風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)施工過程中的冷縫處理措施分析

呂仁帥，張艷麗，章榮國(guó)，周沈杰

（1. 國(guó)華能源投資有限公司山東分公司，濟(jì)南 250002；2. 上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200023）

0 引言

隨著《能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》的實(shí)施，我國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)步入了極速發(fā)展時(shí)期。在風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)過程中，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的特點(diǎn)是：支撐高聳結(jié)構(gòu)物的獨(dú)立基礎(chǔ)，風(fēng)電機(jī)組塔筒的高度一般在60m－100 m；其頂部裝有較大垂向機(jī)組荷載達(dá)60t－90t；側(cè)向又具有較大的風(fēng)荷載作用。風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)受力形式復(fù)雜[1-2]。

而風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)多數(shù)屬于大體積混凝土施工，施工冷縫不僅會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度、抗凍性，對(duì)混凝土的抗?jié)B性和耐久性影響尤為嚴(yán)重。大體積混凝土施工冷縫問題研究是大體積混凝土施工的核心問題，尤其是在具有反復(fù)循環(huán)荷載作用下的大體積混凝土工程中。

1 工程概況

1.1 工程設(shè)計(jì)條件

工程場(chǎng)址位于低山丘陵地區(qū)，風(fēng)電場(chǎng)單機(jī)容量為1500 kW，輪轂高度為80m，葉片直徑為100m，風(fēng)電機(jī)組荷載較大（荷載工況見表1），地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)級(jí)別為1級(jí)[3-4]。

擬建場(chǎng)址區(qū)勘測(cè)深度內(nèi)揭露地層主要為花崗片麻巖，局部地表分布有第四系耕植土。根據(jù)巖土勘測(cè)報(bào)告，進(jìn)行描述如下：

(1)全風(fēng)化花崗片麻巖，風(fēng)化強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，長(zhǎng)石基本風(fēng)化成高嶺石，巖芯呈砂狀、土狀、碎塊狀，頂部分布40cm耕植土。地基土承載力特征值fak=260kPa。

(2)層強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖，顏色為棕黃或紅褐色，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，該層未穿透，地基土承載力特征值fak=610kPa。場(chǎng)地土工程性質(zhì)好，力學(xué)強(qiáng)度高，無特殊性土層，為良好的基礎(chǔ)持力層。

1.2 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式

根據(jù)工程建設(shè)情況，天然地基能滿足上部荷載要求，可采用天然地基，以①層全風(fēng)化花崗片麻巖做風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的持力層。風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)由上、中、下三部分組成，上部為直徑6.5m、高1.1m的圓柱；中部為底直徑17.0m、高1.1m的圓臺(tái)；下部為直徑17.0m、高1.0m的圓柱體?；A(chǔ)總高度為3.2m，埋深3.1m?；A(chǔ)尺寸如圖1所示。

1.3 施工過程中遇到的問題

在施工過程中，暴雨造成攪拌站停電，造成某臺(tái)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)混凝土澆筑工作不能完成施工?，F(xiàn)場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋已綁扎完畢，已澆筑完成混凝土厚度約43cm，施工單位在混凝土初凝前已補(bǔ)充φ18－φ32插筋共約93根，長(zhǎng)70cm，外露40cm，如圖2所示。

表1 1500kW風(fēng)電機(jī)組塔底荷載工況

由于風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)未連續(xù)澆搗完成，形成了全斷面的施工冷縫，混凝土施工縫在交變荷載作用下，其粘結(jié)力一般只能達(dá)到正常澆筑時(shí)的50%左右。由于風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)承受的是360°方向的振動(dòng)荷載，而一般情況下風(fēng)電機(jī)組在整個(gè)壽命周期約有107次循環(huán)荷載作用。因此，對(duì)施工縫強(qiáng)度影響很大。同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)單位提供的鉆芯報(bào)告，實(shí)驗(yàn)取芯位置比較單一，而且混凝土達(dá)到養(yǎng)護(hù)要求之后的兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果差距很大。實(shí)驗(yàn)沒有對(duì)整個(gè)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)采取無損檢測(cè)手段，所以這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果也無法反映這臺(tái)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)整體的施工質(zhì)量與混凝土真實(shí)的強(qiáng)度。

由于現(xiàn)場(chǎng)情況限制，工程重新征地困難，加之施工工期緊張，項(xiàng)目業(yè)主方希望利用原有風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)，以節(jié)約工程造價(jià)及工期。

2 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)施工冷縫危害性分析

在施工中，由于種種原因，混凝土需要分層澆筑，形成施工冷縫，新老混凝土界面間結(jié)合力一般較弱。因此，很容易在界面處產(chǎn)生貫穿性裂縫?；A(chǔ)貫穿裂縫的危害性最大，它不但引起應(yīng)力的重新分布，改變結(jié)構(gòu)的受力條件，而且使結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性、滲透性、耐久性都受到嚴(yán)重的影響。更糟糕的是，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的受力鋼筋裸露在外，加速其腐蝕，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)坍塌[5-6]。

本工程中的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)在運(yùn)行階段承受的是360°方向的振動(dòng)荷載，而一般情況下風(fēng)電機(jī)組在整個(gè)壽命周期約有107次循環(huán)荷載作用。因此，對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的強(qiáng)度要求很高。由于風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)未連續(xù)澆搗完成，形成了全斷面的施工冷縫。根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)資料，混凝土施工縫在交變荷載作用下，其粘結(jié)力一般只能達(dá)到正常澆筑時(shí)的50%以下，對(duì)施工縫強(qiáng)度影響很大，兩次澆筑后必然導(dǎo)致整體風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)強(qiáng)度下降。另外，在前期混凝土澆筑過程中，由于受暴雨侵襲的影響，混凝土的水灰比會(huì)發(fā)生一定變化，整個(gè)振搗也受到一定影響，導(dǎo)致施工質(zhì)量難以保證。這種施工質(zhì)量的不穩(wěn)定性也很難判斷其對(duì)整個(gè)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)承受疲勞荷載時(shí)的影響程度[7-8]。

3 修補(bǔ)方案選擇

3.1 方案比較

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)這臺(tái)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的實(shí)際澆筑的情況，結(jié)合專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)報(bào)告，以及風(fēng)電機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行后的特點(diǎn)，有兩種處理方案。第一種方案是廢棄已澆筑三分之一多的基礎(chǔ)，重新澆筑一個(gè)基礎(chǔ)，并拆除部分已綁扎完成的鋼筋加以利用；第二種方案即對(duì)已部分澆筑的這臺(tái)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理后按正常使用。

若采用第一種方案，產(chǎn)生的主要損失為風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)土石方開挖、基礎(chǔ)墊層、約150m3混凝土、約30t鋼筋以及相應(yīng)的施工費(fèi)用，按現(xiàn)行的造價(jià)水平約損失30萬元。

若采用第二種方案，對(duì)已澆筑約三分之一多的基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。首先對(duì)已澆筑的表面進(jìn)行清洗處理并在澆筑前增加粘著劑，另外尚需對(duì)裸露在自然環(huán)境下的銹蝕鋼筋進(jìn)行清洗處理，增加C40混凝土約86m3，增加鋼筋約10.5t，合計(jì)加固基礎(chǔ)費(fèi)用約15萬元左右。從經(jīng)濟(jì)上比較，采取基礎(chǔ)加固的方案較廢棄原基礎(chǔ)進(jìn)行重建的方案為優(yōu)，能節(jié)約一定的投資，減少損失。

3.2 最終方案

根據(jù)業(yè)主提供的鉆芯報(bào)告，實(shí)驗(yàn)取芯位置比較單一，而且在混凝土達(dá)到養(yǎng)護(hù)要求之后的兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果差距很大。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)沒有對(duì)整個(gè)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)采取無損檢測(cè)手段。所以，這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果也無法反映這臺(tái)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)整體的施工質(zhì)量與混凝土真實(shí)的強(qiáng)度。

由于風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)未連續(xù)澆搗完成，形成了全斷面的施工冷縫，不能簡(jiǎn)單地使用表面修補(bǔ)法[5]。灌漿、嵌縫封堵法適用于有防滲要求的混凝土裂縫的修補(bǔ)，也不適合本工程。

通過綜合考慮，混凝土已澆搗厚度為300mm，施工方也及時(shí)地放置了較多的插筋，可以起到抗剪鋼筋的作用。在業(yè)主、施工方、監(jiān)理共同討論后，提出的方案是在不改變臺(tái)柱頂標(biāo)高的前提下，加大混凝土結(jié)構(gòu)的截面面積，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)棱臺(tái)部分增厚300mm。這樣，基礎(chǔ)棱臺(tái)部分總厚度從1000mm提高到了1300mm。同時(shí)，基礎(chǔ)頂面新增放射筋。通過計(jì)算，這樣的加固方案滿足風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的受力要求，如圖3所示。

在已澆筑混凝土表面繼續(xù)澆筑混凝土前，應(yīng)清除垃圾、水泥薄膜、表面上松動(dòng)的沙石和軟弱的混凝土層。同時(shí)，還應(yīng)將表面鑿毛，用水沖洗干凈并充分潤(rùn)濕，一般潤(rùn)濕時(shí)間不宜少于24h，殘留在混凝土表面的積水應(yīng)消除。施工縫附近的鋼筋回彎時(shí)，要注意不使混凝土受到松動(dòng)和損壞。鋼筋上的油污、水泥漿及浮銹等雜物也應(yīng)清除。澆筑前，在施工縫表面澆筑一層10mm－15mm厚的水泥砂漿做結(jié)合層，砂漿強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)高于原風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)[9-10]。

4 總結(jié)

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)作為支撐風(fēng)電機(jī)組的獨(dú)立基礎(chǔ)，其受力形式復(fù)雜，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)在承受交替循環(huán)荷載的作用時(shí)容易引起疲勞破壞。風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)在混凝土澆筑施工過程中要求一次澆筑完畢，一般是不允許出現(xiàn)貫通的施工冷縫。在施工過程中由于不可抗力引起混凝土不能按預(yù)定方案一次性澆筑完畢形成施工冷縫的，應(yīng)結(jié)合工程的具體情況選擇合適的處理方案。施工冷縫的處理方案一般應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：

（1）施工過程中一旦出現(xiàn)施工冷縫，應(yīng)在已澆筑混凝土沒有初凝前布置插筋，插筋的直徑宜與基礎(chǔ)的主筋直徑相同，插入深度和露出長(zhǎng)度應(yīng)能達(dá)到錨固長(zhǎng)度，以便以后采取補(bǔ)救措施。

（2）施工冷縫處理前應(yīng)對(duì)已澆筑的基礎(chǔ)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣和無損檢測(cè)，以便對(duì)整個(gè)澆筑施工質(zhì)量有全面的了解。

（3）施工冷縫處理方案應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，選擇安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的處理方案，經(jīng)處理后的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)應(yīng)能滿足風(fēng)電機(jī)組荷載對(duì)基礎(chǔ)產(chǎn)生的強(qiáng)度和變形的要求，尤其是疲勞荷載效應(yīng)。

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