呂宏偉,鄒武停

(中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

在“碳達峰、碳中和”目標(biāo)加持下，風(fēng)力發(fā)電作為新能源的排頭兵，預(yù)計“十四五”期間年均新增5 800萬kW，共新增裝機約2.9億kW。風(fēng)電經(jīng)過近十余年時間大規(guī)模發(fā)展，建設(shè)區(qū)域由地質(zhì)條件較為優(yōu)越的戈壁荒灘、草原擴展到黃土、丘陵、山地和灘涂，建設(shè)條件越趨復(fù)雜。在風(fēng)電項目中風(fēng)機基礎(chǔ)投資雖然僅占10%左右，但其安全穩(wěn)定直接關(guān)系上部塔架和風(fēng)機的安全，一旦基礎(chǔ)失穩(wěn)，將造成非常嚴(yán)重的經(jīng)濟損失，因此風(fēng)機基礎(chǔ)對于風(fēng)電場安全可靠運行至關(guān)重要。

中國西北地區(qū)作為我國最早開發(fā)風(fēng)電的區(qū)域，早期的風(fēng)電項目，建設(shè)條件較好，基礎(chǔ)耐久性問題并不突出，有腐蝕影響的已建項目，腐蝕介質(zhì)濃度及腐蝕程度均未超出規(guī)范中的相關(guān)限值，采取GB/T 50046-2018《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[1]中單一措施即可處理。隨著近年來風(fēng)電項目開發(fā)范圍的擴大，出現(xiàn)了強腐蝕、地下水埋深淺、凍脹和天然地基承載力低等多重不利因素疊加的復(fù)雜地質(zhì)條件，對于這種地質(zhì)條件下的風(fēng)機基礎(chǔ)軟弱地基處理及防腐方案設(shè)計的新命題，現(xiàn)行規(guī)范中尚無相關(guān)規(guī)定可供借鑒，需要進行專門研究，以保障風(fēng)機基礎(chǔ)安全運行。

本文針對常規(guī)風(fēng)機基礎(chǔ)地基處理方法的優(yōu)、缺點，以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕原因進行梳理總結(jié)，結(jié)合青海某風(fēng)電工程項目，研究適用于強腐蝕條件下軟基的基礎(chǔ)處理方案，提出強腐蝕處理措施，可為類似地質(zhì)條件的風(fēng)電工程項目提供借鑒。

1 常用軟弱地基處理方案

軟弱地基處理方案的選擇通常應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、環(huán)境條件和上部結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)的要求，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟分析后確定。對中國已建陸上風(fēng)電項目進行梳理統(tǒng)計，得到國內(nèi)風(fēng)電場建設(shè)中常用風(fēng)機基礎(chǔ)軟弱地基處理方案、各方案適用范圍及優(yōu)、缺點見表1。

2 鋼筋混凝土腐蝕原因

(2) Cl-與鋼筋中的鐵發(fā)生電化學(xué)作用生成氯化亞鐵，在有氧氣與水的情況下，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成氫氧化亞鐵和無粘結(jié)性能的氫氧化鐵，破壞混凝土中的鋼筋強度，隨著鋼筋鈍化及腐蝕產(chǎn)物的積累，鋼筋體積可膨脹2～3倍，致使混凝土層開裂。

(3) 混凝土的凍融破壞，混凝土中游離水受凍結(jié)冰后體積膨脹，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，由于反復(fù)作用，內(nèi)應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度致使混凝土破壞，為Cl-侵蝕形成了通道。

針對鋼筋混凝土腐蝕原因，在進行基礎(chǔ)防腐處理過程中需要考慮“外防內(nèi)增”措施，既要阻斷腐蝕介質(zhì)侵入，還需提高混凝土強度；在選擇軟基地基處理方案時，須考慮強腐蝕特性，減小運行期基礎(chǔ)腐蝕隱患。

3 案例分析

3.1 工程概況

本項目場址區(qū)地處青海省海西州東部，位于青藏高原北部，柴達木盆地南緣。屬于山前平原戈壁地帶，地形較為平緩，經(jīng)測算風(fēng)電裝機規(guī)模約有400萬kW。根據(jù)勘察，場址區(qū)穩(wěn)定地下水位為-1.1～-4.0 m，水位埋藏較淺；土層結(jié)構(gòu)以①1層粉土、①2粉砂、①3細砂、①4粉質(zhì)黏土為主，天然地基土承載力小于120 kPa；地下水含鹽量高，表部形成鹽殼(見圖1)；地基土按含鹽量分類屬弱鹽漬土-超鹽漬土，按含鹽化學(xué)成分分類屬亞氯鹽漬土、氯鹽漬土、亞硫酸鹽漬土、硫酸鹽漬土；地基土溶陷性輕微，局部中等，局部為弱鹽脹性；地基土凍脹類別為弱凍脹-凍脹、凍脹等級為Ⅱ-Ⅲ級。地基土和地下水腐蝕性試驗結(jié)果見表2和表3。

圖1 場區(qū)地表鹽殼

表2 地基土腐蝕性評價

表3 地下水腐蝕性評價

3.2 風(fēng)機荷載

風(fēng)機廠家提供的風(fēng)機荷載見表4。

表4 塔筒底面載荷(不含安全系數(shù))

3.3 基礎(chǔ)處理方案比選

根據(jù)表1的歸納總結(jié)，考慮本項目地下水位較淺，且軟弱土層厚度達20 m，為飽和粉質(zhì)黏土地層，故換填法[5-6]和振沖碎石樁法[7-8]不適用。

對于樁基礎(chǔ)[9-10]，在輸電線路項目鐵塔基礎(chǔ)已建項目中，有采用混凝土灌注樁處理[11-12]，但通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)灌注樁基礎(chǔ)表面均出現(xiàn)不同程度裂縫、混凝土脫落和內(nèi)部鋼筋腐蝕現(xiàn)象[13]。目前風(fēng)電項目采用大機組已成為趨勢，風(fēng)機荷載也隨之變大，采用灌注樁基礎(chǔ)，樁基在拔力作用下，會產(chǎn)生細小裂縫，從而加速樁基混凝土和鋼筋的腐蝕，所以灌注樁基礎(chǔ)不適用，根據(jù)規(guī)范可采用預(yù)制管樁基礎(chǔ)。

剛性樁復(fù)合地基[14-16]結(jié)合了樁基礎(chǔ)和碎石樁復(fù)合地基的優(yōu)勢，進行地基處理，能顯著提高地基承載力且沉降小，所以本文對預(yù)制管樁基礎(chǔ)和剛性樁復(fù)合地基進行比較。

3.3.1預(yù)制管樁基礎(chǔ)

樁基礎(chǔ)由基樁和連接于基樁樁頂?shù)某信_組成，上部結(jié)構(gòu)的荷載通過承臺傳遞給基樁。承臺底面直徑20 m，高3.5 m，布設(shè)PHC-600AB130樁48根，樁長18 m。樁基礎(chǔ)平面、剖面見圖2、3。根據(jù)NB/T 10311-2019《陸上風(fēng)電場工程風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[17]計算結(jié)果見表5。

圖2 樁基礎(chǔ)平面 單位：mm

圖3 樁基礎(chǔ)剖面 單位：mm

表5 樁基礎(chǔ)計算結(jié)果

3.3.2剛性樁復(fù)合地基

復(fù)合地基靠樁間土和樁共同承受壓力，地基與基礎(chǔ)之間鋪設(shè)30 cm厚褥墊層?；A(chǔ)底面直徑22.4 m，高4.0 m，基底布置PHC-600AB130樁78根，樁按等邊三角形布置，樁間距3.0 m，樁長6.5 m。剛性樁復(fù)合地基平面、剖面見圖4、5，計算結(jié)果見表6。

表6 擴展基礎(chǔ)計算結(jié)果

圖4 剛性樁復(fù)合地基平面 單位：mm

圖5 剛性樁復(fù)合地基剖面 單位：mm

3.3.3工程量及投資比較

經(jīng)計算，預(yù)制管樁基礎(chǔ)和剛性復(fù)合樁基礎(chǔ)均能滿足規(guī)范要求的承載力、沉降、變形、基底脫開比例等指標(biāo)要求。

從表7可見，剛性樁復(fù)合地基較預(yù)制管樁基礎(chǔ)方案單臺基礎(chǔ)投資少10.1萬元。

表7 兩方案主要工程量和投資比較

3.3.4施工技術(shù)比較

采用預(yù)制管樁基礎(chǔ)，會有以下幾處隱患：

(1) 樁基和承臺連接處需要進行特殊防水處理，處理不當(dāng)會成為地下水腐蝕通道。

(2) 采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，需要進行接樁，接樁處是耐久性的薄弱環(huán)節(jié)。采用剛性樁復(fù)合地基，不會出現(xiàn)樁基礎(chǔ)中樁基受拔、樁基與承臺連接、預(yù)制管樁接樁等問題，可有效減少基礎(chǔ)耐久性隱患。

綜上所述，通過分析對比預(yù)制管樁基礎(chǔ)和剛性復(fù)合樁基礎(chǔ)經(jīng)濟性和安全性，本工程推薦采用剛性復(fù)合樁基礎(chǔ)。

3.4 基礎(chǔ)防腐措施

根據(jù)本項目強腐蝕特點，風(fēng)機基礎(chǔ)防腐參考GB/T 50476-2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[18]和GB/T 50046-2018《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》，混凝土防腐采用基本措施和特殊措施。

3.4.1基本措施

(1) 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式：基礎(chǔ)型式應(yīng)選擇形式簡單、便于施工、棱角較少、應(yīng)力集中點較少的基礎(chǔ)形式。因此，基礎(chǔ)采用圓形擴展基礎(chǔ)。

(2) 控制基礎(chǔ)裂縫：首先在基礎(chǔ)設(shè)計過程中，應(yīng)盡量減小受拉區(qū)和拉應(yīng)力，避免產(chǎn)生裂縫。其次，施工過程中應(yīng)控制好入倉、澆筑中和拆模混凝土溫度，防止溫度應(yīng)力引起裂縫；在施工過程中，應(yīng)連續(xù)澆筑，防止出現(xiàn)冷縫，同時嚴(yán)格控制混凝土的密實性，不出現(xiàn)漏筋、空洞等現(xiàn)象；澆筑完成后及時養(yǎng)護。

(3) 高性能混凝土：高性能混凝土具有較好的自密實性、抗凍性、抗?jié)B性、耐久性和強度較高，Cl-滲透性較普通混凝土要低，同時采用抗硫酸鹽水泥，能最大限度地延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限。

(4) 混凝土墊層：合適的混凝土保護層厚度既可以提高基礎(chǔ)施工壽命，延緩對鋼筋的銹蝕，還可以防止因為混凝土材料自身收縮引起的保護層出現(xiàn)裂縫。按照NB/T 10311-2019《陸上風(fēng)電場工程風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》四類環(huán)境條件下基礎(chǔ)底部保護層厚度90 mm，頂面和側(cè)面宜為50 mm。

(5) 剛性樁防腐：根據(jù)JGJ/T 406-2017《預(yù)應(yīng)力混凝土管樁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[19]，強腐蝕以上地區(qū)管樁應(yīng)采用AB級及以上型號，且最小壁厚≥95 mm，采用環(huán)氧瀝青涂層防護樁身，本項目土層以細粒土為主，打樁過程中對涂層影響較小。

3.4.2特殊措施

在混凝土澆筑完成28 d后，表面涂刷環(huán)氧瀝青涂層，涂刷厚度≥500 μm，風(fēng)機基礎(chǔ)防腐見圖6。環(huán)氧瀝青涂層相比聚氨酯瀝青涂層，對混凝土表面具有更強的黏結(jié)力，能夠有效抵抗酸、堿及其它各種腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，能長期在干濕交替、陰暗潮濕及浸水等惡劣環(huán)境中使用，要求Cl-穿過涂層的滲透量小于5×10-3mg/cm2d。

圖6 風(fēng)機基礎(chǔ)防腐

基礎(chǔ)混凝土采用添加鋼筋阻銹劑，阻銹劑質(zhì)量需要滿足GB/T 50476-2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》要求。

基礎(chǔ)鋼筋采用環(huán)氧涂層鋼筋，環(huán)氧涂層鋼筋見圖7。環(huán)氧涂層鋼筋制作所采用的材料和加工工藝應(yīng)符合JG/T 502-2016《環(huán)氧樹脂涂層鋼筋》[20]的有關(guān)規(guī)定。

圖7 環(huán)氧涂層鋼筋

4 結(jié) 論

(1) 根據(jù)風(fēng)電場各種常用軟弱地基處理方法的優(yōu)、缺點和適用性，結(jié)合本項目強腐蝕性、天然地基承載力較低、地下水埋深淺和凍脹等多重不利因素復(fù)雜條件，提出了采用剛性樁復(fù)合地基方案，保證基礎(chǔ)處理管樁處于純受壓狀態(tài)，避免了樁基礎(chǔ)在這種強腐蝕條件下的各種隱患，既能保證安全，又節(jié)省投資。

(2) 根據(jù)鋼筋混凝土腐蝕原因，提出了基礎(chǔ)形式采用圓形擴展基礎(chǔ)，在設(shè)計過程中注意減小受拉區(qū)范圍和拉應(yīng)力，按照四類環(huán)境類別確定基礎(chǔ)底面保護層厚度取90 mm，頂面和側(cè)面50 mm，采用高性能混凝土，混凝土強度不低于C50，減小水膠比，不大于0.36，混凝土28 d齡期Cl-擴散系數(shù)不大于6×10-12m2/s ；在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制澆筑質(zhì)量，基礎(chǔ)外層涂刷防腐涂料不小于500 μm，使用抗硫酸鹽水泥、添加阻銹劑、采用環(huán)氧涂層鋼筋等多重措施，保證基礎(chǔ)在超強腐蝕條件下安全運行。

5 結(jié) 語

隨著風(fēng)資源的不斷開發(fā)，風(fēng)電場地質(zhì)條件也更為復(fù)雜，風(fēng)機塔架又屬于高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)電機組具有承受360°方向重復(fù)荷載和大偏心受力的特殊性，對地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和變形要求較高。因此，復(fù)雜地質(zhì)條件下的地基處理、防腐處理成為風(fēng)電場建設(shè)過程中的重要一環(huán)，也是保證風(fēng)電場建成后安全、高效運營的關(guān)鍵。本文結(jié)合青海某風(fēng)電項目，分析了剛性樁復(fù)合地基在這種多重不利因素疊加情況下的優(yōu)勢，并對腐蝕介質(zhì)濃度遠高于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的情況下，通過采取多重防腐措施達到提高基礎(chǔ)耐久性的目的。目前本項目已安全運行2 a，根據(jù)定期監(jiān)測，未出現(xiàn)腐蝕破壞現(xiàn)象。