某風電機組基礎(chǔ)沉降不均勻原因分析及處理

李曉博，姚玲玲，程 帥，舒 進，李 萌，蘭 昊，于博文

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安710054；2.西安益通熱工技術(shù)服務(wù)有限責任公司，陜西 西安710001）

0 引言

近年來我國風力發(fā)電行業(yè)經(jīng)歷了快速發(fā)展及裝機容量的迅速增加，截止到2019 年末，我國風電累計裝機容量已達到207 292 MW。隨著風電裝機容量的持續(xù)增長以及風電機組運行年限的增長，風電機組各系統(tǒng)、部件會發(fā)生一定程度的磨損、老化等現(xiàn)象，風電機組運行的安全性、穩(wěn)定性變得愈發(fā)重要［1-4］。

風電機組基礎(chǔ)除了承受著風機各系統(tǒng)、設(shè)備的自重之外，還承載著風力以及風機運行過程中產(chǎn)生的振動、晃動等持續(xù)性載荷，如果基礎(chǔ)由于沉降不均勻而發(fā)生傾斜，風電機組整體的重心將會發(fā)生偏移，導致基礎(chǔ)受力不均勻，同時各節(jié)塔筒連接處螺栓受力不均，嚴重時會導致塔筒法蘭連接螺栓發(fā)生斷裂甚至塔筒傾斜過度而倒塔［5-9］。因此，當觀測到風機基礎(chǔ)沉降不均勻量增大而影響到機組安全時，應(yīng)及時采取針對性的糾偏措施，阻止風機基礎(chǔ)沉降不均勻地發(fā)展［10-16］，確保風電機組的安全、穩(wěn)定運行。對基礎(chǔ)開展糾偏工作后，還應(yīng)結(jié)合持續(xù)的基礎(chǔ)沉降監(jiān)測工作，統(tǒng)計基礎(chǔ)沉降發(fā)展趨勢，直至基礎(chǔ)沉降區(qū)域穩(wěn)定，恢復正常范圍內(nèi)［17-19］。

1 基礎(chǔ)沉降觀測數(shù)據(jù)分析

某風電場位于山西省北部境內(nèi)，工程重要性等級為二級、中等復雜場地、地基等級為二級，地形為高山地，平均海拔約1 500 m，植被以草地、耕地為主。根據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)果，結(jié)合調(diào)查了解資料，場址范圍內(nèi)及其附近無巖溶土洞、崩塌、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)作用。風電場場址場地類別為I 類，場地土類型為堅硬場地土，全年日照充分，蒸發(fā)大。根據(jù)《GB/T 12897－2006國家一、二等水準測量規(guī)范》A.8，中國凍土極值深度等值線圖，場地最大凍土深度為1.5 m。根據(jù)《GB 50011-2001 建筑抗震設(shè)計規(guī)范》附錄A，該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計基本地震加速度值為0.1 g。該風電場12號風機于2011 年至2015 年期間共計開展9 次基礎(chǔ)沉降觀測。風機基礎(chǔ)沉降觀測中采用天寶DINI03 型（DSZ05）精密電子水準儀，采用1.5 m銦鋼水準標尺施測，其每1 km 往返差的標稱精度為±0.3 mm。12 號風機基礎(chǔ)沉降觀測點位于基礎(chǔ)平臺上（如圖1所示），G1、G2、G3、G4 4個觀測點均布于一個平面，形成的圓形弧度各為90°，J1為沉降觀測的基準點。基礎(chǔ)沉降觀測路線為J1-G1-G2-G3-G4-J1。

圖1 風機基礎(chǔ)沉降觀測點布置圖Fig.1 Layout of settlement observation points of foundation

通過對比前9 次基礎(chǔ)沉降觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該風機基礎(chǔ)沉降不均勻趨勢逐步增大，且累積沉降不均勻量達到了6.52 mm，超過了風電場風機運行規(guī)程中沉降不均勻量小于2 mm 限值的規(guī)定。為了進一步確認數(shù)據(jù)測量的準確性，掌握風機基礎(chǔ)的真實沉降情況，于1個月后開展了12號風機基礎(chǔ)沉降觀測復測工作。表1為12號風機10次基礎(chǔ)沉降觀測的數(shù)據(jù)。

12 號風機G1、G2、G3、G4 4 個基礎(chǔ)沉降觀測點的高程趨勢圖見圖2，由圖2 可知G1、G4 點沉降量最大，G2點沉降量較小，G3點高程升高。

12 號風機基礎(chǔ)沉降不均勻量變化趨勢如圖3 所示，由圖3 可知，從第7～9 次測量期間，風機基礎(chǔ)沉降不均勻量突然增加，累計不均勻沉降達到6.52 mm。

根據(jù)該風電場運行規(guī)程，風機基礎(chǔ)沉降不均勻量應(yīng)控制在2 mm范圍之內(nèi)，由第9次沉降觀測數(shù)據(jù)計算可知，12號風機基礎(chǔ)沉降不均勻量已達到6.52 mm，超過允許值的3倍，應(yīng)引起高度重視，及時分析基礎(chǔ)沉降不均勻的原因，并采取針對性的措施，以保證風機的安全、穩(wěn)定。

表1 12號風機基礎(chǔ)沉降觀測數(shù)據(jù)Table 1 Observation data of foundation settlement of wind turbine No.12

圖2 風機基礎(chǔ)沉降觀測點的高程趨勢圖Fig.2 Elevation trend diagram of settlement observation point of foundation

圖3 風機基礎(chǔ)沉降不均勻量變化趨勢圖Fig.3 Variation trend of uneven settlement of foundation

2 沉降不均勻原因分析

風機基礎(chǔ)在風機塔筒、機艙各系統(tǒng)設(shè)備的重力作用下，會產(chǎn)生一定的沉降，正常情況下基礎(chǔ)沉降是均勻的，或者不均勻量是微小的，當不均勻沉降量小于2 mm時，可認為風機基礎(chǔ)是安全的。當沉降不均勻量超過2 mm 時，風機基礎(chǔ)環(huán)的水平度也會增大，塔筒各段連接螺栓的受力就會發(fā)生變化，風機整機的重心就會逐漸偏移塔筒中心線，會進一步導致基礎(chǔ)沉降較快的一側(cè)受力更大，會加快沉降不均勻的趨勢，不利于風機整機的安全性、穩(wěn)定性［20-27］。因此，在這種情況下，需要及時尋找導致基礎(chǔ)沉降不均勻的原因，并制定相應(yīng)的整改措施。

本次發(fā)生不均勻沉降的風機為運達1500/82機組，風機輪轂高度為70 m。查閱了12 號風機基礎(chǔ)設(shè)計及施工圖紙，如圖4～圖5為風機基礎(chǔ)的剖面圖和平面圖，風機基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土圓形擴展基礎(chǔ)，基礎(chǔ)混凝土強度等級為C35，墊層為C15，混凝土抗凍等級為F150。

圖4 風機基礎(chǔ)的剖面圖Fig.4 Section drawing of foundation

圖5 風機基礎(chǔ)的平面圖Fig.5 Plane drawing of foundation

查閱風電場12 號風機所屬工程巖土工程勘測報告，發(fā)現(xiàn)12號風機場址表層為1.8 m的強風化玄武巖，第二層為厚約1.9 m的棕紅色粘土，其下為強風化白云巖。12 號風機設(shè)計基礎(chǔ)埋深為3.15 m，因此風機基底之下與強風化白云巖之間存在厚約0.55 m 的棕紅色粘土。

現(xiàn)場勘查12號風機基礎(chǔ)表面情況，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)表面無明顯開裂、混凝土破損現(xiàn)象。但在風機基礎(chǔ)東側(cè)發(fā)現(xiàn)有一條施工便道（如圖6所示），經(jīng)調(diào)查，12號風機附近臨時新增某一施工項目，施工期間有多輛總重超過30 t 的重型貨車經(jīng)過，施工工期達到3 個月以上，對基礎(chǔ)進行碾壓，給基礎(chǔ)增加了額外載荷。

圖6 風機基礎(chǔ)東側(cè)的施工道路Fig.6 Construction road on the east side of fan foundation

根據(jù)以上情況，12號風機基礎(chǔ)東側(cè)新增了一條施工道路，重型貨車通過該道路的時間為2014 年10 月，即第8～9 次基礎(chǔ)沉降觀測的時間范圍內(nèi)，與風機基礎(chǔ)發(fā)生沉降不均勻的時間段高度吻合。風機基礎(chǔ)下方與強風化白云巖之間厚約0.55 m 的棕紅色粘土，由于土質(zhì)不均勻，在外力的作用下易產(chǎn)生基礎(chǔ)不均勻沉降。因此，分析導致12號風機基礎(chǔ)沉降不均勻的直接原因是由于基礎(chǔ)外部突然增加的載荷（重型車輛碾壓），間接原因是基礎(chǔ)下方存在厚約0.55 m 的棕紅色粘土，在地質(zhì)不均勻性和外部載荷長期累積作用下，導致風機基礎(chǔ)出現(xiàn)了不均勻沉降。

3 處理措施

風機基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降時，通常采取的糾偏方法主要有補樁法、堆載糾偏法、注漿法等方法［28-31］。

補樁法［32］主要是通過在風機基礎(chǔ)承臺周邊增加一圈均勻布置的灌注樁，該方法對原基礎(chǔ)的擾動較小，施工方便，在較短時間內(nèi)提高風機基礎(chǔ)薄弱側(cè)的承載力，缺點是增加灌注樁后將較大程度改變風機基礎(chǔ)的承載力分布。

堆載糾偏法［33］主要是通過在基礎(chǔ)承臺高程較高一側(cè)進行堆載重物，使基礎(chǔ)承臺兩側(cè)受力不均，從而糾正原先的基礎(chǔ)不均勻沉降，該方法風機基礎(chǔ)的干擾相對較小，且易于實施、經(jīng)濟合理，但糾偏效果需要短時間才能反映出來，同時堆載量及堆載時間須經(jīng)后續(xù)觀測配合。

注漿法［34］主要是通過鉆機鉆至承臺下，使用壓力泵通過鉆孔將水泥漿注入持力層樁尖位置，使樁尖飽和土與水泥固化成水泥土，該方法可有效提高預應(yīng)力樁的承載能力，但操作工藝較為復雜，成本較高。

經(jīng)過綜合評估，針對12號風機基礎(chǔ)沉降不均勻現(xiàn)象，本次選擇在風機基礎(chǔ)西側(cè)采用堆載沉降法進行糾偏。堆載重物位于距離塔筒重心6-8 m 位置的區(qū)域，如圖7所示，黑色區(qū)域為堆載重物的區(qū)域。

圖7 糾偏重物堆載區(qū)域Fig.7 Load area for stacking load deviation

對12號風機基礎(chǔ)進行堆載重物的具體方案為：第一次堆載大約20 t沙袋，3個月后，測量基礎(chǔ)沉降情況，不均勻量達到了6.13 mm。隨后增加了堆載重物的重量，總重大約50 t，半年之后測量基礎(chǔ)沉降情況，不均勻量達到了5.48 mm。隨后減少了堆載物的重量，保留約30 t 的重物在堆載區(qū)域，并密切關(guān)注基礎(chǔ)沉降發(fā)展趨勢。如圖8所示為對12號風機基礎(chǔ)采取堆重物糾偏措施后，開展的3 次基礎(chǔ)沉降觀測工作計算的基礎(chǔ)沉降不均勻量，從圖中可知，風機基礎(chǔ)沉降不均勻量呈逐漸回落趨勢，逐漸接近安全區(qū)域。當不均勻沉降量小于3 mm 之后，再逐步縮減堆載物的重量，直至風機基礎(chǔ)沉降不均勻量小于2 mm，沉降趨于穩(wěn)定之后，方可撤去堆載的重物。

圖8 風機基礎(chǔ)沉降不均勻量變化趨勢圖Fig.8 Variation trend of uneven settlement of foundation

4 結(jié)語

風電機組基礎(chǔ)的安全、穩(wěn)定是保證風電機組各系統(tǒng)、設(shè)備安全、穩(wěn)定運行的前提，發(fā)生基礎(chǔ)沉降不均勻時，應(yīng)及時進行糾偏處理，防止基礎(chǔ)沉降不均勻趨勢惡化而導致機組出現(xiàn)安全隱患。通過對12號風機基礎(chǔ)沉降不均勻現(xiàn)象進行分析、處理，得到：1）此次12號風機基礎(chǔ)沉降不均勻的主要原因是由于風機基礎(chǔ)表面受到外部載荷持續(xù)性作用導致，次要原因是風機基礎(chǔ)下有0.55 m厚度的易發(fā)生變形的粘土；2）由外部載荷作用于風機基礎(chǔ)表面而導致的基礎(chǔ)沉降不均勻可通過堆載沉降法進行糾偏，通過密切關(guān)注糾偏過程中的基礎(chǔ)沉降發(fā)展趨勢，及時增加或者減輕堆載的重量，可有效抑制基礎(chǔ)沉降不均勻的趨勢，使風機基礎(chǔ)沉降逐漸恢復正常水平。

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