國內(nèi)首臺錨栓可更換的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的工程應(yīng)用

■ 張艷江 楊國霖 張航 周俊杰 萬莉莎 呂祥云

(1.瑞風(fēng)能源(武漢)工程技術(shù)有限公司;2.國家電投集團(tuán)江西電力有限公司新能源發(fā)電分公司;3.國家電投集團(tuán)江西電力有限公司)

0 引言

目前，我國大部分風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)采用的是基礎(chǔ)環(huán)和預(yù)應(yīng)力錨栓這兩種形式[1]?；A(chǔ)環(huán)式基礎(chǔ)在基礎(chǔ)環(huán)與底板的接觸部位易因轉(zhuǎn)角而產(chǎn)生裂縫，疲勞荷載作用會導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，從而導(dǎo)致鋼筋失去保護(hù)直接與空氣和地下水接觸而被銹蝕，最后造成基礎(chǔ)被破壞[2]。預(yù)應(yīng)力錨栓式基礎(chǔ)利用錨栓連接風(fēng)電機(jī)組上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)，通過對錨栓張拉形成預(yù)拉力，令上、下錨板對基礎(chǔ)混凝土產(chǎn)生豎向壓力，在荷載長期、反復(fù)作用下混凝土仍能保持受壓狀態(tài)，避免出現(xiàn)裂縫，基礎(chǔ)的耐久性和抗疲勞能力均得到顯著提高[1]。預(yù)應(yīng)力錨栓式基礎(chǔ)形式的出現(xiàn)，在一定程度上給業(yè)主提供了更多的選擇，也能從結(jié)構(gòu)受力上更好地為塔架等上部結(jié)構(gòu)提供有力的連接保證。預(yù)應(yīng)力錨栓式基礎(chǔ)與基礎(chǔ)環(huán)式基礎(chǔ)相比，不僅節(jié)材節(jié)能，還大幅改善了基礎(chǔ)受力狀況，能夠更好地保障風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

針對普通預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)不易進(jìn)行錨栓檢修或更換的問題，本文對錨栓可更換的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)及施工進(jìn)行簡要的分析，并以實(shí)際工程為例，對錨栓可更換的基礎(chǔ)的工程實(shí)踐進(jìn)行相關(guān)論述。

1 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)中錨栓可更換的必要性

1.1 錨栓基礎(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)

預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)施工便利、采購周期短、工藝簡單，相較于基礎(chǔ)環(huán)式基礎(chǔ)，其克服了基礎(chǔ)環(huán)式基礎(chǔ)強(qiáng)度、剛度突變且易于脆性破壞的缺點(diǎn)[3]。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)更加安全可靠，混凝土長期處于受壓狀態(tài)，不易開裂，提高了結(jié)構(gòu)的耐久性。塔架安裝時(shí)，錨栓張拉采用直接張拉法，避免錨栓在拉、扭復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的脆性折斷，提高了錨栓的工作性能。傳統(tǒng)的錨栓基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)錨栓基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

1.2 錨栓基礎(chǔ)存在的問題

分析以往預(yù)應(yīng)力錨栓基礎(chǔ)的工程實(shí)踐，錨栓基礎(chǔ)出現(xiàn)過如下狀況，使基礎(chǔ)的安全運(yùn)行出現(xiàn)了較大的安全隱患。

1)錨栓的生產(chǎn)質(zhì)量問題：錨栓桿體的材質(zhì)選擇有誤，桿體氫脆、有裂紋、存在內(nèi)部缺陷等問題導(dǎo)致錨栓斷裂；桿體防腐涂層未滿足使用要求導(dǎo)致銹蝕；外露部分無有效防腐導(dǎo)致銹蝕，如圖2、圖3所示。

圖2 錨栓斷裂圖

圖3 錨栓銹蝕圖

2)錨栓基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)問題：錨栓張拉力取值過高；配套連接法蘭設(shè)計(jì)不合理，錨栓受力復(fù)雜。

3)錨栓基礎(chǔ)的安裝、運(yùn)行問題：安裝精度低，導(dǎo)致錨栓張拉復(fù)雜受力；張拉程序不符合規(guī)范要求，張拉精度存在偏差；無定期巡檢，銹蝕、錨栓張拉力損失等。

以上所有的問題都可能會導(dǎo)致錨栓桿體的損壞和銹蝕，嚴(yán)重的可能造成錨栓斷裂，導(dǎo)致機(jī)組無法運(yùn)行，安全隱患極大，會給業(yè)主造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。

1.3 錨栓基礎(chǔ)問題的解決方法

錨栓基礎(chǔ)問題的解決方法可從以下幾方面入手：

1)設(shè)計(jì)控制：對錨栓張拉力值進(jìn)行合理的選擇、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)考慮足夠的安全裕度、針對不同地質(zhì)情況進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)、錨栓防腐按照定制方案處理、錨栓張拉時(shí)考慮錨栓預(yù)應(yīng)力松弛度、采用錨栓損壞后的可更換結(jié)構(gòu)。

2)質(zhì)量控制：選用的錨栓組件應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)GB/T 3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》[4]、生產(chǎn)廠家企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等相關(guān)文件執(zhí)行，出廠檢驗(yàn)應(yīng)根據(jù)情況采用抽檢和逐根檢測的方式，且應(yīng)具備單根可追溯性。生產(chǎn)線生產(chǎn)過程中，建議采用自動化控制，整個(gè)過程中的加熱和冷卻均由電腦監(jiān)測，減少人為影響。

3)定制化材料的要求：錨栓組件屬于預(yù)應(yīng)力材料，須著重考慮預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)相關(guān)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。參考問題、事故基礎(chǔ)的處理經(jīng)驗(yàn)，錨栓組件的性能需要嚴(yán)格控制，包含：原材料配比、屈強(qiáng)比、韌性(伸長率、徑縮等)、應(yīng)力松弛、低溫沖擊功、錨栓連接副疲勞性能、脫碳指標(biāo)、無酸洗等。此外，為了嚴(yán)格控制桿體質(zhì)量，要求出廠桿體必須進(jìn)行出廠拉伸測試。

4)安裝、運(yùn)行控制：錨栓籠現(xiàn)場安裝時(shí)，應(yīng)保證錨桿的垂直度、錨板的水平度和同心度符合圖紙及規(guī)范的要求，錨栓張拉時(shí)，張拉應(yīng)力和張拉過程應(yīng)按照錨栓張拉方案執(zhí)行。在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中，應(yīng)安排張拉力定檢、外露防腐定檢，并采用在線監(jiān)測設(shè)備對錨栓的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。

在以上所有針對錨栓基礎(chǔ)問題的解決處理措施中，錨栓可更換方案是最徹底的技術(shù)，也可以作為其他措施的備份，增加錨栓基礎(chǔ)的安全性和可維護(hù)性。

1.4 錨栓可更換基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)簡介

風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的持力層為全風(fēng)化花崗巖，承載力特征值為200 kPa，風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)抗震設(shè)防屬丙類；基礎(chǔ)混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境類別為“二B”類，該擬建風(fēng)電場的地震動峰值加速度為0.05g，地震基本烈度小于6度。風(fēng)電機(jī)組采用的是湘電風(fēng)能XE116-2000機(jī)型，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的概念圖如圖4所示。

圖4 錨栓可更換基礎(chǔ)的1/4剖切圖

圖4中的綠色部分為基礎(chǔ)的中空部分。在風(fēng)電機(jī)組的日常運(yùn)行及維護(hù)過程中，工作人員可通過綠色中空區(qū)域設(shè)置的爬梯進(jìn)入地下室區(qū)域，對錨栓的外露部分進(jìn)行檢查維護(hù)。特殊情況下，若錨栓出現(xiàn)個(gè)別斷裂的現(xiàn)象，工作人員還可通過綠色中空區(qū)域進(jìn)入到地下室對錨栓進(jìn)行更換。

針對錨栓斷裂后無法更換的問題，瑞風(fēng)能源已與國家電投共同完成了錨栓可更換的風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的開發(fā)，項(xiàng)目已申報(bào)多項(xiàng)發(fā)明和實(shí)用新型專利，例如，“一種便于更換、檢修的地錨籠基礎(chǔ)(專利號：ZL 2017 2 0144772.1)”等，首臺錨栓可更換基礎(chǔ)的樣機(jī)已于2016年底在江西省七琴城上項(xiàng)目中完成澆筑。

2 錨栓可更換基礎(chǔ)的施工

2.1 錨栓可更換基礎(chǔ)的施工流程

錨栓可更換基礎(chǔ)的簡易施工流程如圖5～圖10所示。

圖5 錨栓可更換基礎(chǔ)的墊層開挖

圖6 錨栓可更換基礎(chǔ)的墊層澆筑

圖7 錨栓可更換基礎(chǔ)的地下室模板安裝

圖8 錨栓可更換基礎(chǔ)的錨栓籠安裝

圖9 錨栓可更換基礎(chǔ)的鋼筋安裝

圖10 錨栓可更換基礎(chǔ)的混凝土澆筑

2.2 錨栓可更換基礎(chǔ)的大體積混凝土施工

2.2.1 設(shè)計(jì)措施

1)混凝土的配比需合理。為了滿足風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)對混凝土性能的要求，采用低砂率、低坍落度、低水膠比及合理添加外加劑的混凝土制備方法，通過對比多次配比試驗(yàn)的結(jié)果，合理選用項(xiàng)目所需的混凝土配比，為保證混凝土的質(zhì)量提供有力的理論依據(jù)。

2)通過對基礎(chǔ)受力的分析，在地下室兩側(cè)及臺柱豎向區(qū)域合理布置構(gòu)造鋼筋，在保證基礎(chǔ)最小配筋率的情況下，增強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的工作性能。

2.2.2 原材料控制措施

1)盡量選用低熱或中熱水泥(如礦渣水泥、粉煤灰水泥)，或利用混凝土的后期強(qiáng)度(90 d～180 d) 以降低水泥用量，減少水化熱[5]。

2)適當(dāng)摻加粉煤灰。選用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的粉煤灰材料，按照混凝土配比的要求進(jìn)行添加，以提高混凝土的抗?jié)B性、耐久性及混凝土的抗拉強(qiáng)度等。

3)適當(dāng)選用混凝土外加劑。按照混凝土配比的設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)格按國家標(biāo)準(zhǔn)采購質(zhì)量合格的外加劑，并在混凝土的制備中對外加劑進(jìn)行合理添加，按照相應(yīng)的混凝土制備工藝進(jìn)行生產(chǎn)，以改善混凝土的工作性能。

4)為提高混凝土的抗拉承載力，在混凝土中加入螺旋形聚乙烯醇纖維，該纖維斷裂強(qiáng)度大于1450 MPa[6]，摻量為 0.9 kg/m3。

2.2.3 溫度控制措施

混凝土裂縫對混凝土的溫度及溫度變化極其敏感。在施工過程中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，有針對性地制定合理的混凝土澆筑施工方案，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求在相應(yīng)部位埋設(shè)測溫儀。在風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的混凝土澆筑過程中，應(yīng)注意保護(hù)測溫儀；混凝土澆筑完畢后，按照澆筑方案的要求，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，對混凝土進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)。按照混凝土施工方案的要求，定時(shí)定點(diǎn)地對測溫儀所測溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并記錄；并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，有針對性地對混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

2.3 施工關(guān)鍵點(diǎn)控制

相對于常規(guī)錨栓基礎(chǔ)，錨栓可更換基礎(chǔ)的施工有以下兩點(diǎn)需要重點(diǎn)控制。

2.3.1 基礎(chǔ)中空腔的施工

針對錨栓可更換基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為形成中空腔的結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)混凝土的澆筑需分3次進(jìn)行：

1)基坑開挖完成后，進(jìn)行基礎(chǔ)墊層混凝土的澆筑；

2)基礎(chǔ)地下室鋼筋、模板安裝完成后，進(jìn)行地下室混凝土的澆筑；

3)基礎(chǔ)主體錨栓籠、鋼筋、模板安裝完成后，進(jìn)行主體混凝土的澆筑。

基礎(chǔ)中空腔采取定制化設(shè)計(jì)模板支撐體系，并對模板支撐方案進(jìn)行計(jì)算校核及報(bào)批。施工過程中，需嚴(yán)格按照方案的要求進(jìn)行模板支撐體系的搭設(shè)，支撐體系的驗(yàn)收按照施工方案及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，驗(yàn)收通過方可進(jìn)入下一道工序的施工?；A(chǔ)混凝土澆筑順序如圖11所示。

圖11 錨栓可更換基礎(chǔ)混凝土澆筑順序

2.3.2 基礎(chǔ)地下室的通風(fēng)換氣及防水施工

設(shè)置基礎(chǔ)地下室，是為便于檢修人員對錨栓進(jìn)行更換及維護(hù)?？紤]到進(jìn)入地下室人員的安全，需保證地下室與外界的通風(fēng)換氣，應(yīng)在基礎(chǔ)中預(yù)埋管道。預(yù)埋管道的埋設(shè)，應(yīng)嚴(yán)格按照圖紙所示的位置及數(shù)量進(jìn)行施工?？紤]到基礎(chǔ)地下室及主體混凝土澆筑分2次進(jìn)行，施工過程中，按照圖紙要求埋設(shè)兩道遇水膨脹止水帶，并在基礎(chǔ)施工完畢后，對地下室側(cè)壁與主體結(jié)構(gòu)的交界面進(jìn)行表面的防水處理，以確保在極端工況下地下水無法滲透進(jìn)入基礎(chǔ)地下室。布置圖如圖12所示。

圖12 錨栓可更換基礎(chǔ)防水及通風(fēng)換氣管道布置圖

3 工程量對比分析

表1和表2分別對常規(guī)錨栓基礎(chǔ)的工程量和錨栓可更換基礎(chǔ)的工程量進(jìn)行了對比。

表1 常規(guī)錨栓基礎(chǔ)工程量

表2 錨栓可更換基礎(chǔ)的工程量

通過對常規(guī)錨栓基礎(chǔ)與錨栓可更換基礎(chǔ)的工程量進(jìn)行對比分析可知，錨栓可更換基礎(chǔ)在實(shí)現(xiàn)錨栓可更換功能的同時(shí)，工程量相比于常規(guī)基礎(chǔ)并無較大增加?？梢?，該錨栓可更換基礎(chǔ)的實(shí)際推廣具有一定優(yōu)勢。

4 結(jié)語

在鋼筋混凝土基礎(chǔ)中埋設(shè)基礎(chǔ)環(huán)連接風(fēng)力發(fā)電塔與基礎(chǔ)時(shí)，基礎(chǔ)環(huán)隔離其內(nèi)外鋼筋混凝土，導(dǎo)致兩者結(jié)合性弱，整體受力差。與傳統(tǒng)的基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)相比，錨栓可更換風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)有如下優(yōu)勢：

1)采用預(yù)應(yīng)力錨栓式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)形式，基礎(chǔ)整體性好、剛度均勻，基礎(chǔ)混凝土抗疲勞性能更好。

2)目前的預(yù)應(yīng)力錨栓式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)，錨栓若斷裂或銹蝕嚴(yán)重，不能更換，給風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行留下較大安全隱患。鋼筋混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)壽命為50年[7]，而風(fēng)電機(jī)組和地錨籠的疲勞壽命為20年，風(fēng)電機(jī)組和地錨籠達(dá)到疲勞壽命后，若能更換錨栓，就能重復(fù)利用原有鋼筋混凝土基礎(chǔ)。采用錨栓可更換風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)，可從根本上解決選用預(yù)應(yīng)力錨栓式風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的后顧之憂。

3)錨栓可更換風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)有中空地下室，便于工作人員對預(yù)應(yīng)力錨栓組件進(jìn)行檢修和更換工作，解決了以往預(yù)應(yīng)力錨栓組件在基礎(chǔ)澆筑完成后難以檢修或更換的問題，為風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的安全、穩(wěn)定提供了有力保障。