陆上风电机组基础开裂问题原因及处理方法分析

1 引言

基础是风电机组的运行的根基，基础工程的施工工艺、施工质量、运行情况直接影响到整个风电机组运行的安全性、经济性，从安全性来分析，基础部分的安全性对整个风力发电机组的运行安全起着决定性作用，基础一旦产生开裂、空腔、沉降、偏移、变形等不良现象，都将造成整个风机运行的安全隐患。

2 基本情况介绍

我国从 1985 年开始研制并网型风力发电机组至今，已走过 30 余年历程，在风力发电机组发展历程中从摸索走向成熟，从萌芽走向辉煌，风电机组也不乏各种问题缺陷存在，基础开裂也是其中问题之一，放眼整个风电行业，基础开裂问题已成为风电机组运行严重威胁。

3 原因分析

3.1 机组服役期间重复动荷载和大偏心受力导致基础损伤。

3.2 基础环与混凝土界面间缺乏足够的抗剪能力，荷载造成两者间界面分离。

3.3 脱粘向下扩展至椭圆形穿筋孔处，机组运行荷载将由穿环钢筋及孔内混凝土承担，穿环钢筋及该局部混凝土结构受拉破坏。

3.4 基础施工工艺不合格、施工过程质量差、施工材料不合格等导致混凝土强度不够，造成基础开裂等问题。

4 基础损伤过程

风机塔筒和基础运行期间始终承受着重复动荷载和大偏心作用力带来的疲劳荷载，基础环对混凝土的作用是反复的。基础环与混凝土界面间缺乏足够的抗剪能力，易造成两者间界面的脱开。此外，基础环下法兰处混凝土存在高应力集中，导致该局部混凝土受到反复挤压和收拉而破碎。 此类风机基础损伤过程如下：

4.1 第一步：机组服役期间，基础环下法兰载荷将部分力分解到基础环壁，破坏基础环与基础之间的黏结力，基础环与混凝土界面脱开（从顶面开始），形成初始裂缝。

4.2 第二步：随着风荷载长期作用，裂缝向下扩展的过程中，一旦深度越过穿筋孔时，孔内混凝土及钢筋开始受力（长期的剪切疲劳作用将导致穿环钢筋截面损失甚至疲劳受剪脆断，以及穿筋孔内混凝土破碎散落）。

5 基础开裂问题分析诊断方法

5.1 目视检查基础防水带表面是否存在裂纹、防水带脱落、开裂、鼓包等老化开裂情况；

5.2 目视检查基础内外混凝土表面是否存在裂纹、开裂等情况，记录裂纹的深度、长度、宽度等尺寸参数；

5.3 目视检查基础内外翻浆情况，确认翻浆严重程度；

5.4 基础环水平检查、测量：分别将风机机头按一个方向偏航，每45 度停留一次，至少偏航 360度以上，检查、测量风机基础环水平的变化情况，检查基础是否存在偏移、倾斜、下沉等情况；

6 基础修复载荷计算

6.1 标准加固单元受力计算

根据《风电机组地基基础设计规定》FD 003-2007 第 7.3.1 和 7.3.2 条规定，本设计基础结构安全等级为一级，结构重要性系数取 1.1；对于基本组合，荷载效应对结构不利时，永久荷载分项系数为1.2，可变荷载分项系数不小于 1.5。其中荷载工况中，M 和V 为可变荷载，N 为永久荷载。

为此，风机钢筒底部加固单元最不利应力计算公式为：

疲劳强度验算工况

6.2 栓钉群承载力验算

风机基础破拆后，在拟修补区域的基础环内外两侧布置 ф12 的栓钉，栓钉材料性能等级 4.6，每个计算加固单元拟单侧设 n 个，双侧共计 2n 个栓钉，各工况下承载力验算如下。

（1）单栓承载力计算

单栓面积：

混凝土强度为C35，其计算参数为：

根据《钢结构设计规范》GB50017-2017 第 11.4.1 条可知，一个圆柱头焊钉连接件的抗剪承载力设计值可按下式计算：

（2）栓钉群承载力验算

2n 个栓钉群总承载力为：

6.3 栓钉群疲劳强度验算

根据《钢结构设计规范》GB50017-2017，圆柱头焊钉连接件的剪应力幅的疲劳截止限值为[o=55N

2n 个栓钉群所需承受的疲劳荷载为：

ΔV=ΔV/2R

单个栓钉所受抗剪应力幅（考虑栓钉群折减系数 _0.7） ：

7 基础开裂问题修复措施

通过检查检测手段，确定基础开裂问题程度，基础问题程度分为轻微、一般及严重三种。

7.1 完成基础损伤程度轻微修复

对基础表面存在轻微裂缝、混凝土轻微挤压破损、防水撕裂破坏等缺陷进行修复处理，基础裂纹修复后，基础整体强度相当，防水效果达到无渗漏、无渗透；

7.2 完成基础损伤程度一般修复

对基础表面开裂严重、混凝土挤压破损程度一般、基础环与基础缝隙较大、塔筒内部基础渗水积水严重、轻微翻浆等缺陷进行修复处理，基础裂纹修复后，基础整体强度相当，复原度高，防水效果达到无渗漏、无渗透，机组运行良好、无缺陷、无反复；

7.3 完成基础损伤程度严重修复

对基础大量翻浆、基础环附近表面混凝土挤压破碎严重、基础空腔较大、塔筒倾斜、晃动、下沉等缺陷进行修复处理，基础缺陷修复后，防水效果达到无渗漏、无渗透，强度达到设计要求，机组经检查测试基础及塔筒无振动异常、下沉情况，基础水平度在设计范围内，通过修复，满足风电机组运行要求，消除风电机运行隐患。

7.4 现以陆上风电机组基础开裂严重问题为例，处理的具体措施及过程如下：

修复工艺流程：回填土开挖→确认通注浆孔位置→钻取灌浆孔→清洁空腔→空腔抽水干燥→水平度测量→人工纠偏→调配灌浆材料→基础表面凿除→基层清理及表面裂纹修复→焊接栓钉→植筋和支模板→防水施工→安装在线振动检测设备。

7.4.1 回填土开挖 50cm，便于基础侧壁取芯及基础加固施工作业；

7.4.2 确认通注浆孔位置，通过混凝土三维超声断层扫描检测确定灌浆孔位置（注：避免钻芯伤到基础钢架结构）；

8 结论

基础开裂问题通过修复后，修复效果明显，加固后满功率运行各项数据及基础状态正常。现场定期开展基础巡视工作观察机组运行情况，同时通过在线振动监测设备，每日对数据进行分析，保证设备安全持续运行。

9 建议

9.1 每月对风机基础进行排查，留存图片资料，开展对比、分析，做到基础变化、防水情况有迹可查。

9.2 每年开展塔筒垂直度、基础沉降观测，发现异常则加大观测频次，同时开展专项检测。

9.3 对可疑、塔筒晃幅偏大的机组安装塔筒健康在线监测系统，实现基础安全预警和健康管理。

参考文献

[1]GB 50367-2013，混凝土结构加固设计规范[S].[2]GB 50728-2011，工程结构加固材料应用安全性鉴定规范[S].[3]GB 50144-2019，工业建筑可靠性鉴定标准[S].[4]GB 50550-2010，建筑结构加固工程施工质量验收规范[S].[5]GB 50204-2011，混凝土结构工程施工质量验收规范[S].[6]GB 50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].[7]CECS 293：2011，房屋裂缝检测与处理技术规程[S].[8]JC/T 1041-2007，混凝土裂缝环氧树脂灌浆材料[S].[9]GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S].[10]JGJ 33-2012，建筑机械使用安全技术规程[S].[11]FD003-2007，风电机组地基基础设计规定（试行）[S].[12]GB 50017-2017，钢结构设计规范[S].作者简介：邹倦福（1990.04- ），男，省衡阳市祁东县，本科，中级工程师。