng)力和加環(huán)向箍的方法應(yīng)用較少，本文采用灌漿加固法，雖然灌漿料的種類不同，但都具有抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度高、自流態(tài)、滲透力強(qiáng)、耐疲勞性能好等特點(diǎn)[9]。

3.1 基礎(chǔ)圓臺混凝土裂縫處理方法

剔除風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)圓臺存在缺陷的混凝土，將裂縫清理干凈并充分暴露；在基礎(chǔ)上表面裂縫開口通暢處騎裂縫埋設(shè)注漿嘴，裂縫其余部位用灌封膠泥封堵嚴(yán)密；采用壓力泵將灌封膠灌入裂縫內(nèi)，直至灌注飽滿；灌封膠充分固化后，鑿掉注漿嘴。

3.2 基礎(chǔ)環(huán)與混凝土之間縫隙處理方法

a.對裂縫表面進(jìn)行處理，將基礎(chǔ)環(huán)外壁與混凝土縫隙之間清理干凈。

b.在基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)、外側(cè)鉆孔，灌漿孔位設(shè)置在主力風(fēng)向(主力風(fēng)向上出現(xiàn)失調(diào)的可能性大)，灌漿孔的深度要深入到基礎(chǔ)環(huán)下法蘭的底部，灌漿料才能把關(guān)鍵破碎部位填實(shí)(見圖6)。

c.將基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)、外側(cè)與混凝土交界面處裂縫使用灌封膠進(jìn)行封堵，采用低壓注氣檢查孔縫均無漏氣，達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。

d.采用壓力罐注法將灌漿料自下而上灌入風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)，直至裂縫和破碎處灌注飽滿。

e.縫隙全部注滿后繼續(xù)保壓固化，穩(wěn)定壓力一段時間，膠液完全固化后，敲去注膠嘴。

3.3 基礎(chǔ)混凝土碎裂帶處理方法

基礎(chǔ)環(huán)在風(fēng)機(jī)主力風(fēng)向區(qū)域的迎風(fēng)面和背風(fēng)面產(chǎn)生松動后，受交變荷載影響，基礎(chǔ)混凝土應(yīng)力集中，形成碎裂帶。將碎裂帶混凝土剔除，其深度、寬度和長度根據(jù)碎裂帶具體情況確定；在原基礎(chǔ)上鉆孔并植入鋼筋，按要求綁扎箍筋；灌漿前，在混凝土表面刷一層混凝土界面處理劑；將混凝土灌漿料調(diào)配并攪拌均勻后倒入基礎(chǔ)內(nèi)；灌漿料固化后，進(jìn)行澆水養(yǎng)護(hù)。

3.4 基礎(chǔ)環(huán)密封防水處理方法

基礎(chǔ)環(huán)與混凝土交界面轉(zhuǎn)角處打磨成圓弧狀；基礎(chǔ)混凝土頂面和塔架外壁高300 mm內(nèi)清理干凈；將丙烯酸酯防水涂料均勻涂抹于混凝土和塔架外壁表面，沿塔架外壁向下粘貼縫織聚酯布，延伸至基礎(chǔ)承臺外邊下翻30 mm；防水涂料膠固化后，涂刷基面表層。

4 超聲波透射檢測驗(yàn)證

灌漿料固化后，對加固的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用超聲波透射檢測，反射波形連續(xù)完整，沒有波形畸變(見圖7)。超聲波透射檢測證明采用灌漿加固法對基礎(chǔ)環(huán)松動的處理方法可行且實(shí)用，達(dá)到了預(yù)期的修復(fù)效果。

5 結(jié)束語

針對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)存在的問題，根據(jù)基礎(chǔ)環(huán)錨固機(jī)理和受力特性，分析了基礎(chǔ)環(huán)發(fā)生松動原因和變化過程，為加強(qiáng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)維護(hù)和保養(yǎng)提供參考[10]。采用灌注建筑結(jié)構(gòu)膠的方法解決風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)環(huán)松動的問題，不僅能有效填充基礎(chǔ)環(huán)與混凝土的間隙，還能增強(qiáng)基礎(chǔ)環(huán)與混凝土的整體剛性和強(qiáng)度，保證風(fēng)機(jī)在可變荷載下安全運(yùn)行，具有廣泛的實(shí)用價值。