山地风电场风机基础-地基相互作用机理及加固技术研究

1. 引言

在全球能源结构调整和环境保护需求日益增长的背景下，风能作为一种清洁、可再生的能源，受到了广泛关注。山地风电场凭借其丰富的风能资源，成为风电开发的重要领域。风机基础作为风电机组的重要组成部分，承担着将风电机组的荷载传递到地基的重要任务。然而，山地地形复杂、地质条件多变，风机基础与地基的相互作用机理复杂，容易出现各种问题，影响风机的安全稳定运行。因此，深入研究山地风电场风机基础-地基相互作用机理及加固技术具有重要的现实意义。

2. 山地风电场风机基础-地基相互作用机理

2.1 相互作用的基本概念

风机基础与地基的相互作用是一个复杂的力学过程。风机基础作为连接风机与地基的关键结构，在风荷载、自重等多种外力作用下，承担着将荷载有效传递至地基的重要任务。同时，地基会对基础产生反作用力，这种相互作用并非简单的荷载传递与反力支撑，而是一个相互影响、相互制约的动态平衡过程。

风机基础在风荷载作用下会产生弯矩、剪力和轴力等内力，这些内力通过基础与地基的接触面传递给地基。地基在承受荷载的过程中会发生变形，其变形特性又会反过来影响基础的受力状态[1]。这种相互作用不仅决定了风机基础的受力状态和变形特性，还对地基的稳定性和承载能力产生深远影响。如果相互作用关系处理不当，可能会导致基础沉降过大、倾斜甚至破坏，进而影响风机的正常运行和安全。

2.2 相互作用的影响因素

（1）地质条件：地质条件是影响风机基础-地基相互作用的关键因素之一。不同类型的地基具有不同的物理力学性质。岩石地基通常具有较高的强度和稳定性，能够承受较大的荷载，但其不均匀性和各向异性可能会导致基础受力不均匀，增加基础倾斜和开裂的风险。土质地基的强度和稳定性相对较低，容易发生变形和沉降。软土地基在荷载作用下可能会产生较大的沉降，甚至出现液化现象，严重影响基础的稳定性[2]。

（2）基础形式：风机基础的形式多种多样，每种基础形式都有其独特的受力特点和变形特性。重力式基础依靠自身重量抵抗倾覆和滑移，对地基的压力分布较为均匀，适用于地质条件较好的场地。扩展基础通过扩大基础的底面积来减小地基的压应力，适用于承载力较低的地基。桩基础通过桩身将荷载传递到深层地基，能够有效地减小基础的沉降，适用于软土地基或对沉降要求较高的场地。不同的基础形式对地基的应力分布和变形影响不同，因此在选择基础形式时需要充分考虑地质条件和工程要求。

（3）风荷载特性：风荷载是风机基础-地基相互作用的主要动力荷载，其大小、方向和作用时间具有随机性和不确定性。风荷载的大小和方向会随着风速、风向和风轮转速的变化而变化，对风机基础和地基产生动态的激励作用。强风作用下，风机基础会受到较大的水平力和弯矩，导致基础和地基产生振动和变形。

2.3 相互作用的表现形式

（1）基础沉降：在风机荷载作用下，地基会发生压缩变形，导致基础产生沉降。过大的沉降会影响风机的正常运行，如导致风机叶片与塔筒的间隙变化，增加碰撞风险；还可能会影响风机的对中精度，降低发电效率。严重的情况下，过大的沉降甚至会导致风机倒塌，造成严重的安全事故。

（2）基础倾斜：由于地基的不均匀沉降或风荷载的不对称作用，基础可能会发生倾斜。基础倾斜会改变风机的受力状态，增加风机的应力水平，使风机结构承受额外的弯矩和剪力，降低风机的使用寿命。同时，基础倾斜还会影响风机的垂直度，影响风机的发电性能。

（3）基础裂缝：在风机荷载和地基反力的共同作用下，基础内部会产生应力集中。当应力超过混凝土的抗拉强度时，基础就会出现裂缝。基础裂缝会降低基础的承载能力和耐久性，水分和有害物质可能会通过裂缝进入基础内部，加速钢筋的锈蚀，进一步影响基础的安全性。

3. 山地风电场风机基础常见问题及原因分析

3.1 基础环位置混凝土表面破裂

在山地风电场中，风机基础环位置混凝土表面存在局部破裂问题，裂缝呈现不规律特征。这主要是由于基础环与混凝土基础是应力载荷的集中位置，且在风机主方向上载荷水平更高，因此对于基础结构的牢固度影响更大。同时，在风机运行过程中风载荷为反复作用，基础内部与混凝土接触区域的风载荷磨损作用较为严重，导致了风机基础出现表面材料破裂或裂缝问题。

3.2 基础环位置水泥浆堆积与积水

基础环位置存在水泥浆，塔筒内部基础环周边有大量水泥浆堆积，厚度水平 2cm～3cm ，同时存在积水。外部降水进入裂缝后，会在基础环位置形成积水，而水泥浆的堆积可能是由于施工过程中混凝土的浇筑和振捣不密实，导致水泥浆从混凝土中渗出。

3.3 监测数据异常

通过监测设备的检测结果来看，重力加速度数值变化不规律，异常跳动特征明显。尽管风机依然处于有效安全运行条件之下，但基础结构已经表现出一定的稳定性隐患问题。

4. 山地风电场风机基础加固技术

4.1 防水处理

为防止缝面密封胶老化失效，在混凝土表面基础环内、外侧增加一道防水措施，采用SBS改性沥青防水卷材进行防水处理。这样可以有效阻止外部水分进入基础内部，减少因水分侵蚀导致的混凝土劣化和钢筋锈蚀等问题。

4.2 钢筋笼加固

对于基础结构存在松动或承载能力不足的情况，可以采用钢筋笼加固技术。将原基础表层回填土开挖，至露出原混凝土基础，敲碎原基础的表层混凝土至露出第三层外圈环形筋为止，如有必要则需继续向下破坏。编制基础加固钢筋笼，主要由φ12 上中下面环形钢筋、 430mm 高 15mm 厚钢板组环、中间用 20mm 厚筋板加固，φ25 钢筋与原有钢筋相连。加固基础钢筋笼与基础环和原基础钢筋笼焊接牢靠后可进行C40 混凝土浇筑，在浇筑过程中必须满足混凝土厂家提供预制混凝土运输单、混凝土开盘报告书等要求，采用直接倾倒方式慢速进行以免混凝土浆和砂石分离，同时还需要使用振捣泵进行振捣以保证混凝土填充密实[3]。

4.3 基础补强灌浆

对于基础裂缝和局部破损部位，可以采用基础补强灌浆技术。首先对裂缝和破损部位进行清理和修复，然后采用高强度灌浆材料进行灌浆处理。灌浆材料应具有良好的流动性、粘结性和耐久性，能够有效地填充裂缝和破损部位，提高基础的承载能力和整体性。

5. 结论

本文聚焦于山地风电场风机基础与地基相互作用这一关键科学问题，展开了系统且深入的探究。研究过程中，不仅剖析了影响二者相互作用的核心因素及其具体表现形式，还针对山地风电场风机基础在实际运行中暴露出的常见问题，提出了切实可行的加固技术方案。然而，当前研究仍存在诸多不足，亟待进一步探索。未来研究应充分利用现场监测数据，结合先进的数值模拟方法，深入挖掘风机基础-地基相互作用的动力特性及长期性能演变规律，为山地风电场的设计、施工及后期维护提供更为科学、精准的理论支撑。

参考文献

[1]屈江昆,高富文.山地风电筏板基础施工技术与质量控制[J].价值工程,2024,43(32):162-165.

[2]张效广.区域地质构造对高海拔山地风电场建设的影响[J].水电与新能源,2024,38(09):56-58

[3]肖欣,王志强,刘嘉晨.复杂山地风电工程建设管控要点与关键技术[J].水电与新能源,2024,38(10):1-4