山地风电基础土岩组合稳定性与施工技术研究

刘刚伟

（中国安能集团第一工程局有限公司，广西 南宁 530028）

0 引言

作为可再生能源，风力由于具有清洁无污染以及可再生优点，因此得到广泛关注，风机机组自重大，结构高度高并且常年经受较大的水平风荷载作用[1]，使风机基础承受的荷载既巨大又复杂，对基础的稳定性研究是保证风机正常运行的关键。由于修建在内陆山地上的风电场其地基持力层的深度在剖面上分布不均，且土体性质有较大差异，大部分基底揭示情况为土岩组合，因此针对这类情况进行稳定性复核，再结合施工技术保证风电场正常建设和运营。

1 工程概况

该项目为龙源宾阳陈平风电项目，位于广西省南宁市，其场地地貌特征为丘陵低山地形。规划装机容量为76.55MW，场内共计16 座机位，风机基础设计级别为甲级，结构安全等级定为一级，基础采用现浇混凝土结构，为圆形重力式扩展基础。项目场地土层情况为砂质黏性土与花岗岩的结合土层。

2 稳定性理论计算

2.1 荷载工况选择

由相关规范[2]可知，作用在风机的基础荷载可按类型分为永久、可变以及偶然荷载。该文将针对风机在正常使用状态下的工况对组合地基的基础稳定性进行验算，其中稳定性包括抗倾覆与抗滑移2 种情况。荷载组合形式按承载能力极限状态情况下的基本组合形式，各分项系数取值为1.0。该项目风机机型主要采用金风GWH171-5.3。其各项参数见表1。

表1 风机机组设备参数

参考设计图纸与地勘报告，通过系数为1.0 的承载能力极限状态情况下的基本组合计算，得到这次验算中各荷载的取值大小，见表2。

表2 正常使用状态下的工况荷载取值

2.2 基础抗倾覆稳定性验算

在计算工况下的风机基础抗倾覆稳定性验算如公式（1）~公式（3）所示。

式中：MS为抗倾覆设计值；MR为抗倾覆计算值；γ0为结构的重要性系数，此处取1.1，γd为结构系数，此处取1.6；hd为基础埋深，由设计图纸取3.4 m；R为风机基础的半径，由设计图纸取9.6 m。

联立公式（1）~公式（3），将表2 中的数据代入，其计算结果为49344 ＜146311，满足公式（1）的不等式条件，风机基础的抗倾覆稳定性通过验算。

2.3 基础抗滑稳定性验算

当风机机组处于土岩结合地基上时，在自重及外力作用下其基础与基底接触面、

土层与岩层的分界面都可能发生相对滑动，针对基础与基底接触面的情况，其抗滑稳定性验算如公式（4）~公式（5）所示。

式中：FS为滑移动力设计值；FR为滑移动力计算值；γ0为结构的重要性系数，此处取1.1，γd为结构系数，此处取1.3；e为偏心距，由设计图纸取3 m；f为基础与基底接触面的摩擦系数，由地勘报告取0.3 m。

联立公式（4）~公式（6），将表2 中的数据代入，其计算结果为622 ＜5627，满足公式（4）的不等式条件，风机基础的抗滑移稳定性通过验算。

2.4 基础稳定性评判

风机基础在正常使用状态下的工况，荷载组合形式按承载能力极限状态情况下的基本组合计算下基础的抗倾覆稳定性计算、基础与基底接触面的抗滑移稳定性计算均满足规范要求，在该情况下基础稳定性满足要求。

3 基础施工质量控制措施

3.1 基础混凝土钢筋质量控制

钢筋的制作与安装搭接应严格按照设计要求进行施工，钢筋制作完成后，对同一批次的钢筋应进行抽样调查，抽样件数不少于同一批次数量的3%且不少于3 件。在对多层钢筋进行绑扎固定的过程中，应在上下2 层之间用架立钢筋进行固定，防止两层钢筋间产生移位与变形。应对底层钢筋设置保护层，可采用混凝土块保持钢筋与基底的间距要求，面层钢筋使用高于浇筑混凝土标号的预制砼块或钢筋进行有效支撑。钢筋的间距与型号按设计图纸进行，并在浇筑前对钢筋进行检查，所有的基础钢筋均不应接触基础锚栓，有不满足规范要求的应及时返工调整。

3.2 基础混凝土模板质量控制

在模板安装过程中应对高程与平面进行复测与校核，控制偏差不超过规范允许值，模板应具有一定的刚度与韧性，该项目模板采用定制的钢模板进行施工。模板在安装前，应检查模板是否发生变形以及尺寸是否有偏差，对底部两侧模板的采用预埋的钢管进行固定，模板间的连接使用法兰，固定使用销钉，为防止振捣过程中产生漏浆、跑浆现象，在法兰与钢模之间用止浆棉条对缝隙处进行封堵。对预埋部件的布置应按照要求进行[3]。

基础混凝土浇筑完成后达到设计强度时才能进行模板拆除工作，拆模过程中应注意不要对混凝土产生损坏，先拆除非承重模板再拆除承重模板，在拆除的过程中应按顺序进行作业，尽量不破坏模板，应该注意模板的存放及使用，尽量延长模板的使用寿命。拆除后应及时对现场进行清理，拆除后的模板应由专人进行保管存放。

3.3 基础混凝土浇筑与温控措施

基础混凝土的浇筑质量对结构的安全性影响巨大，同时由于基础混凝土属于大体积混凝土，在浇筑工序与混凝土裂缝的控制方面是一个难点，因此须针对浇筑作业以及浇筑温度进行改进。

3.3.1 基础混凝土浇筑

风机基础混凝土属于大体积混凝土，在浇筑时应分层进行，每层浇筑的混凝土高度宜在30 cm~35 cm，应分层振捣并进行抹平收光。振捣时应配置足够的振捣棒，遵循快插慢拔的作业原则，振捣顺序为先点后面，保证振捣均匀。振捣过程中的移动距离应控制在振捣棒作用有效半径的1.5 倍内[4]，一般取值在300 mm~400 mm。为控制分层浇筑时上下两层间接缝可能出现泌水现象，在振捣上层混凝土的过程中应插入下层混凝土面的50 mm 以下，两层之间不会形成施工冷缝。振捣时应避开模板、钢筋以及预留预埋的零部件，当对预留预埋的零部件周围进行振捣时应排除浇筑过程中混入的气体，当振捣棒无法满足要求时应采用人工捣固的方法进行密实。

浇筑完混凝土后应对外表面进行抹面收光工序，将平板震动器在混凝土表面进行振捣，使表面未被振捣器振捣入混凝土的粗骨料进入混凝土内，避免产生蜂窝麻面，并将表面振出浮浆。在基础混凝土初凝前，使用长条形合金尺进行表面刮平，再使用木抹条进行打平。进行初次操作后，混凝土表面会沿钢筋放置的位置出现收水裂纹，此时进行第二遍收光工作，使用滚筒刷对裂纹出现位置进行滚压，再使用木抹条进行收光，使裂纹位置闭合。第三道抹平收光工序在基础混凝土终凝前进行，此时，钢筋位置可能会产生数道细小的裂纹，使用木抹条进行揉搓使裂纹闭合，最后再用铁制平板进行抹光处理。如果在抹平收光后混凝土表面仍然有肉眼可见的裂纹，应使用环氧树脂涂料对裂纹进行填充。

基础混凝土浇筑完成后应进行拆模养护，养护采用的水源应与浇筑时的拌合水一致，并配置专员开展养护工作，养护期内做好温度检测工作，并保证养护时间在14 天以上，强度达标后可进行基础回填作业。

3.3.2 基础混凝土温控措施

由于基础混凝土属于大体积混凝土，因此混凝土的内外温差如果过大极易造成混凝土产生裂缝，因此在混凝土的浇筑与养护过程中须采取有效措施控制混凝土的内外温差。

基础混凝土在底板浇筑过程中应安排人员埋设测温管[5]，测温管应与钢筋进行牢固绑扎，避免在浇筑过程中产生移动或遭到损坏的问题。测温管的位置应结合风机基础的尺寸进行细分，布置点位应不少于4 处且沿基础的轴线进行对称布置。同一平面上沿着基础的高度布置上、中、下三处温度传感器，其中最上面的点位主要是监测混凝土表面的温度，布置位置离混凝土表面的距离≤50mm，最下面的点位主要是监测混凝土底面的温度，位置控制在离混凝土底面50mm 以内。结合该工程，测温管共布置5处，测温点进行等距布置。其位置示意如图1 所示。

图1 测温管布置示意图

布置好测温管后，须安排专人对风机基础按要求进行内外温差记录，温度监测频率为在浇筑后的7 天内，每天测量次数应大于24 次，七天后频率按每天6~8 次进行监测，在浇筑时每班次测量浇筑时的温度应大于2 次[6]。

3.4 基础沉降监测措施

风机基础的沉降观测是重要的安全性保障手段，其检测时间应贯穿整个施工期与运营期，并因结合风电工程的实际情况布置水准点，调整观测频率。

3.4.1 水准点的布置方法

布置水准控制点应结合场地的地形和岩土性质，该项目为满足风机的沉降监测需求，由于每台风机相距均较远，对每台风机均设置2 个水准控制点，点位应离风机基础10 m以上，每台风机均应单独观测，沉降观测点应均匀分布在风机基础的平台上，用直径为22 mm 的三级钢进行预埋，并与风机基础的钢筋进行焊接或绑扎，使其与结构连为一体，该项目沉降观测点设为6 个，其位置布置示意图如图2 所示。

图2 沉降观测点布置示意图

3.4.2 监测频率及要求

监测过程中测量水准控制点到监测点之间的高差时，应控制两点距离在50 m 以内，前后的视距差值控制在1m 以内视线高度控制在0.55 m 以上，进行读数时两次读数的差值控制在0.4 mm 以内，读数精度至0.01 mm。对风机的沉降观测应按表3 进行。

表3 风机基础沉降观测频率表

3.5 基础与塔筒防水措施

基础混凝土与塔筒之间的防水质量对后期风机的使用寿命影响较大，结合该项目风机使用年限及防水要求，防水材料选用西卡（Sika）。该材料具有一定的柔韧性并且黏结力较强，还能再一定程度上防止开裂并且施工较为方便，能较好地应用在基础与塔筒间的防水部位。止水分为三道工序进行防水作业。1）通过密封条进行第一道止水工序，密封条布置在基础混凝土下50 mm 处，在防水作业前应对基础的外表面进行清洁，防止有油污和杂物影响密封条的粘结效果，在基础混凝土浇筑过程中应采取措施防止钢筋触碰到止水条的部位，如采用预制混凝土垫块对钢筋与密封条之间进行间隔作用。2）使用密封膏进行第二道止水工序，密封膏的位置在套筒底部与基础混凝土的接缝部位，并在塔筒完成安装后施作。应预留密封膏的凹槽，在基础混凝土浇筑前须在塔筒外边缘粘贴一道厚度为10 mm、宽度为20 mm 的橡胶条，该橡胶条应深入基础混凝土内20 mm，待基础混凝土完成浇筑后，清除该橡胶条，使密封膏的凹槽得以成型，并对凹槽处进行清洁，保持凹槽的洁净。当混凝土表面出现局部不平整或呈松散状态时，应使用铁刷进行处理，并使用泡沫棒进行填充，使断面平整。3）采用防水涂料与沥青防水膜进行第三道止水工序，在施工前同样需要保持基础混凝土与塔筒表面洁净，在施工防水涂料前，应对基础混凝土表面进行洒水润湿，保证有效地粘结，但需要控制水量不应有明显的水滴，防水涂料须经过低速搅拌器进行搅拌，与水按比例混合后进行涂刷作业，沥青防水膜的施工应等待防水涂料固化后才可以进行，一般等待时间在4h~8h。

4 结论

该文对丘陵山地地貌的风机基础工程进行研究，通过理论计算针对风机在正常使用状态下的工况对组合地基的基础稳定性进行验算，进行了抗倾覆与抗滑移验算后，得出基础稳定性满足要求的结论。同时针对基础施工中钢筋工程、模板工程、混凝土浇筑与养护工程、防水工程提出质量控制措施，保证基础的施工质量，也为以后风机上部结构的安装工作奠定基础。