风电机组基础施工过程中的冷缝处理措施分析

2013-12-18吕仁帅张艳丽章荣国周沈杰

风能 2013年5期

吕仁帅，张艳丽，章荣国，周沈杰

（1. 国华能源投资有限公司山东分公司，济南 250002；2. 上海电力设计院有限公司，上海 200023）

0 引言

随着《能源发展“十二五”规划》的实施，我国的风电产业步入了极速发展时期。在风电场的建设过程中，风电机组基础的设计和施工是一个非常重要的环节。风电场风电机组基础的特点是：支撑高耸结构物的独立基础，风电机组塔筒的高度一般在60m－100 m；其顶部装有较大垂向机组荷载达60t－90t；侧向又具有较大的风荷载作用。风电机组基础受力形式复杂[1-2]。

而风电机组基础多数属于大体积混凝土施工，施工冷缝不仅会降低混凝土的强度、抗冻性，对混凝土的抗渗性和耐久性影响尤为严重。大体积混凝土施工冷缝问题研究是大体积混凝土施工的核心问题，尤其是在具有反复循环荷载作用下的大体积混凝土工程中。

1 工程概况

1.1 工程设计条件

工程场址位于低山丘陵地区，风电场单机容量为1500 kW，轮毂高度为80m，叶片直径为100m，风电机组荷载较大（荷载工况见表1），地基基础设计级别为1级[3-4]。

拟建场址区勘测深度内揭露地层主要为花岗片麻岩，局部地表分布有第四系耕植土。根据岩土勘测报告，进行描述如下：

(1)全风化花岗片麻岩，风化强烈，裂隙发育，长石基本风化成高岭石，岩芯呈砂状、土状、碎块状，顶部分布40cm耕植土。地基土承载力特征值fak=260kPa。

(2)层强风化花岗片麻岩，颜色为棕黄或红褐色，风化裂隙较发育，该层未穿透，地基土承载力特征值fak=610kPa。场地土工程性质好，力学强度高，无特殊性土层，为良好的基础持力层。

1.2 风电机组基础形式

根据工程建设情况，天然地基能满足上部荷载要求，可采用天然地基，以①层全风化花岗片麻岩做风电机组基础的持力层。风电机组基础由上、中、下三部分组成，上部为直径6.5m、高1.1m的圆柱；中部为底直径17.0m、高1.1m的圆台；下部为直径17.0m、高1.0m的圆柱体。基础总高度为3.2m，埋深3.1m。基础尺寸如图1所示。

1.3 施工过程中遇到的问题

在施工过程中，暴雨造成搅拌站停电，造成某台风电机组基础混凝土浇筑工作不能完成施工。现场风电机组基础内钢筋已绑扎完毕，已浇筑完成混凝土厚度约43cm，施工单位在混凝土初凝前已补充φ18－φ32插筋共约93根，长70cm，外露40cm，如图2所示。

表1 1500kW风电机组塔底荷载工况

由于风电机组基础未连续浇捣完成，形成了全断面的施工冷缝，混凝土施工缝在交变荷载作用下，其粘结力一般只能达到正常浇筑时的50%左右。由于风电机组基础承受的是360°方向的振动荷载，而一般情况下风电机组在整个寿命周期约有107次循环荷载作用。因此，对施工缝强度影响很大。同时，根据试验单位提供的钻芯报告，实验取芯位置比较单一，而且混凝土达到养护要求之后的两次实验结果差距很大。实验没有对整个风电机组基础采取无损检测手段，所以这些实验结果也无法反映这台风电机组基础整体的施工质量与混凝土真实的强度。

由于现场情况限制，工程重新征地困难，加之施工工期紧张，项目业主方希望利用原有风电机组基础，以节约工程造价及工期。

2 风电机组基础施工冷缝危害性分析

在施工中，由于种种原因，混凝土需要分层浇筑，形成施工冷缝，新老混凝土界面间结合力一般较弱。因此，很容易在界面处产生贯穿性裂缝。基础贯穿裂缝的危害性最大，它不但引起应力的重新分布，改变结构的受力条件，而且使结构的整体性、稳定性、渗透性、耐久性都受到严重的影响。更糟糕的是，导致混凝土内部的受力钢筋裸露在外，加速其腐蚀，严重时可导致整个结构坍塌[5-6]。

本工程中的风电机组基础在运行阶段承受的是360°方向的振动荷载，而一般情况下风电机组在整个寿命周期约有107次循环荷载作用。因此，对风电机组基础的强度要求很高。由于风电机组基础未连续浇捣完成，形成了全断面的施工冷缝。根据有关实验资料，混凝土施工缝在交变荷载作用下，其粘结力一般只能达到正常浇筑时的50%以下，对施工缝强度影响很大，两次浇筑后必然导致整体风电机组基础强度下降。另外，在前期混凝土浇筑过程中，由于受暴雨侵袭的影响，混凝土的水灰比会发生一定变化，整个振捣也受到一定影响，导致施工质量难以保证。这种施工质量的不稳定性也很难判断其对整个风电机组基础承受疲劳荷载时的影响程度[7-8]。

3 修补方案选择

3.1 方案比较

根据现场这台风电机组基础的实际浇筑的情况，结合专业检测机构的检测报告，以及风电机组投产运行后的特点，有两种处理方案。第一种方案是废弃已浇筑三分之一多的基础，重新浇筑一个基础，并拆除部分已绑扎完成的钢筋加以利用；第二种方案即对已部分浇筑的这台风电机组基础进行加固处理后按正常使用。

若采用第一种方案，产生的主要损失为风电机组基础土石方开挖、基础垫层、约150m3混凝土、约30t钢筋以及相应的施工费用，按现行的造价水平约损失30万元。

若采用第二种方案，对已浇筑约三分之一多的基础进行加固处理。首先对已浇筑的表面进行清洗处理并在浇筑前增加粘着剂，另外尚需对裸露在自然环境下的锈蚀钢筋进行清洗处理，增加C40混凝土约86m3，增加钢筋约10.5t，合计加固基础费用约15万元左右。从经济上比较，采取基础加固的方案较废弃原基础进行重建的方案为优，能节约一定的投资，减少损失。

3.2 最终方案

根据业主提供的钻芯报告，实验取芯位置比较单一，而且在混凝土达到养护要求之后的两次实验结果差距很大。同时，实验没有对整个风电机组基础采取无损检测手段。所以，这些实验结果也无法反映这台风电机组基础整体的施工质量与混凝土真实的强度。

由于风电机组基础未连续浇捣完成，形成了全断面的施工冷缝，不能简单地使用表面修补法[5]。灌浆、嵌缝封堵法适用于有防渗要求的混凝土裂缝的修补，也不适合本工程。

通过综合考虑，混凝土已浇捣厚度为300mm，施工方也及时地放置了较多的插筋，可以起到抗剪钢筋的作用。在业主、施工方、监理共同讨论后，提出的方案是在不改变台柱顶标高的前提下，加大混凝土结构的截面面积，风电机组基础棱台部分增厚300mm。这样，基础棱台部分总厚度从1000mm提高到了1300mm。同时，基础顶面新增放射筋。通过计算，这样的加固方案满足风电机组基础的受力要求，如图3所示。

在已浇筑混凝土表面继续浇筑混凝土前，应清除垃圾、水泥薄膜、表面上松动的沙石和软弱的混凝土层。同时，还应将表面凿毛，用水冲洗干净并充分润湿，一般润湿时间不宜少于24h，残留在混凝土表面的积水应消除。施工缝附近的钢筋回弯时，要注意不使混凝土受到松动和损坏。钢筋上的油污、水泥浆及浮锈等杂物也应清除。浇筑前，在施工缝表面浇筑一层10mm－15mm厚的水泥砂浆做结合层，砂浆强度等级应高于原风电机组基础混凝土强度等级[9-10]。

4 总结

风电机组基础作为支撑风电机组的独立基础，其受力形式复杂，风电机组基础在承受交替循环荷载的作用时容易引起疲劳破坏。风电机组基础在混凝土浇筑施工过程中要求一次浇筑完毕，一般是不允许出现贯通的施工冷缝。在施工过程中由于不可抗力引起混凝土不能按预定方案一次性浇筑完毕形成施工冷缝的，应结合工程的具体情况选择合适的处理方案。施工冷缝的处理方案一般应遵循以下几个原则：

（1）施工过程中一旦出现施工冷缝，应在已浇筑混凝土没有初凝前布置插筋，插筋的直径宜与基础的主筋直径相同，插入深度和露出长度应能达到锚固长度，以便以后采取补救措施。

（2）施工冷缝处理前应对已浇筑的基础进行现场取样和无损检测，以便对整个浇筑施工质量有全面的了解。

（3）施工冷缝处理方案应进行经济技术比较，选择安全、可靠、经济的处理方案，经处理后的风电机组基础应能满足风电机组荷载对基础产生的强度和变形的要求，尤其是疲劳荷载效应。