西北地区强腐蚀条件下风机基础软弱地基处理及防腐研究

吕宏伟,邹武停

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

在“碳达峰、碳中和”目标加持下，风力发电作为新能源的排头兵，预计“十四五”期间年均新增5 800万kW，共新增装机约2.9亿kW。风电经过近十余年时间大规模发展，建设区域由地质条件较为优越的戈壁荒滩、草原扩展到黄土、丘陵、山地和滩涂，建设条件越趋复杂。在风电项目中风机基础投资虽然仅占10%左右，但其安全稳定直接关系上部塔架和风机的安全，一旦基础失稳，将造成非常严重的经济损失，因此风机基础对于风电场安全可靠运行至关重要。

中国西北地区作为我国最早开发风电的区域，早期的风电项目，建设条件较好，基础耐久性问题并不突出，有腐蚀影响的已建项目，腐蚀介质浓度及腐蚀程度均未超出规范中的相关限值，采取GB/T 50046-2018《工业建筑防腐蚀设计标准》[1]中单一措施即可处理。随着近年来风电项目开发范围的扩大，出现了强腐蚀、地下水埋深浅、冻胀和天然地基承载力低等多重不利因素叠加的复杂地质条件，对于这种地质条件下的风机基础软弱地基处理及防腐方案设计的新命题，现行规范中尚无相关规定可供借鉴，需要进行专门研究，以保障风机基础安全运行。

本文针对常规风机基础地基处理方法的优、缺点，以及钢筋混凝土结构腐蚀原因进行梳理总结，结合青海某风电工程项目，研究适用于强腐蚀条件下软基的基础处理方案，提出强腐蚀处理措施，可为类似地质条件的风电工程项目提供借鉴。

1 常用软弱地基处理方案

软弱地基处理方案的选择通常应根据地质条件、环境条件和上部结构对基础的要求，经技术经济分析后确定。对中国已建陆上风电项目进行梳理统计，得到国内风电场建设中常用风机基础软弱地基处理方案、各方案适用范围及优、缺点见表1。

2 钢筋混凝土腐蚀原因

(2) Cl-与钢筋中的铁发生电化学作用生成氯化亚铁，在有氧气与水的情况下，发生电化学反应生成氢氧化亚铁和无粘结性能的氢氧化铁，破坏混凝土中的钢筋强度，随着钢筋钝化及腐蚀产物的积累，钢筋体积可膨胀2～3倍，致使混凝土层开裂。

(3) 混凝土的冻融破坏，混凝土中游离水受冻结冰后体积膨胀，在混凝土内部产生应力，由于反复作用，内应力超过混凝土的抗拉强度致使混凝土破坏，为Cl-侵蚀形成了通道。

针对钢筋混凝土腐蚀原因，在进行基础防腐处理过程中需要考虑“外防内增”措施，既要阻断腐蚀介质侵入，还需提高混凝土强度；在选择软基地基处理方案时，须考虑强腐蚀特性，减小运行期基础腐蚀隐患。

3 案例分析

3.1 工程概况

本项目场址区地处青海省海西州东部，位于青藏高原北部，柴达木盆地南缘。属于山前平原戈壁地带，地形较为平缓，经测算风电装机规模约有400万kW。根据勘察，场址区稳定地下水位为-1.1～-4.0 m，水位埋藏较浅；土层结构以①1层粉土、①2粉砂、①3细砂、①4粉质黏土为主，天然地基土承载力小于120 kPa；地下水含盐量高，表部形成盐壳(见图1)；地基土按含盐量分类属弱盐渍土-超盐渍土，按含盐化学成分分类属亚氯盐渍土、氯盐渍土、亚硫酸盐渍土、硫酸盐渍土；地基土溶陷性轻微，局部中等，局部为弱盐胀性；地基土冻胀类别为弱冻胀-冻胀、冻胀等级为Ⅱ-Ⅲ级。地基土和地下水腐蚀性试验结果见表2和表3。

图1 场区地表盐壳

表2 地基土腐蚀性评价

表3 地下水腐蚀性评价

3.2 风机荷载

风机厂家提供的风机荷载见表4。

表4 塔筒底面载荷(不含安全系数)

3.3 基础处理方案比选

根据表1的归纳总结，考虑本项目地下水位较浅，且软弱土层厚度达20 m，为饱和粉质黏土地层，故换填法[5-6]和振冲碎石桩法[7-8]不适用。

对于桩基础[9-10]，在输电线路项目铁塔基础已建项目中，有采用混凝土灌注桩处理[11-12]，但通过调研发现灌注桩基础表面均出现不同程度裂缝、混凝土脱落和内部钢筋腐蚀现象[13]。目前风电项目采用大机组已成为趋势，风机荷载也随之变大，采用灌注桩基础，桩基在拔力作用下，会产生细小裂缝，从而加速桩基混凝土和钢筋的腐蚀，所以灌注桩基础不适用，根据规范可采用预制管桩基础。

刚性桩复合地基[14-16]结合了桩基础和碎石桩复合地基的优势，进行地基处理，能显著提高地基承载力且沉降小，所以本文对预制管桩基础和刚性桩复合地基进行比较。

3.3.1预制管桩基础

桩基础由基桩和连接于基桩桩顶的承台组成，上部结构的荷载通过承台传递给基桩。承台底面直径20 m，高3.5 m，布设PHC-600AB130桩48根，桩长18 m。桩基础平面、剖面见图2、3。根据NB/T 10311-2019《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》[17]计算结果见表5。

图2 桩基础平面 单位：mm

图3 桩基础剖面 单位：mm

表5 桩基础计算结果

3.3.2刚性桩复合地基

复合地基靠桩间土和桩共同承受压力，地基与基础之间铺设30 cm厚褥垫层。基础底面直径22.4 m，高4.0 m，基底布置PHC-600AB130桩78根，桩按等边三角形布置，桩间距3.0 m，桩长6.5 m。刚性桩复合地基平面、剖面见图4、5，计算结果见表6。

表6 扩展基础计算结果

图4 刚性桩复合地基平面 单位：mm

图5 刚性桩复合地基剖面 单位：mm

3.3.3工程量及投资比较

经计算，预制管桩基础和刚性复合桩基础均能满足规范要求的承载力、沉降、变形、基底脱开比例等指标要求。

从表7可见，刚性桩复合地基较预制管桩基础方案单台基础投资少10.1万元。

表7 两方案主要工程量和投资比较

3.3.4施工技术比较

采用预制管桩基础，会有以下几处隐患：

(1) 桩基和承台连接处需要进行特殊防水处理，处理不当会成为地下水腐蚀通道。

(2) 采用预应力管桩基础，需要进行接桩，接桩处是耐久性的薄弱环节。采用刚性桩复合地基，不会出现桩基础中桩基受拔、桩基与承台连接、预制管桩接桩等问题，可有效减少基础耐久性隐患。

综上所述，通过分析对比预制管桩基础和刚性复合桩基础经济性和安全性，本工程推荐采用刚性复合桩基础。

3.4 基础防腐措施

根据本项目强腐蚀特点，风机基础防腐参考GB/T 50476-2019《混凝土结构耐久性设计标准》[18]和GB/T 50046-2018《工业建筑防腐蚀设计标准》，混凝土防腐采用基本措施和特殊措施。

3.4.1基本措施

(1) 基础结构形式：基础型式应选择形式简单、便于施工、棱角较少、应力集中点较少的基础形式。因此，基础采用圆形扩展基础。

(2) 控制基础裂缝：首先在基础设计过程中，应尽量减小受拉区和拉应力，避免产生裂缝。其次，施工过程中应控制好入仓、浇筑中和拆模混凝土温度，防止温度应力引起裂缝；在施工过程中，应连续浇筑，防止出现冷缝，同时严格控制混凝土的密实性，不出现漏筋、空洞等现象；浇筑完成后及时养护。

(3) 高性能混凝土：高性能混凝土具有较好的自密实性、抗冻性、抗渗性、耐久性和强度较高，Cl-渗透性较普通混凝土要低，同时采用抗硫酸盐水泥，能最大限度地延长混凝土结构的使用年限。

(4) 混凝土垫层：合适的混凝土保护层厚度既可以提高基础施工寿命，延缓对钢筋的锈蚀，还可以防止因为混凝土材料自身收缩引起的保护层出现裂缝。按照NB/T 10311-2019《陆上风电场工程风电机组基础设计规范》四类环境条件下基础底部保护层厚度90 mm，顶面和侧面宜为50 mm。

(5) 刚性桩防腐：根据JGJ/T 406-2017《预应力混凝土管桩技术标准》[19]，强腐蚀以上地区管桩应采用AB级及以上型号，且最小壁厚≥95 mm，采用环氧沥青涂层防护桩身，本项目土层以细粒土为主，打桩过程中对涂层影响较小。

3.4.2特殊措施

在混凝土浇筑完成28 d后，表面涂刷环氧沥青涂层，涂刷厚度≥500 μm，风机基础防腐见图6。环氧沥青涂层相比聚氨酯沥青涂层，对混凝土表面具有更强的黏结力，能够有效抵抗酸、碱及其它各种腐蚀性介质的侵蚀，能长期在干湿交替、阴暗潮湿及浸水等恶劣环境中使用，要求Cl-穿过涂层的渗透量小于5×10-3mg/cm2d。

图6 风机基础防腐

基础混凝土采用添加钢筋阻锈剂，阻锈剂质量需要满足GB/T 50476-2019《混凝土结构耐久性设计标准》要求。

基础钢筋采用环氧涂层钢筋，环氧涂层钢筋见图7。环氧涂层钢筋制作所采用的材料和加工工艺应符合JG/T 502-2016《环氧树脂涂层钢筋》[20]的有关规定。

图7 环氧涂层钢筋

4 结 论

(1) 根据风电场各种常用软弱地基处理方法的优、缺点和适用性，结合本项目强腐蚀性、天然地基承载力较低、地下水埋深浅和冻胀等多重不利因素复杂条件，提出了采用刚性桩复合地基方案，保证基础处理管桩处于纯受压状态，避免了桩基础在这种强腐蚀条件下的各种隐患，既能保证安全，又节省投资。

(2) 根据钢筋混凝土腐蚀原因，提出了基础形式采用圆形扩展基础，在设计过程中注意减小受拉区范围和拉应力，按照四类环境类别确定基础底面保护层厚度取90 mm，顶面和侧面50 mm，采用高性能混凝土，混凝土强度不低于C50，减小水胶比，不大于0.36，混凝土28 d龄期Cl-扩散系数不大于6×10-12m2/s ；在施工过程中应严格控制浇筑质量，基础外层涂刷防腐涂料不小于500 μm，使用抗硫酸盐水泥、添加阻锈剂、采用环氧涂层钢筋等多重措施，保证基础在超强腐蚀条件下安全运行。

5 结 语

随着风资源的不断开发，风电场地质条件也更为复杂，风机塔架又属于高耸结构，风电机组具有承受360°方向重复荷载和大偏心受力的特殊性，对地基基础的稳定性和变形要求较高。因此，复杂地质条件下的地基处理、防腐处理成为风电场建设过程中的重要一环，也是保证风电场建成后安全、高效运营的关键。本文结合青海某风电项目，分析了刚性桩复合地基在这种多重不利因素叠加情况下的优势，并对腐蚀介质浓度远高于规范标准的情况下，通过采取多重防腐措施达到提高基础耐久性的目的。目前本项目已安全运行2 a，根据定期监测，未出现腐蚀破坏现象。