山地風(fēng)電基礎(chǔ)土巖組合穩(wěn)定性與施工技術(shù)研究

劉剛偉

（中國安能集團第一工程局有限公司，廣西 南寧 530028）

0 引言

作為可再生能源，風(fēng)力由于具有清潔無污染以及可再生優(yōu)點，因此得到廣泛關(guān)注，風(fēng)機機組自重大，結(jié)構(gòu)高度高并且常年經(jīng)受較大的水平風(fēng)荷載作用[1]，使風(fēng)機基礎(chǔ)承受的荷載既巨大又復(fù)雜，對基礎(chǔ)的穩(wěn)定性研究是保證風(fēng)機正常運行的關(guān)鍵。由于修建在內(nèi)陸山地上的風(fēng)電場其地基持力層的深度在剖面上分布不均，且土體性質(zhì)有較大差異，大部分基底揭示情況為土巖組合，因此針對這類情況進行穩(wěn)定性復(fù)核，再結(jié)合施工技術(shù)保證風(fēng)電場正常建設(shè)和運營。

1 工程概況

該項目為龍源賓陽陳平風(fēng)電項目，位于廣西省南寧市，其場地地貌特征為丘陵低山地形。規(guī)劃裝機容量為76.55MW，場內(nèi)共計16 座機位，風(fēng)機基礎(chǔ)設(shè)計級別為甲級，結(jié)構(gòu)安全等級定為一級，基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，為圓形重力式擴展基礎(chǔ)。項目場地土層情況為砂質(zhì)黏性土與花崗巖的結(jié)合土層。

2 穩(wěn)定性理論計算

2.1 荷載工況選擇

由相關(guān)規(guī)范[2]可知，作用在風(fēng)機的基礎(chǔ)荷載可按類型分為永久、可變以及偶然荷載。該文將針對風(fēng)機在正常使用狀態(tài)下的工況對組合地基的基礎(chǔ)穩(wěn)定性進行驗算，其中穩(wěn)定性包括抗傾覆與抗滑移2 種情況。荷載組合形式按承載能力極限狀態(tài)情況下的基本組合形式，各分項系數(shù)取值為1.0。該項目風(fēng)機機型主要采用金風(fēng)GWH171-5.3。其各項參數(shù)見表1。

表1 風(fēng)機機組設(shè)備參數(shù)

參考設(shè)計圖紙與地勘報告，通過系數(shù)為1.0 的承載能力極限狀態(tài)情況下的基本組合計算，得到這次驗算中各荷載的取值大小，見表2。

表2 正常使用狀態(tài)下的工況荷載取值

2.2 基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定性驗算

在計算工況下的風(fēng)機基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定性驗算如公式（1）~公式（3）所示。

式中：MS為抗傾覆設(shè)計值；MR為抗傾覆計算值；γ0為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，此處取1.1，γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，此處取1.6；hd為基礎(chǔ)埋深，由設(shè)計圖紙取3.4 m；R為風(fēng)機基礎(chǔ)的半徑，由設(shè)計圖紙取9.6 m。

聯(lián)立公式（1）~公式（3），將表2 中的數(shù)據(jù)代入，其計算結(jié)果為49344 ＜146311，滿足公式（1）的不等式條件，風(fēng)機基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定性通過驗算。

2.3 基礎(chǔ)抗滑穩(wěn)定性驗算

當(dāng)風(fēng)機機組處于土巖結(jié)合地基上時，在自重及外力作用下其基礎(chǔ)與基底接觸面、

土層與巖層的分界面都可能發(fā)生相對滑動，針對基礎(chǔ)與基底接觸面的情況，其抗滑穩(wěn)定性驗算如公式（4）~公式（5）所示。

式中：FS為滑移動力設(shè)計值；FR為滑移動力計算值；γ0為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)，此處取1.1，γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，此處取1.3；e為偏心距，由設(shè)計圖紙取3 m；f為基礎(chǔ)與基底接觸面的摩擦系數(shù)，由地勘報告取0.3 m。

聯(lián)立公式（4）~公式（6），將表2 中的數(shù)據(jù)代入，其計算結(jié)果為622 ＜5627，滿足公式（4）的不等式條件，風(fēng)機基礎(chǔ)的抗滑移穩(wěn)定性通過驗算。

2.4 基礎(chǔ)穩(wěn)定性評判

風(fēng)機基礎(chǔ)在正常使用狀態(tài)下的工況，荷載組合形式按承載能力極限狀態(tài)情況下的基本組合計算下基礎(chǔ)的抗傾覆穩(wěn)定性計算、基礎(chǔ)與基底接觸面的抗滑移穩(wěn)定性計算均滿足規(guī)范要求，在該情況下基礎(chǔ)穩(wěn)定性滿足要求。

3 基礎(chǔ)施工質(zhì)量控制措施

3.1 基礎(chǔ)混凝土鋼筋質(zhì)量控制

鋼筋的制作與安裝搭接應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計要求進行施工，鋼筋制作完成后，對同一批次的鋼筋應(yīng)進行抽樣調(diào)查，抽樣件數(shù)不少于同一批次數(shù)量的3%且不少于3 件。在對多層鋼筋進行綁扎固定的過程中，應(yīng)在上下2 層之間用架立鋼筋進行固定，防止兩層鋼筋間產(chǎn)生移位與變形。應(yīng)對底層鋼筋設(shè)置保護層，可采用混凝土塊保持鋼筋與基底的間距要求，面層鋼筋使用高于澆筑混凝土標(biāo)號的預(yù)制砼塊或鋼筋進行有效支撐。鋼筋的間距與型號按設(shè)計圖紙進行，并在澆筑前對鋼筋進行檢查，所有的基礎(chǔ)鋼筋均不應(yīng)接觸基礎(chǔ)錨栓，有不滿足規(guī)范要求的應(yīng)及時返工調(diào)整。

3.2 基礎(chǔ)混凝土模板質(zhì)量控制

在模板安裝過程中應(yīng)對高程與平面進行復(fù)測與校核，控制偏差不超過規(guī)范允許值，模板應(yīng)具有一定的剛度與韌性，該項目模板采用定制的鋼模板進行施工。模板在安裝前，應(yīng)檢查模板是否發(fā)生變形以及尺寸是否有偏差，對底部兩側(cè)模板的采用預(yù)埋的鋼管進行固定，模板間的連接使用法蘭，固定使用銷釘，為防止振搗過程中產(chǎn)生漏漿、跑漿現(xiàn)象，在法蘭與鋼模之間用止?jié){棉條對縫隙處進行封堵。對預(yù)埋部件的布置應(yīng)按照要求進行[3]。

基礎(chǔ)混凝土澆筑完成后達到設(shè)計強度時才能進行模板拆除工作，拆模過程中應(yīng)注意不要對混凝土產(chǎn)生損壞，先拆除非承重模板再拆除承重模板，在拆除的過程中應(yīng)按順序進行作業(yè)，盡量不破壞模板，應(yīng)該注意模板的存放及使用，盡量延長模板的使用壽命。拆除后應(yīng)及時對現(xiàn)場進行清理，拆除后的模板應(yīng)由專人進行保管存放。

3.3 基礎(chǔ)混凝土澆筑與溫控措施

基礎(chǔ)混凝土的澆筑質(zhì)量對結(jié)構(gòu)的安全性影響巨大，同時由于基礎(chǔ)混凝土屬于大體積混凝土，在澆筑工序與混凝土裂縫的控制方面是一個難點，因此須針對澆筑作業(yè)以及澆筑溫度進行改進。

3.3.1 基礎(chǔ)混凝土澆筑

風(fēng)機基礎(chǔ)混凝土屬于大體積混凝土，在澆筑時應(yīng)分層進行，每層澆筑的混凝土高度宜在30 cm~35 cm，應(yīng)分層振搗并進行抹平收光。振搗時應(yīng)配置足夠的振搗棒，遵循快插慢拔的作業(yè)原則，振搗順序為先點后面，保證振搗均勻。振搗過程中的移動距離應(yīng)控制在振搗棒作用有效半徑的1.5 倍內(nèi)[4]，一般取值在300 mm~400 mm。為控制分層澆筑時上下兩層間接縫可能出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，在振搗上層混凝土的過程中應(yīng)插入下層混凝土面的50 mm 以下，兩層之間不會形成施工冷縫。振搗時應(yīng)避開模板、鋼筋以及預(yù)留預(yù)埋的零部件，當(dāng)對預(yù)留預(yù)埋的零部件周圍進行振搗時應(yīng)排除澆筑過程中混入的氣體，當(dāng)振搗棒無法滿足要求時應(yīng)采用人工搗固的方法進行密實。

澆筑完混凝土后應(yīng)對外表面進行抹面收光工序，將平板震動器在混凝土表面進行振搗，使表面未被振搗器振搗入混凝土的粗骨料進入混凝土內(nèi)，避免產(chǎn)生蜂窩麻面，并將表面振出浮漿。在基礎(chǔ)混凝土初凝前，使用長條形合金尺進行表面刮平，再使用木抹條進行打平。進行初次操作后，混凝土表面會沿鋼筋放置的位置出現(xiàn)收水裂紋，此時進行第二遍收光工作，使用滾筒刷對裂紋出現(xiàn)位置進行滾壓，再使用木抹條進行收光，使裂紋位置閉合。第三道抹平收光工序在基礎(chǔ)混凝土終凝前進行，此時，鋼筋位置可能會產(chǎn)生數(shù)道細小的裂紋，使用木抹條進行揉搓使裂紋閉合，最后再用鐵制平板進行抹光處理。如果在抹平收光后混凝土表面仍然有肉眼可見的裂紋，應(yīng)使用環(huán)氧樹脂涂料對裂紋進行填充。

基礎(chǔ)混凝土澆筑完成后應(yīng)進行拆模養(yǎng)護，養(yǎng)護采用的水源應(yīng)與澆筑時的拌合水一致，并配置專員開展養(yǎng)護工作，養(yǎng)護期內(nèi)做好溫度檢測工作，并保證養(yǎng)護時間在14 天以上，強度達標(biāo)后可進行基礎(chǔ)回填作業(yè)。

3.3.2 基礎(chǔ)混凝土溫控措施

由于基礎(chǔ)混凝土屬于大體積混凝土，因此混凝土的內(nèi)外溫差如果過大極易造成混凝土產(chǎn)生裂縫，因此在混凝土的澆筑與養(yǎng)護過程中須采取有效措施控制混凝土的內(nèi)外溫差。

基礎(chǔ)混凝土在底板澆筑過程中應(yīng)安排人員埋設(shè)測溫管[5]，測溫管應(yīng)與鋼筋進行牢固綁扎，避免在澆筑過程中產(chǎn)生移動或遭到損壞的問題。測溫管的位置應(yīng)結(jié)合風(fēng)機基礎(chǔ)的尺寸進行細分，布置點位應(yīng)不少于4 處且沿基礎(chǔ)的軸線進行對稱布置。同一平面上沿著基礎(chǔ)的高度布置上、中、下三處溫度傳感器，其中最上面的點位主要是監(jiān)測混凝土表面的溫度，布置位置離混凝土表面的距離≤50mm，最下面的點位主要是監(jiān)測混凝土底面的溫度，位置控制在離混凝土底面50mm 以內(nèi)。結(jié)合該工程，測溫管共布置5處，測溫點進行等距布置。其位置示意如圖1 所示。

圖1 測溫管布置示意圖

布置好測溫管后，須安排專人對風(fēng)機基礎(chǔ)按要求進行內(nèi)外溫差記錄，溫度監(jiān)測頻率為在澆筑后的7 天內(nèi)，每天測量次數(shù)應(yīng)大于24 次，七天后頻率按每天6~8 次進行監(jiān)測，在澆筑時每班次測量澆筑時的溫度應(yīng)大于2 次[6]。

3.4 基礎(chǔ)沉降監(jiān)測措施

風(fēng)機基礎(chǔ)的沉降觀測是重要的安全性保障手段，其檢測時間應(yīng)貫穿整個施工期與運營期，并因結(jié)合風(fēng)電工程的實際情況布置水準(zhǔn)點，調(diào)整觀測頻率。

3.4.1 水準(zhǔn)點的布置方法

布置水準(zhǔn)控制點應(yīng)結(jié)合場地的地形和巖土性質(zhì)，該項目為滿足風(fēng)機的沉降監(jiān)測需求，由于每臺風(fēng)機相距均較遠，對每臺風(fēng)機均設(shè)置2 個水準(zhǔn)控制點，點位應(yīng)離風(fēng)機基礎(chǔ)10 m以上，每臺風(fēng)機均應(yīng)單獨觀測，沉降觀測點應(yīng)均勻分布在風(fēng)機基礎(chǔ)的平臺上，用直徑為22 mm 的三級鋼進行預(yù)埋，并與風(fēng)機基礎(chǔ)的鋼筋進行焊接或綁扎，使其與結(jié)構(gòu)連為一體，該項目沉降觀測點設(shè)為6 個，其位置布置示意圖如圖2 所示。

圖2 沉降觀測點布置示意圖

3.4.2 監(jiān)測頻率及要求

監(jiān)測過程中測量水準(zhǔn)控制點到監(jiān)測點之間的高差時，應(yīng)控制兩點距離在50 m 以內(nèi)，前后的視距差值控制在1m 以內(nèi)視線高度控制在0.55 m 以上，進行讀數(shù)時兩次讀數(shù)的差值控制在0.4 mm 以內(nèi)，讀數(shù)精度至0.01 mm。對風(fēng)機的沉降觀測應(yīng)按表3 進行。

表3 風(fēng)機基礎(chǔ)沉降觀測頻率表

3.5 基礎(chǔ)與塔筒防水措施

基礎(chǔ)混凝土與塔筒之間的防水質(zhì)量對后期風(fēng)機的使用壽命影響較大，結(jié)合該項目風(fēng)機使用年限及防水要求，防水材料選用西卡（Sika）。該材料具有一定的柔韌性并且黏結(jié)力較強，還能再一定程度上防止開裂并且施工較為方便，能較好地應(yīng)用在基礎(chǔ)與塔筒間的防水部位。止水分為三道工序進行防水作業(yè)。1）通過密封條進行第一道止水工序，密封條布置在基礎(chǔ)混凝土下50 mm 處，在防水作業(yè)前應(yīng)對基礎(chǔ)的外表面進行清潔，防止有油污和雜物影響密封條的粘結(jié)效果，在基礎(chǔ)混凝土澆筑過程中應(yīng)采取措施防止鋼筋觸碰到止水條的部位，如采用預(yù)制混凝土墊塊對鋼筋與密封條之間進行間隔作用。2）使用密封膏進行第二道止水工序，密封膏的位置在套筒底部與基礎(chǔ)混凝土的接縫部位，并在塔筒完成安裝后施作。應(yīng)預(yù)留密封膏的凹槽，在基礎(chǔ)混凝土澆筑前須在塔筒外邊緣粘貼一道厚度為10 mm、寬度為20 mm 的橡膠條，該橡膠條應(yīng)深入基礎(chǔ)混凝土內(nèi)20 mm，待基礎(chǔ)混凝土完成澆筑后，清除該橡膠條，使密封膏的凹槽得以成型，并對凹槽處進行清潔，保持凹槽的潔凈。當(dāng)混凝土表面出現(xiàn)局部不平整或呈松散狀態(tài)時，應(yīng)使用鐵刷進行處理，并使用泡沫棒進行填充，使斷面平整。3）采用防水涂料與瀝青防水膜進行第三道止水工序，在施工前同樣需要保持基礎(chǔ)混凝土與塔筒表面潔凈，在施工防水涂料前，應(yīng)對基礎(chǔ)混凝土表面進行灑水潤濕，保證有效地粘結(jié)，但需要控制水量不應(yīng)有明顯的水滴，防水涂料須經(jīng)過低速攪拌器進行攪拌，與水按比例混合后進行涂刷作業(yè)，瀝青防水膜的施工應(yīng)等待防水涂料固化后才可以進行，一般等待時間在4h~8h。

4 結(jié)論

該文對丘陵山地地貌的風(fēng)機基礎(chǔ)工程進行研究，通過理論計算針對風(fēng)機在正常使用狀態(tài)下的工況對組合地基的基礎(chǔ)穩(wěn)定性進行驗算，進行了抗傾覆與抗滑移驗算后，得出基礎(chǔ)穩(wěn)定性滿足要求的結(jié)論。同時針對基礎(chǔ)施工中鋼筋工程、模板工程、混凝土澆筑與養(yǎng)護工程、防水工程提出質(zhì)量控制措施，保證基礎(chǔ)的施工質(zhì)量，也為以后風(fēng)機上部結(jié)構(gòu)的安裝工作奠定基礎(chǔ)。