某風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)破壞機(jī)理分析

趙 斌，肖亞萌，劉 艷

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

甘肅省風(fēng)能資源豐富，截止2019年底已建風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)規(guī)模1297萬(wàn)kW，單機(jī)容量從最小的0.3MW到最大的5.0MW，總約8千多臺(tái)。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與塔筒連接大部分采用基礎(chǔ)環(huán)埋入方式。隨著裝機(jī)臺(tái)數(shù)增多，外部環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)連接部位暴露出來(lái)的問(wèn)題也越來(lái)越多[1- 2]。

甘肅省某山地風(fēng)電場(chǎng)安裝100臺(tái)單機(jī)容量為2.0MW的風(fēng)機(jī)，2015年全部建成運(yùn)行。運(yùn)行不到3a，在運(yùn)行中風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)異常情況陸續(xù)出現(xiàn)，共計(jì)4臺(tái)風(fēng)機(jī)。按照嚴(yán)重程度可歸納為兩類。Ⅰ類(1#)：基礎(chǔ)環(huán)晃動(dòng)嚴(yán)重，幅度達(dá)20mm。泛灰現(xiàn)象明顯，基礎(chǔ)環(huán)與混凝土連接部位的密封材料被擠出，止水失效。Ⅱ類(2#、3#、4#)：風(fēng)機(jī)晃動(dòng)輕微，泛灰不明顯，此類主要是在1#風(fēng)機(jī)運(yùn)行報(bào)警后全場(chǎng)巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)的。初步判斷為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與基礎(chǔ)環(huán)之間連接出現(xiàn)問(wèn)題。

由于基礎(chǔ)環(huán)式方案存在錨固深度淺，基礎(chǔ)環(huán)與混凝土連接部位剛度突變等自身問(wèn)題，加之近年來(lái)與之相關(guān)的工程問(wèn)題多有發(fā)生，對(duì)該方案的質(zhì)疑之聲不斷[3- 6]。本文依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)成果，利用有限元分析軟件，對(duì)基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，分析其破壞機(jī)理，尋求致使基礎(chǔ)環(huán)式方案出現(xiàn)問(wèn)題的主要因素，并提出相應(yīng)加固處理方案。

1 風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)情況

本風(fēng)電場(chǎng)采用2.0MW低溫型直驅(qū)機(jī)組，輪轂中心高度85m，風(fēng)輪直徑106m。按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[7]，風(fēng)機(jī)等級(jí)設(shè)計(jì)取決于風(fēng)速和湍流參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，運(yùn)行期內(nèi)全場(chǎng)湍流強(qiáng)度、最大風(fēng)速并未超過(guò)設(shè)計(jì)值。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各風(fēng)機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)尺寸、外觀表現(xiàn)、基礎(chǔ)環(huán)水平度測(cè)量等，及對(duì)兩類風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)各選取1臺(tái)(1#和4#)進(jìn)行混凝土鉆孔取樣鑒定，鉆孔緊貼基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)豎直鉆入，孔徑73mm，到基礎(chǔ)環(huán)下法蘭下部止，混凝土樣芯如圖1所示。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，基礎(chǔ)環(huán)出露高度、基礎(chǔ)環(huán)水平度均不滿足設(shè)計(jì)要求，具體檢測(cè)及取樣情況見(jiàn)表1。按觀測(cè)資料，運(yùn)行期基礎(chǔ)沉降已基本穩(wěn)定，且上部回填土完好，可以排除地基沉降的因素。未發(fā)現(xiàn)混凝土有明顯開(kāi)裂現(xiàn)象，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)性未破壞。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土樣芯缺陷情況(左1#，右4#)

2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)有限元分析

由于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是鋼混組合結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)環(huán)連接部位構(gòu)造更為復(fù)雜，為驗(yàn)證風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的合理性，尋求異常問(wèn)題的導(dǎo)致因素，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行有限元模擬計(jì)算分析[8]。在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)有限元模型中建立基礎(chǔ)混凝土、基礎(chǔ)環(huán)和加載環(huán)模型，混凝土采用塑性

表1 異常風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)檢測(cè)情況匯總表

損傷模型，基礎(chǔ)環(huán)鋼材采用Vos Mises屈服準(zhǔn)則，混凝土與基礎(chǔ)環(huán)之間考慮接觸作用[9]。計(jì)算采取擬靜力方法，主要計(jì)算極端荷載作用下基礎(chǔ)環(huán)和基礎(chǔ)混凝土的受力情況[10]。

2.1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用圓形擴(kuò)展式，底板直徑18m、高1.0m，頂部圓柱直徑7.0m、高1.2m，總高3.7m，混凝土標(biāo)號(hào)為C35。風(fēng)機(jī)塔筒與基礎(chǔ)采用基礎(chǔ)環(huán)連接。基礎(chǔ)環(huán)采用Q345鋼材，直徑4400mm，高度2150mm，埋入混凝土1550mm，出露600mm。壁厚40mm。設(shè)上下法蘭，下法蘭厚度80mm。

2.2 正常狀態(tài)分析

2.2.1基礎(chǔ)環(huán)受力分析

在荷載作用下，基礎(chǔ)混凝土和基礎(chǔ)環(huán)沿受力方向彎曲，兩者變形趨勢(shì)基本一致，如圖2所示。在變形過(guò)程中，基礎(chǔ)混凝土與基礎(chǔ)環(huán)之間產(chǎn)生一定裂隙。基礎(chǔ)環(huán)出露混凝土部分變形較大，進(jìn)入混凝土后下降，隨著埋深加大，趨于平緩?；A(chǔ)環(huán)Mises應(yīng)力云圖如圖3所示，基礎(chǔ)環(huán)應(yīng)力分布基本對(duì)稱，集中在彎矩作用方向，應(yīng)力最大值在基礎(chǔ)環(huán)剛出露混凝土的位置，為114.70MPa。

圖2 基礎(chǔ)混凝土及基礎(chǔ)環(huán)變形圖

圖3 基礎(chǔ)環(huán)Mises應(yīng)力云圖

2.2.2基礎(chǔ)混凝土受力分析

基礎(chǔ)混凝土應(yīng)力如圖4所示。Mises應(yīng)力集中分布在基礎(chǔ)圓臺(tái)及下部區(qū)域內(nèi)，都為壓應(yīng)力。圖4有兩個(gè)明顯的應(yīng)力集中區(qū)域，分別在荷載作用兩側(cè)：一部分位于基礎(chǔ)環(huán)下法蘭下部?jī)?nèi)側(cè)、最大值為8.20MPa，另一部分位于對(duì)側(cè)基礎(chǔ)環(huán)下法蘭上部外側(cè)、最大值為8.69MPa。

徑向應(yīng)力分布與Mises應(yīng)力相同，一側(cè)下法蘭上部為拉應(yīng)力、最大值為2.11MPa，下部為壓應(yīng)力、最大值為4.84MPa；對(duì)側(cè)下法蘭上部為壓應(yīng)力、最大值為10.03MPa，下部為拉應(yīng)力、最大值為2.02MPa。

圖4 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土應(yīng)力云圖

2.2.3小結(jié)

根據(jù)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)有限元計(jì)算分析結(jié)果，在極端荷載下，基礎(chǔ)環(huán)應(yīng)力遠(yuǎn)小于自身屈服強(qiáng)度315MPa，結(jié)構(gòu)安全性較高?；A(chǔ)混凝土也是處于安全狀態(tài)，雖在基礎(chǔ)環(huán)下法蘭下部和上部會(huì)有不同程度的應(yīng)力集中，但最大值也小于混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值23.4MPa。部分區(qū)域出現(xiàn)的拉應(yīng)力，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)已配置足夠的鋼筋來(lái)承擔(dān)。

2.3 非正常狀態(tài)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)資料及其他文獻(xiàn)分析[11- 12]，基礎(chǔ)環(huán)埋深不足和混凝土澆筑缺陷使得基礎(chǔ)混凝土對(duì)基礎(chǔ)環(huán)的嵌固能力不足[13]，是本項(xiàng)目導(dǎo)致異常的可能因素，分別對(duì)其進(jìn)行有限元分析。

2.3.1基礎(chǔ)環(huán)埋深影響分析

在前面模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同基礎(chǔ)環(huán)埋深對(duì)基礎(chǔ)應(yīng)力的影響分析?；A(chǔ)環(huán)埋深按原設(shè)計(jì)方案(1550mm)、實(shí)際出現(xiàn)的情況(1450mm)、可能存在的情況(1650mm、1750mm)考慮。根據(jù)前述分析，基礎(chǔ)環(huán)自身的結(jié)構(gòu)安全性高，后續(xù)重點(diǎn)對(duì)基礎(chǔ)環(huán)下法蘭附近混凝土的受力情況進(jìn)行分析。

不同基礎(chǔ)環(huán)埋深下基礎(chǔ)混凝土應(yīng)力變化如圖5所示，最大壓應(yīng)力采用Mises應(yīng)力值(下同)。隨著基礎(chǔ)環(huán)埋深減小，基礎(chǔ)混凝土最大壓應(yīng)力隨之減小、最大拉應(yīng)力隨之增大。在實(shí)際基礎(chǔ)環(huán)埋深下，最大壓應(yīng)力為8.22MPa，最大拉應(yīng)力為2.23MPa?；A(chǔ)環(huán)埋深變化與引起基礎(chǔ)混凝土應(yīng)力的變化幅度基本相當(dāng)，雖然基礎(chǔ)環(huán)埋深小于設(shè)計(jì)值，但由于其減小幅度不大，故對(duì)基礎(chǔ)混凝土應(yīng)力影響也不大。

圖5 不同基礎(chǔ)環(huán)埋深下混凝土最大應(yīng)力變化圖

2.3.2混凝土缺陷影響分析

混凝土鉆孔取樣表明基礎(chǔ)環(huán)下法蘭附近混凝土澆筑不密實(shí)，有孔洞?？紤]基礎(chǔ)環(huán)下法蘭的特殊結(jié)構(gòu)，其底部混凝土澆筑不密實(shí)的可能性更大，脫空情況將更嚴(yán)重。本次有限元計(jì)算分析中，考慮采用定義混凝土與基礎(chǔ)環(huán)下法蘭底部接觸面粘結(jié)失效的方式模擬混凝土缺陷。若將基礎(chǔ)環(huán)下法蘭底部混凝土全部脫空定義為失效率100%，按本次計(jì)算考慮脫空沒(méi)有、一般、較重、嚴(yán)重四級(jí)程度，分別用0%、20%、40%和60%的失效率(工況1—4)分別進(jìn)行計(jì)算，失效部位按接觸面均勻分布考慮。

不同工況下基礎(chǔ)混凝土應(yīng)力變化如圖6所示，隨著接觸面粘結(jié)失效率增加，基礎(chǔ)混凝土最大壓、拉應(yīng)力均隨之急劇增大。失效20%的工況下，基礎(chǔ)混凝土最大壓應(yīng)力為12.10MPa、最大拉應(yīng)力為2.67MPa；失效40%的工況下，最大壓應(yīng)力為16.78MPa、最大拉應(yīng)力為3.38MPa；失效60%的工況下，最大壓應(yīng)力為23.16MPa、最大拉應(yīng)力為4.26MPa，已逼近混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

圖6 不同工況下混凝土應(yīng)力變化圖

2.3.3小結(jié)

基礎(chǔ)環(huán)埋深不足和混凝土澆筑缺陷均對(duì)基礎(chǔ)混凝土應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生不利影響，混凝土澆筑缺陷的影響要更大一些。但由于兩者發(fā)生的程度不太嚴(yán)重，在計(jì)算分析中并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)引起混凝土直接破壞的情況。按接觸面粘結(jié)失效率對(duì)基礎(chǔ)混凝土應(yīng)力的影響趨勢(shì)判斷，隨著失效率的進(jìn)一步增加，混凝土最大應(yīng)力將會(huì)超過(guò)自身強(qiáng)度，發(fā)生破壞。而在運(yùn)行中基礎(chǔ)環(huán)側(cè)壁接觸面上混凝土?xí)M(jìn)一步磨損、產(chǎn)生縫隙，將會(huì)致使接觸失效進(jìn)一步擴(kuò)大。

3 破壞機(jī)理分析及處理方案擬定

3.1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)破壞機(jī)理分析

3.1.1初始產(chǎn)生

在風(fēng)機(jī)承受較大風(fēng)荷載時(shí)，基礎(chǔ)環(huán)下法蘭周圍混凝土出現(xiàn)應(yīng)力集中加大現(xiàn)象。若由于基礎(chǔ)環(huán)埋深不足或混凝土澆筑有缺陷，使基礎(chǔ)混凝土對(duì)基礎(chǔ)環(huán)的嵌固能力降低，引起基礎(chǔ)環(huán)振動(dòng)加大、混凝土應(yīng)力增大，進(jìn)而使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生縫隙和磨損。Ⅱ類風(fēng)機(jī)正處于此階段，此時(shí)風(fēng)機(jī)尚可正常運(yùn)行。

3.1.2進(jìn)一步發(fā)展

對(duì)比兩類風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)異常情況，可以看出問(wèn)題擴(kuò)大與止水破壞有直接關(guān)系。若風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與基礎(chǔ)環(huán)之間的止水存在缺陷，在基礎(chǔ)環(huán)的振動(dòng)下，止水很快失效，雨水進(jìn)入基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)環(huán)擠壓時(shí)帶出內(nèi)部磨損的混凝土粉塵，造成混凝土與基礎(chǔ)環(huán)之間縫隙不斷擴(kuò)大，基礎(chǔ)混凝土對(duì)基礎(chǔ)環(huán)嵌固能力不斷降低。進(jìn)一步導(dǎo)致基礎(chǔ)環(huán)振幅加大，周而復(fù)始，進(jìn)入惡性循環(huán)。最終混凝土應(yīng)力增大到超過(guò)自身強(qiáng)度，產(chǎn)生破壞?；A(chǔ)環(huán)水平度增大，也是基礎(chǔ)環(huán)振動(dòng)加劇的表現(xiàn)。Ⅰ類風(fēng)機(jī)正處于此階段。

3.1.3事故形成

若不及時(shí)采取措施，隨著問(wèn)題進(jìn)一步發(fā)展，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土對(duì)基礎(chǔ)環(huán)的嵌固能力越來(lái)越差，混凝土破壞范圍擴(kuò)大，上部荷載不能由基礎(chǔ)環(huán)傳遞給基礎(chǔ)，致使最終被拔出，從而發(fā)生倒塔事故。

3.2 處理方案

通過(guò)前面計(jì)算分析，雖然基礎(chǔ)環(huán)埋深不足、基礎(chǔ)混凝土澆筑有缺陷，但由于其程度不高，并不能直接導(dǎo)致事故發(fā)生，只是誘發(fā)因素。如Ⅱ類風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)所表現(xiàn)的，施工缺陷只是引起混凝土應(yīng)力增加、振動(dòng)加大，并沒(méi)有達(dá)到超自身強(qiáng)度而引起破壞的程度，只要阻止問(wèn)題擴(kuò)大即可。但Ⅰ類風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)已經(jīng)出現(xiàn)混凝土的破壞，因此需要徹底加固處理。根據(jù)不同情況，針對(duì)工程特性，參考類似情況[5]，擬定處理方案。

3.2.1Ⅰ類風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)

提高水平度。先采用偏航、千斤頂?shù)确绞綄?duì)基礎(chǔ)環(huán)進(jìn)行糾偏，使其水平度滿足要求。

進(jìn)行灌漿加固原基礎(chǔ)混凝土。在基礎(chǔ)環(huán)外側(cè)豎向及水平造孔，鉆孔至下法蘭下側(cè)破損混凝土為止，孔徑75mm，豎向14個(gè)，水平10個(gè)，水平孔兼做清灰孔；采用自重或低壓法灌注水泥基漿料，在灌注水泥基漿料時(shí)埋設(shè)注膠管，水泥基漿料灌注完成后再進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)脂漿料灌注，最后采用全孔灌漿法封孔[14]。在基礎(chǔ)環(huán)內(nèi)側(cè)斜向造孔，鉆孔至下法蘭底部，向外側(cè)傾斜10度，孔徑32mm，共10個(gè)；采用低壓灌注環(huán)氧樹(shù)脂漿料。灌漿材料均采用無(wú)收縮性材料。

加高混凝土，增加基礎(chǔ)環(huán)埋深。灌漿結(jié)束后，對(duì)基礎(chǔ)內(nèi)外混凝土表面進(jìn)行鑿毛，植筋，新澆筑混凝土，外側(cè)加高550mm，內(nèi)側(cè)加高260mm。

做好密封止水?；炷吝_(dá)到強(qiáng)度后，對(duì)基礎(chǔ)環(huán)與混凝土表面接觸部分進(jìn)行密封及止水加固處理。

3.2.2Ⅱ類風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)

對(duì)已經(jīng)鉆孔取樣的風(fēng)機(jī)，按Ⅰ類處理方案進(jìn)行。其余風(fēng)機(jī)考慮只是處于破壞的初始階段，并不影響正常使用。因此，只對(duì)基礎(chǔ)環(huán)與混凝土面接觸重新進(jìn)行密封及防水加固處理，防止問(wèn)題進(jìn)一步擴(kuò)大[15]。同時(shí)，加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)全場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)止水密封存在問(wèn)題的全部進(jìn)行加固處理。

按擬定方案，2018年陸續(xù)完成全場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)加固處理工作，通過(guò)一年多的運(yùn)行觀測(cè)，原來(lái)出現(xiàn)異常的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)運(yùn)行良好，未出現(xiàn)新的問(wèn)題。

4 結(jié)論

研究表明，基礎(chǔ)環(huán)式的設(shè)計(jì)方案是安全可靠的?；A(chǔ)環(huán)埋深不足和混凝土澆筑缺陷使得基礎(chǔ)混凝土對(duì)基礎(chǔ)環(huán)的嵌固能力降低，是基礎(chǔ)發(fā)生破壞的主要因素。通過(guò)增加基礎(chǔ)環(huán)的埋深和灌漿加固修復(fù)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的方案是可行的。今后設(shè)計(jì)中應(yīng)該適當(dāng)增加基礎(chǔ)環(huán)的埋深，在施工中一定要加強(qiáng)管控，提高施工質(zhì)量，降低事故發(fā)生的幾率。

隨著高輪轂、大葉片風(fēng)機(jī)大規(guī)模使用，風(fēng)機(jī)所承受的荷載也迅速增加，需要獲得更多的錨固力，這將帶來(lái)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)性等各方面的問(wèn)題，如何增加基礎(chǔ)環(huán)的嵌固能力是基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)面臨的新挑戰(zhàn)。