浅析风电机组基础开裂及高流动高聚物在基础维护中的使用

摘要：风电机组在运行过程中，由于基础环受到塔筒传递的复杂的交变载荷，以及风机偏航振动等方面的影响，风机基础混凝土与基础法兰之间出现间隙，雨水浸入缝隙之后，通过“呼吸”作用使基础内部混凝土流失而出现空腔，基础会出现倾斜、压溃等情况。

关键词：风电机组;基础;开裂;高聚物灌浆;流动性

引言

我国风电装机规模不断扩大，随着大型风电场的运行年限的增加，风电场机组基础因振动、止水层破坏等原因造成的基础翻浆、开裂现象逐渐普遍，本文就实际案例的处置及风机基础维护方面做简要探讨。

1.案例研究

某风电场投产于2013年，装机容量100MW，单机容量2MW。风电场投产至今，有2台机组基础出现严重的基础混凝土压溃、开裂现象，其他机组不同程度出现翻浆现象（如图1所示）。

经过实地勘察，基础环外部混凝土部分，在水平表面敲击有空鼓现象，并且是围绕基础环一周均有，越靠近基础环空鼓深度越深;基础环与混凝土平台结合处均出现不同程度翻浆现象，基础环混凝土平台结合处均出现4㎜左右间隙。

2.风机运行是载荷传递分析

风机运行时塔筒传递至基础的荷载非常复杂，一般有竖向荷载、横向荷载、弯矩等。谢冰冰[8]等研究了风机在启停时在风向方向前后摆振的情况，如图2所示。

此时塔筒传递给基础的荷载对基础的冲击作用是很大的，基础环周边混凝土必然会受到不均匀的径向应力从而导致应力集中，极有可能使混凝土压碎、破裂，继而产生裂缝，如图3所示。

3.非均匀受力的探讨

对于非均匀的径向压力，目前没有明确的分布曲线，常用一些函数曲线近似表示荷载分布规律的不均匀性，如采用倍角余弦曲线的非均匀径向压力分布[5]，或采用单角正弦函数分布等，参考上述研究，谢冰冰等[8]结合风机基础的受力情况，提出基础环周边非均匀的径向压力的分布形式如式（1） 及图3所示。

2q = q0 （1+ kcosθ）2 （1）

式（1） 中： q0 表示不均匀径向压力的最小点处的压力;k ∈ （0，1）表示风机摆振程度，摆振幅值越大 k值越大;θ ∈[0，2π]。

4.风振效应在风机基础上的载荷作用分析

王军[10]等针对风电机组的受荷条件和振型分析，基于Davenport 脉动风速谱水平风荷载Pd作用，又考虑塔筒-基础动力相互作用，分析基础-土体结构的载荷分布如图5所示。

式中：H为轮毂至基础顶面的高度，D为塔筒直径，G为上部结构自重， 为上部结构的弹性参数。

基于王军等的计算公式，结合风电场机组实际工况，通过仿真（图6、图7）可以看出，在出现基础空洞、基础混凝土在局部区域有严重的应力集中效应，这种效应会加剧混凝土基础在运行中的恶化，形成恶性循环。

5.初步原因分析

5.1机组驱动、非驱动方向的震动

机组在运行过程中，因受风力的影响，出现驱动方向和非驱动方向的震动，机组振动幅度在机舱位置最大，塔筒会产生一定的挠度，但受到的力会通过塔筒最终传导到基础环，基础环受到纵向传导的驱动与非驱动方向振动，会导致基础环与混凝土出現一定的间隙。

5.2机组偏航低频振动

该风电场机组偏航过程中，会带压力（俗称抱闸）偏航，抱闸偏航过程中，偏航摩擦片与偏航大齿圈之间会产生低频高幅值振动波，振动波会通过塔筒纵向导向到基础环，导致基础环与混凝土之间逐渐出现裂隙，基础平台混凝土也因该低频振动而逐渐损坏，国内曾出现过多起因偏航振动过大而导致基础损坏的案例。

5.3雨水浸入

基础环的摆动使底法兰侧面与混凝土产生相对“错动”，破坏了止水层，当基础环与平台混凝土之间出现裂隙时，在下雨天会有雨水逐渐浸入，浸入基础的雨水会逐渐堆积在其缝隙内，首先浸泡与之接触部分的混凝土，使混凝土逐渐失效，在“呼吸”作用下，粗糙的混凝土被研磨成细小颗粒，在雨水中形成泥浆，在“呼吸”作用下被挤出裂缝;其次，浸入基础内的雨水在一些狭小的空间内积聚后，因塔筒的摆动，而使其在狭小空间内受到极大的压迫力，雨水通过传导这种压迫力，进一步腐蚀混凝土，从而形成恶性循环，逐步扩大基础的损坏程度。

6.基础开裂环氧树脂灌浆处理

6.1基础纠偏

基础出现开裂之后，由于基础内部出现空腔，因此可能出现基础倾斜，在基础进行灌浆处理前应进行基础纠偏。基础纠偏时，可在基础内放置液压千斤顶顶起基础法兰（如图8所示），实现基础纠偏，然后再钻孔注浆。

6.2高聚物注浆

对于大型混凝土结构修复，业内有比较成熟的方案。一般选用对基础混凝土内部空腔进行注浆处理。注浆步骤可分为孔位布置、钻孔、埋管、灌前检查、化学灌浆、表面恢复等几个步骤。高聚物注浆技术的基本原理是按一定配比，向病害处治区内注射多组高聚物流体材料，材料迅速发生反应后，体积急剧膨胀并固化，达到快速填充固化、加固结构、防渗堵漏的目的。

一般情况下，材料采用“非水反应高聚物”，采用A、B双组份按特定比例混合而成，48小时凝固抗压强度不小于60Mp，2小时强度达到70%以上。

7.高聚物流动性探讨

在风机基础出现压溃、开裂的情况下，一般需要紧急修复。高聚物注浆修复对时限要求、强度要求就较为迫切、严格，因此在修复时一般会在基础上钻孔注浆，孔径一般为30㎜～40㎜，注射压力一般为0.5Mp左右，靠流体自身的流动性和毛细血管作用是无法注满空腔的。紧急修复时使用的高聚物基本指标如下（表1）：

通常紧急抢修时使用的高聚物有KD-506、KD-798、KD-508等多种环氧树脂，因其初始粘度较大，流动性差，所以才需带压灌注;由于流动性差、粘度大、固化时间短，所以可操作时间也非常短，具体对比如下表（表2）。

8.高聚物在风机基础混凝土年度维护方面的使用探讨

风机基础混凝土出现裂纹、止水层损坏后，如果不及时处理，缺陷持续扩展，基础失去自持力，塔筒晃动摆幅增加，塔筒承受破坏性的载荷，可能发生异常倾斜甚至倾倒;基础环和混凝土之间发生边界腐蚀，腐蚀将严重损伤基础环强度;基础环和混凝土的分离部位埋深一般都贯穿到了基础环下部T型法兰处，进行修复的难度较大、费用较高、修复周期长，缺陷严重时，风机将无法运行，造成严重经济损失。

为了避免风机基础混凝土出现严重龟裂、止水损坏等情况，可利用高流动性高聚物进行年度维护。高流动性高聚物与紧急维修时的高聚物相比较，流动性要大很多，但凝固时间较长，一般可操作时间会长达770分钟。因其灌注基本靠高聚物自身的流动性和毛细血管效应，因此其粘度非常低。根据某厂商送检材料，国家建筑材料试验中心试验的结果，其初始粘度只有10 mPa·s，而在完全硬化后其抗压强度也接近70MPa，符合风机基础环混凝土强度要求。

从经济方面对比，基础混凝土紧急处理周期一般为8-10天，每台处理费用从20万元人民币-80万元人民币不等;如果使用高流动性高聚物，固化时间为24小时左右，每台维护成本约2000元-4000元不等，极大地节约了成本，因此运行时间3年以上的风电场可考虑将基础混凝土维护纳入年度维护范围。

9.结论

（1）风机基础混凝土在风机运行时，受到复杂的交变载荷作用，而因混凝土与基础环因弹性模量不一致，使其结合处防水、止水层出现破损;防水、止水层破坏后，混凝土因水的冲刷，以及“呼吸”作用而流失，基础内部形成空腔。

（2）一般性高聚物灌浆修复方案，能满足基础混凝土强度要求，但成本较高、修复周长较长。

（3）为防止基础环出现严重的压溃、空腔等情况，基础混凝土以及防水、止水层因纳入年度维护范围内，可用比较经济的高流动性高聚物进行年度维护。

参考文獻：

[1]《混凝土结构加固设计规范》（GB50367-2013）

[2]《陆上风电场工程风机组基础设计规范》（NB/T 10311-2019）.

[3]汪宏伟.风机基础环松动原因分析和注浆加固[J].中国安全生产科学技术，2016，12（ 3） ： 104-107.

[4]刘梅梅，杨敏.风力机基础环与混凝土间相互作用研究[J].太阳能学报，2017，38（ 7） ： 1973-1978.

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[6]侯彭翔.采矿设计手册（ 3） 井巷工程卷[M].北京： 中国建筑工业出版社，1989.

[7]水电水利规划设计总院.风电机组地基基础设计： FD 003—2007[S].北京： 水电水利规划设计总院，2007.

[8]谢冰冰，袁凌，王小虎，张林中，宁红超.  风电机组基础环周边混凝土受力机理分析及基础加固 科学技术与工程，2021，21（ 20） ： 08592 -08

[9]刘俊. 浅谈基础环式风电机组基础裂缝产生的原因及修复措施， 第八届中国风电后市场交流合作大会论文集

[10]王军，曾宪桃，刘杰，梁桥. 风振响应风电机组基础-土体结构蠕变稳定分析， 自然灾害学报，2019.6，第28卷第三期

作者简介：张峰峰（1983年），男，工程师，风电场安全及生产运行管理。