某风电场基础环式风机基础破坏机理分析

赵 斌，肖亚萌，刘 艳

(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

甘肃省风能资源丰富，截止2019年底已建风电场总装机规模1297万kW，单机容量从最小的0.3MW到最大的5.0MW，总约8千多台。风机基础与塔筒连接大部分采用基础环埋入方式。随着装机台数增多，外部环境越来越复杂，风机基础连接部位暴露出来的问题也越来越多[1- 2]。

甘肃省某山地风电场安装100台单机容量为2.0MW的风机，2015年全部建成运行。运行不到3a，在运行中风机基础异常情况陆续出现，共计4台风机。按照严重程度可归纳为两类。Ⅰ类(1#)：基础环晃动严重，幅度达20mm。泛灰现象明显，基础环与混凝土连接部位的密封材料被挤出，止水失效。Ⅱ类(2#、3#、4#)：风机晃动轻微，泛灰不明显，此类主要是在1#风机运行报警后全场巡查时发现的。初步判断为风机基础与基础环之间连接出现问题。

由于基础环式方案存在锚固深度浅，基础环与混凝土连接部位刚度突变等自身问题，加之近年来与之相关的工程问题多有发生，对该方案的质疑之声不断[3- 6]。本文依据现场检测成果，利用有限元分析软件，对基础环式风机基础进行计算，分析其破坏机理，寻求致使基础环式方案出现问题的主要因素，并提出相应加固处理方案。

1 风电场设计及现场情况

本风电场采用2.0MW低温型直驱机组，轮毂中心高度85m，风轮直径106m。按行业标准[7]，风机等级设计取决于风速和湍流参数。根据现场监测结果，运行期内全场湍流强度、最大风速并未超过设计值。

现场对各风机进行了结构尺寸、外观表现、基础环水平度测量等，及对两类风机基础各选取1台(1#和4#)进行混凝土钻孔取样鉴定，钻孔紧贴基础环外侧竖直钻入，孔径73mm，到基础环下法兰下部止，混凝土样芯如图1所示。

根据检测结果，基础环出露高度、基础环水平度均不满足设计要求，具体检测及取样情况见表1。按观测资料，运行期基础沉降已基本稳定，且上部回填土完好，可以排除地基沉降的因素。未发现混凝土有明显开裂现象，基础结构性未破坏。

图1 风机基础混凝土样芯缺陷情况(左1#，右4#)

2 风机基础有限元分析

由于风机基础是钢混组合结构，基础环连接部位构造更为复杂，为验证风机基础设计的合理性，寻求异常问题的导致因素，对风机基础进行有限元模拟计算分析[8]。在风机基础有限元模型中建立基础混凝土、基础环和加载环模型，混凝土采用塑性

表1 异常风机基础检测情况汇总表

损伤模型，基础环钢材采用Vos Mises屈服准则，混凝土与基础环之间考虑接触作用[9]。计算采取拟静力方法，主要计算极端荷载作用下基础环和基础混凝土的受力情况[10]。

2.1 风机基础形式

风机基础采用圆形扩展式，底板直径18m、高1.0m，顶部圆柱直径7.0m、高1.2m，总高3.7m，混凝土标号为C35。风机塔筒与基础采用基础环连接。基础环采用Q345钢材，直径4400mm，高度2150mm，埋入混凝土1550mm，出露600mm。壁厚40mm。设上下法兰，下法兰厚度80mm。

2.2 正常状态分析

2.2.1基础环受力分析

在荷载作用下，基础混凝土和基础环沿受力方向弯曲，两者变形趋势基本一致，如图2所示。在变形过程中，基础混凝土与基础环之间产生一定裂隙。基础环出露混凝土部分变形较大，进入混凝土后下降，随着埋深加大，趋于平缓。基础环Mises应力云图如图3所示，基础环应力分布基本对称，集中在弯矩作用方向，应力最大值在基础环刚出露混凝土的位置，为114.70MPa。

图2 基础混凝土及基础环变形图

图3 基础环Mises应力云图

2.2.2基础混凝土受力分析

基础混凝土应力如图4所示。Mises应力集中分布在基础圆台及下部区域内，都为压应力。图4有两个明显的应力集中区域，分别在荷载作用两侧：一部分位于基础环下法兰下部内侧、最大值为8.20MPa，另一部分位于对侧基础环下法兰上部外侧、最大值为8.69MPa。

径向应力分布与Mises应力相同，一侧下法兰上部为拉应力、最大值为2.11MPa，下部为压应力、最大值为4.84MPa；对侧下法兰上部为压应力、最大值为10.03MPa，下部为拉应力、最大值为2.02MPa。

图4 风机基础混凝土应力云图

2.2.3小结

根据风机基础有限元计算分析结果，在极端荷载下，基础环应力远小于自身屈服强度315MPa，结构安全性较高。基础混凝土也是处于安全状态，虽在基础环下法兰下部和上部会有不同程度的应力集中，但最大值也小于混凝土抗压强度标准值23.4MPa。部分区域出现的拉应力，基础设计时已配置足够的钢筋来承担。

2.3 非正常状态分析

根据现场检测资料及其他文献分析[11- 12]，基础环埋深不足和混凝土浇筑缺陷使得基础混凝土对基础环的嵌固能力不足[13]，是本项目导致异常的可能因素，分别对其进行有限元分析。

2.3.1基础环埋深影响分析

在前面模型的基础上，进行不同基础环埋深对基础应力的影响分析。基础环埋深按原设计方案(1550mm)、实际出现的情况(1450mm)、可能存在的情况(1650mm、1750mm)考虑。根据前述分析，基础环自身的结构安全性高，后续重点对基础环下法兰附近混凝土的受力情况进行分析。

不同基础环埋深下基础混凝土应力变化如图5所示，最大压应力采用Mises应力值(下同)。随着基础环埋深减小，基础混凝土最大压应力随之减小、最大拉应力随之增大。在实际基础环埋深下，最大压应力为8.22MPa，最大拉应力为2.23MPa。基础环埋深变化与引起基础混凝土应力的变化幅度基本相当，虽然基础环埋深小于设计值，但由于其减小幅度不大，故对基础混凝土应力影响也不大。

图5 不同基础环埋深下混凝土最大应力变化图

2.3.2混凝土缺陷影响分析

混凝土钻孔取样表明基础环下法兰附近混凝土浇筑不密实，有孔洞。考虑基础环下法兰的特殊结构，其底部混凝土浇筑不密实的可能性更大，脱空情况将更严重。本次有限元计算分析中，考虑采用定义混凝土与基础环下法兰底部接触面粘结失效的方式模拟混凝土缺陷。若将基础环下法兰底部混凝土全部脱空定义为失效率100%，按本次计算考虑脱空没有、一般、较重、严重四级程度，分别用0%、20%、40%和60%的失效率(工况1—4)分别进行计算，失效部位按接触面均匀分布考虑。

不同工况下基础混凝土应力变化如图6所示，随着接触面粘结失效率增加，基础混凝土最大压、拉应力均随之急剧增大。失效20%的工况下，基础混凝土最大压应力为12.10MPa、最大拉应力为2.67MPa；失效40%的工况下，最大压应力为16.78MPa、最大拉应力为3.38MPa；失效60%的工况下，最大压应力为23.16MPa、最大拉应力为4.26MPa，已逼近混凝土强度标准值。

图6 不同工况下混凝土应力变化图

2.3.3小结

基础环埋深不足和混凝土浇筑缺陷均对基础混凝土应力状态产生不利影响，混凝土浇筑缺陷的影响要更大一些。但由于两者发生的程度不太严重，在计算分析中并没有发现引起混凝土直接破坏的情况。按接触面粘结失效率对基础混凝土应力的影响趋势判断，随着失效率的进一步增加，混凝土最大应力将会超过自身强度，发生破坏。而在运行中基础环侧壁接触面上混凝土会进一步磨损、产生缝隙，将会致使接触失效进一步扩大。

3 破坏机理分析及处理方案拟定

3.1 风机基础破坏机理分析

3.1.1初始产生

在风机承受较大风荷载时，基础环下法兰周围混凝土出现应力集中加大现象。若由于基础环埋深不足或混凝土浇筑有缺陷，使基础混凝土对基础环的嵌固能力降低，引起基础环振动加大、混凝土应力增大，进而使混凝土内部产生缝隙和磨损。Ⅱ类风机正处于此阶段，此时风机尚可正常运行。

3.1.2进一步发展

对比两类风机基础异常情况，可以看出问题扩大与止水破坏有直接关系。若风机基础与基础环之间的止水存在缺陷，在基础环的振动下，止水很快失效，雨水进入基础，在基础环挤压时带出内部磨损的混凝土粉尘，造成混凝土与基础环之间缝隙不断扩大，基础混凝土对基础环嵌固能力不断降低。进一步导致基础环振幅加大，周而复始，进入恶性循环。最终混凝土应力增大到超过自身强度，产生破坏。基础环水平度增大，也是基础环振动加剧的表现。Ⅰ类风机正处于此阶段。

3.1.3事故形成

若不及时采取措施，随着问题进一步发展，风机基础混凝土对基础环的嵌固能力越来越差，混凝土破坏范围扩大，上部荷载不能由基础环传递给基础，致使最终被拔出，从而发生倒塔事故。

3.2 处理方案

通过前面计算分析，虽然基础环埋深不足、基础混凝土浇筑有缺陷，但由于其程度不高，并不能直接导致事故发生，只是诱发因素。如Ⅱ类风机基础所表现的，施工缺陷只是引起混凝土应力增加、振动加大，并没有达到超自身强度而引起破坏的程度，只要阻止问题扩大即可。但Ⅰ类风机基础已经出现混凝土的破坏，因此需要彻底加固处理。根据不同情况，针对工程特性，参考类似情况[5]，拟定处理方案。

3.2.1Ⅰ类风机基础

提高水平度。先采用偏航、千斤顶等方式对基础环进行纠偏，使其水平度满足要求。

进行灌浆加固原基础混凝土。在基础环外侧竖向及水平造孔，钻孔至下法兰下侧破损混凝土为止，孔径75mm，竖向14个，水平10个，水平孔兼做清灰孔；采用自重或低压法灌注水泥基浆料，在灌注水泥基浆料时埋设注胶管，水泥基浆料灌注完成后再进行环氧树脂浆料灌注，最后采用全孔灌浆法封孔[14]。在基础环内侧斜向造孔，钻孔至下法兰底部，向外侧倾斜10度，孔径32mm，共10个；采用低压灌注环氧树脂浆料。灌浆材料均采用无收缩性材料。

加高混凝土，增加基础环埋深。灌浆结束后，对基础内外混凝土表面进行凿毛，植筋，新浇筑混凝土，外侧加高550mm，内侧加高260mm。

做好密封止水。混凝土达到强度后，对基础环与混凝土表面接触部分进行密封及止水加固处理。

3.2.2Ⅱ类风机基础

对已经钻孔取样的风机，按Ⅰ类处理方案进行。其余风机考虑只是处于破坏的初始阶段，并不影响正常使用。因此，只对基础环与混凝土面接触重新进行密封及防水加固处理，防止问题进一步扩大[15]。同时，加强运行监测，并对全场风机基础止水密封存在问题的全部进行加固处理。

按拟定方案，2018年陆续完成全场风机基础加固处理工作，通过一年多的运行观测，原来出现异常的风机基础运行良好，未出现新的问题。

4 结论

研究表明，基础环式的设计方案是安全可靠的。基础环埋深不足和混凝土浇筑缺陷使得基础混凝土对基础环的嵌固能力降低，是基础发生破坏的主要因素。通过增加基础环的埋深和灌浆加固修复风机基础的方案是可行的。今后设计中应该适当增加基础环的埋深，在施工中一定要加强管控，提高施工质量，降低事故发生的几率。

随着高轮毂、大叶片风机大规模使用，风机所承受的荷载也迅速增加，需要获得更多的锚固力，这将带来技术风险、经济性等各方面的问题，如何增加基础环的嵌固能力是基础环式风机基础面临的新挑战。