劉 川

(上海電氣電站工程公司，上海 201100)

0 引言

全球能源供應(yīng)呈現(xiàn)出清潔化、低碳化的趨勢(shì)。在此背景下，太陽(yáng)能熱發(fā)電因具有調(diào)峰、儲(chǔ)熱、可日夜連續(xù)發(fā)電等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)的發(fā)展勢(shì)頭迅猛。隨著太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)逐步成熟，近幾年全球范圍內(nèi)已經(jīng)掀起了新一輪的太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目投資和建設(shè)熱潮，太陽(yáng)能熱發(fā)電的總裝機(jī)規(guī)模持續(xù)上升。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，2050年全球太陽(yáng)能熱發(fā)電的裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到983 GW，太陽(yáng)能熱發(fā)電行業(yè)呈現(xiàn)出一派蓬勃發(fā)展的繁榮景象[1]。

作為太陽(yáng)能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)，熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)是研究機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)單位和施工企業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，但在為數(shù)不多已商業(yè)化運(yùn)行的太陽(yáng)能熱發(fā)電站中，暴露了一些熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)方面的技術(shù)和施工問(wèn)題，其中，熔鹽罐泄露問(wèn)題一直備受學(xué)者和業(yè)內(nèi)從業(yè)者的關(guān)注。繼美國(guó)新月沙丘塔式熔鹽太陽(yáng)能熱發(fā)電站的熔鹽罐發(fā)生泄露事故后[2]，位于西班牙的全球首座可實(shí)現(xiàn)24 h發(fā)電的Gemosolar太陽(yáng)能熱發(fā)電站也發(fā)生了熔鹽罐泄露事故，其中，熔鹽罐基礎(chǔ)的沉降作為潛在原因被列入事故原因分析中。因此，為了降低在熱發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中由于基礎(chǔ)施工的質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致熔鹽罐泄露的風(fēng)險(xiǎn)，熔鹽罐基礎(chǔ)施工過(guò)程中的質(zhì)量控制就顯得尤為關(guān)鍵，而其中最重要的就是熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒的施工質(zhì)量控制。

除了在設(shè)計(jì)階段對(duì)陶粒材料本身的要求(導(dǎo)熱系數(shù)、孔隙率、容重、吸水率)外，熔鹽罐基礎(chǔ)施工時(shí)對(duì)陶粒的施工過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制也至關(guān)重要。在熔鹽罐基礎(chǔ)施工中，陶粒壓實(shí)質(zhì)量的檢測(cè)可以通過(guò)物理指標(biāo)，如壓實(shí)系數(shù)、每層壓實(shí)變形量、密度檢測(cè)等進(jìn)行控制。本文以中東某太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目中熔鹽罐基礎(chǔ)的陶粒施工質(zhì)量控制為研究對(duì)象，通過(guò)建立動(dòng)態(tài)變形模量Evd與陶粒材料的彈性模量Ec之間的關(guān)系，引入Evd對(duì)陶粒分層施工時(shí)的每層施工過(guò)程進(jìn)行量化控制，并將Evd與靜態(tài)變形模量Ev1(或Ev2)和Ev2/Ev1相結(jié)合，提出了采用3個(gè)力學(xué)指標(biāo)控制的“三指標(biāo)控制法”。

1 熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒施工時(shí)的常見(jiàn)問(wèn)題

以中東某太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目中的熔鹽罐基礎(chǔ)為例，對(duì)熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒施工時(shí)的常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行分析。該熔鹽罐罐體直徑約為45 m，基礎(chǔ)深度約為2 m，通過(guò)在基礎(chǔ)底部布置通風(fēng)管來(lái)帶走多余熱量，從而可保持太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中熔鹽罐基礎(chǔ)的溫度。熔鹽罐基礎(chǔ)四周是由環(huán)形鋼板組成的鋼環(huán)墻，鋼環(huán)墻內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有保溫磚；基礎(chǔ)中心逐層鋪滿設(shè)計(jì)高度的陶粒，陶粒上部鋪以級(jí)配碎石和砂層。熔鹽罐基礎(chǔ)的施工示意圖如圖1所示。

圖1 熔鹽罐基礎(chǔ)的施工示意圖Fig. 1 Schematic diagram of construction of molten salt tank foundation

熔鹽罐基礎(chǔ)施工的核心在于陶粒的施工質(zhì)量控制，即在陶粒分層施工過(guò)程中進(jìn)行質(zhì)量控制，并確保施工后的基礎(chǔ)荷載可以滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)不同太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目的熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒施工時(shí)的控制方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要統(tǒng)計(jì)，具體如表1所示。

表1 不同太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目的熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒施工時(shí)的控制方法對(duì)比Table 1 Comparison of control methods during construction of expanded clay in molten salt tank foundation of different CSP projects

結(jié)合表1和這些項(xiàng)目的實(shí)際情況可以發(fā)現(xiàn)，不同太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目的熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒施工時(shí)的控制方法主要存在以下問(wèn)題：

1)分層碾壓不充分或不按設(shè)計(jì)進(jìn)行分層碾壓；

2)逐層靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)實(shí)施困難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；

3)對(duì)分層碾壓缺乏控制指標(biāo)的量化；

4)只注重單一力學(xué)指標(biāo)。

這些問(wèn)題往往會(huì)造成基礎(chǔ)頂層靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)難以滿足設(shè)計(jì)要求，最后被迫采取額外的措施進(jìn)行彌補(bǔ)，這會(huì)為基礎(chǔ)上部熔鹽罐本體的運(yùn)行留下安全隱患。因此，本文引入動(dòng)態(tài)變形模量Evd，建立Evd與陶粒材料彈性模量Ec之間的關(guān)系，并與靜態(tài)變形模量Ev1(或Ev2，二者任選其一)和Ev2/Ev1相結(jié)合，建立“三指標(biāo)控制法”，對(duì)陶粒分層施工時(shí)的每層施工過(guò)程進(jìn)行量化控制。

2 陶粒分層施工中的難點(diǎn)

在太陽(yáng)能熱發(fā)電站中，針對(duì)熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒的施工技術(shù)目前因經(jīng)驗(yàn)不足，尚處于不斷完善的階段。在第1代熔鹽罐基礎(chǔ)的陶粒設(shè)計(jì)中，對(duì)陶粒的施工要求是分層碾壓并逐層進(jìn)行靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)，其最終目的是為了滿足基礎(chǔ)頂層荷載的設(shè)計(jì)要求。

以每層碾壓充分需要3天和靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)每層需要3天(以每層取8個(gè)點(diǎn)為計(jì))進(jìn)行考慮，如此體量(通常為8層)的陶粒碾壓和靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)耗時(shí)費(fèi)力，造成基礎(chǔ)施工周期長(zhǎng)，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度要求。于是一些熔鹽罐基礎(chǔ)施工時(shí)出現(xiàn)了分層碾壓不充分、只集中于頂層碾壓并輔以額外措施以滿足荷載要求的情況。

鑒于此，為了控制每層陶粒碾壓充分的施工質(zhì)量，除了對(duì)每層壓縮變形量進(jìn)行控制外，通過(guò)引入動(dòng)態(tài)變形模量實(shí)現(xiàn)快捷測(cè)量，從而克服陶粒施工過(guò)程中分層碾壓后進(jìn)行靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)耗時(shí)且不便捷的弊端。國(guó)外學(xué)者做了大量關(guān)于Evd和Ev2之間相對(duì)關(guān)系的研究[3]，發(fā)現(xiàn)在Ev1、Ev2和Evd之間沒(méi)有一個(gè)固定不變或統(tǒng)一的關(guān)系。對(duì)于具體的施工地基，需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)獲得相對(duì)準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。與此同時(shí)，動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)(dynamic plate load test，DPLT)可以為承載力的質(zhì)量控制和評(píng)估提供新的機(jī)會(huì)，但需要輔以更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析以提高其可行性[4]。

根據(jù)Boussinesq建立的適用于剛性圓板的分析方法[5]，針對(duì)所選陶粒的物理特性，可以建立彈性模量Ec(定值)和動(dòng)態(tài)變形模量E′vd(基準(zhǔn)值)之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)對(duì)每層陶粒的壓實(shí)質(zhì)量(即碾壓是否充分)的量化控制。該關(guān)系的表達(dá)式為：

式中，Ec的值參照所選陶粒的技術(shù)規(guī)范要求；μ為泊松比。

動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)是采用輕型落錘儀來(lái)檢測(cè)土體壓實(shí)指標(biāo)的Evd的檢測(cè)方法。在檢驗(yàn)的過(guò)程中，將1個(gè)落錘自由下落，落在直徑為300 mm的荷載板上，荷載板下的最大沖擊動(dòng)應(yīng)力會(huì)達(dá)到0.1 MN/m2；Evd值為輕型落錘儀的輸出值，試驗(yàn)過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)顯示的Evd值低于基準(zhǔn)值則表示碾壓不充分，需要繼續(xù)碾壓，直至達(dá)到基準(zhǔn)值的要求。

3 熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒頂層的荷載控制

對(duì)陶粒進(jìn)行逐層碾壓到最頂層后，按照設(shè)計(jì)需要通過(guò)靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)完成靜態(tài)變形模量Ev值的測(cè)量，來(lái)驗(yàn)證是否滿足設(shè)計(jì)要求。靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)是通過(guò)2次加載測(cè)得陶粒變形模量，并計(jì)算得到Ev1和Ev2的值，試驗(yàn)一般采用直徑為300 mm的荷載板。

1)靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)的第1次加載。

步驟①：預(yù)壓0.01 MPa的荷載30 s；

步驟②：以大致相等的荷載增量(荷載增量為0.08 MPa)逐級(jí)加載；

步驟③：沉降量達(dá)到5 mm時(shí)或最大荷載達(dá)到0.5 MPa后，進(jìn)行卸載；應(yīng)注意，需要按最大荷載的50%、25%和0%進(jìn)行3級(jí)卸載。

2)靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)的第2次加載。在第1次加載并卸載后，按照第1次加載的操作步驟，并保持與第1次加載時(shí)各級(jí)相同的荷載進(jìn)行第2次加載，直到達(dá)到第1次加載時(shí)的最大荷載的倒數(shù)第2個(gè)荷載級(jí)即可[6]。

Ev的計(jì)算過(guò)程[7]具體為：

步驟①：根據(jù)荷載-沉降曲線方程，可得：

式中，s為荷載板的沉降量，m；σ0為荷載板下的平均應(yīng)力，MN/m2；a0、a1、a2分別為二次多項(xiàng)式的常數(shù)項(xiàng)系數(shù)、一次項(xiàng)系數(shù)和二次項(xiàng)系數(shù)。

通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件Origin，以靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)的荷載數(shù)據(jù)和沉降數(shù)據(jù)作為輸入條件，進(jìn)行線性擬合，可求出不同情況下分別對(duì)應(yīng)的a0、a1、a2這3個(gè)系數(shù)。

步驟②：靜態(tài)變形模量的計(jì)算式為[8]：

式中，r為荷載板的半徑，mm；σ0max為荷載板下的平均應(yīng)力的最大值，MN/m2。

對(duì)第1次加載和第2次加載的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸計(jì)算后，根據(jù)上述公式，可分別得出第1次加載后的Ev1值和第2次加載后的Ev2值。兩者的比值，即Ev2/Ev1代表熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒存在的不可恢復(fù)的塑性殘余變形量的大小。Ev2/Ev1值越小，表明基礎(chǔ)中陶粒存在的不可恢復(fù)的塑性殘余變形量較??；反之，表明基礎(chǔ)中陶粒存在的不可恢復(fù)的塑性殘余變形量較大。

以往項(xiàng)目控制指標(biāo)僅通過(guò)Ev1值或Ev2值進(jìn)行單一控制，具有一定的局限性，不能真實(shí)反映熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒的強(qiáng)度，所以通過(guò)對(duì)指標(biāo)Ev2/Ev1和Ev1(或Ev2)進(jìn)行綜合分析，能更全面地反映熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒的施工質(zhì)量。

4 熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒的施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

以中東某太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目中的熔鹽罐基礎(chǔ)為例。熔鹽罐基礎(chǔ)(基礎(chǔ)為鋼環(huán)墻內(nèi)壁)的直徑約為45 m，鋼環(huán)墻內(nèi)部設(shè)置1圈保溫磚，基礎(chǔ)內(nèi)部填充陶粒，陶粒填充的高度為1.7 m。

在陶粒施工過(guò)程中，在施工工藝上要求進(jìn)行分層(如每層20 cm)碾壓，本文摸索出一套適合現(xiàn)場(chǎng)陶粒碾壓的施工工藝，即引入“三指標(biāo)控制法”。具體如下：

1)為避免履帶式碾壓機(jī)械等對(duì)陶粒造成破壞，通過(guò)在陶粒上表面鋪設(shè)鋼板，采用滾動(dòng)式振動(dòng)機(jī)進(jìn)行均勻碾壓，在靠近保溫磚的局部區(qū)域輔以小型振動(dòng)機(jī)進(jìn)行局部振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)每層15%的設(shè)計(jì)壓縮變形量，來(lái)確保施工過(guò)程的質(zhì)量控制。

2)在每層陶粒充分碾壓后，由于靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)無(wú)法滿足施工進(jìn)度的需要，且試驗(yàn)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在直徑龐大的熔鹽罐基礎(chǔ)內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)便捷操作，因此，按照式(1)，建立Evd和陶粒材料的Ec之間的關(guān)系，引入指標(biāo)Evd對(duì)每層陶粒的壓實(shí)過(guò)程進(jìn)行質(zhì)量控制，從而確保每層陶粒的Evd達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該項(xiàng)目采用的陶粒的設(shè)計(jì)要求Ec為10 MPa，則對(duì)應(yīng)的Evd需達(dá)到14 MPa。

3)對(duì)于熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒施工時(shí)的分層控制，為了盡可能進(jìn)行多點(diǎn)試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)反復(fù)碾壓后每層可均勻選取14個(gè)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)，并在1.7 m高的陶粒的底層、中間層和頂層各選取4個(gè)靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)點(diǎn)，在1個(gè)靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)點(diǎn)周邊測(cè)量8個(gè)動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)點(diǎn)，并進(jìn)行對(duì)比，施工過(guò)程中進(jìn)行分層和動(dòng)、靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)結(jié)合控制。針對(duì)3層中需要測(cè)量的靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)點(diǎn)，分別測(cè)出Ev1和Ev2，Ev1可滿足項(xiàng)目Ev1＞40 MPa的設(shè)計(jì)要求。

4)單一Ev2值或Ev1值滿足設(shè)計(jì)要求不能代表陶粒壓實(shí)質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。若僅Ev2值滿足設(shè)計(jì)要求，而Ev1值過(guò)小，則表示基礎(chǔ)中陶粒存在的塑性殘余變形大，碾壓不充分，需要綜合考慮后期存在引起基礎(chǔ)沉降的風(fēng)險(xiǎn)，重新對(duì)Ev1值偏小的特定區(qū)域進(jìn)行再次碾壓。

5)在4)的技術(shù)上，輔以Ev2/Ev1值可以直觀反映陶粒的壓實(shí)質(zhì)量。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒施工時(shí)對(duì)應(yīng)的要求為Ev2/Ev1≤2.2。若Ev2值和Ev1值兩者相差較小，則表示二次加載消除的塑性變形較少，基礎(chǔ)壓實(shí)質(zhì)量好；若Ev2值和Ev1值兩者相差較大，則表示基礎(chǔ)存在的塑性殘余變形較大。

6)通過(guò)2)、3)和5)的三指標(biāo)控制法的應(yīng)用進(jìn)行熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒的施工質(zhì)量控制，以此來(lái)滿足最終的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文以中東某太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目的熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒的施工質(zhì)量控制為研究對(duì)象，提出了基于動(dòng)態(tài)變形模量Evd、靜態(tài)變形模量Ev1(或Ev2)及Ev2/Ev1力學(xué)指標(biāo)相結(jié)合的“三指標(biāo)控制法”，并證明了按照設(shè)計(jì)分層壓實(shí)并逐層進(jìn)行動(dòng)態(tài)平板荷載試驗(yàn)可以滿足設(shè)計(jì)要求和施工實(shí)際情況。在該項(xiàng)目中，根據(jù)“三指標(biāo)控制法”，通過(guò)控制每層陶粒的動(dòng)態(tài)變形模量，加上過(guò)程中輔以局部靜態(tài)平板荷載試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，熔鹽罐基礎(chǔ)頂部荷載一次性滿足設(shè)計(jì)值，從而避免出現(xiàn)陶粒碾壓過(guò)程控制不達(dá)標(biāo)、頂部最終荷載不滿足設(shè)計(jì)要求、需要進(jìn)行額外措施的情況。最終熔鹽罐基礎(chǔ)完成后，通過(guò)熔鹽罐置水試驗(yàn)得到的沉降數(shù)據(jù)也是檢驗(yàn)熔鹽罐基礎(chǔ)是否合格的標(biāo)準(zhǔn)，本研究的結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

“三指標(biāo)控制法”可以在方便快捷的情況下，最大程度地控制熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒的施工質(zhì)量且滿足設(shè)計(jì)要求，避免了施工過(guò)程中壓實(shí)不徹底和評(píng)估指標(biāo)單一造成的結(jié)果不準(zhǔn)確。希望該套理論和實(shí)踐應(yīng)用能夠?yàn)楹罄m(xù)太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目熔鹽罐基礎(chǔ)中陶粒的施工提供參考和借鑒。