风力发电机基础裂缝成因及性状分析

罗锦华 吕伟荣,2* 卢倍嵘,2 徐伟 姚帅

（1、湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201 2、湖南科技大学结构抗风与震动控制湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201）

随着可持续发展的理念深入人心，风力发电作为新型清洁能源，已经成为国家关注和发展的重点[1]，而我国风资源丰富，因地制宜，大力发展风能不仅可以改善环境促进新能源发展，还能促进当地经济发展。随着风力发电机投入运行的时间逐年增加，国内风力机基础普遍存在着风致疲劳导致的混凝土受力裂缝[2-4]以及由温度和水化热引起的收缩裂缝[5-6]。尽管上述混凝土裂缝具有各自的成因、分布及性状特点[7]，但对于现场主机企业和业主等日常巡检人员，亦没有统一的标准予以识别。为此，本文基于对实际工程的检测结果分析和总结，提出了风力发电机基础受力和非受力裂缝的鉴别方法，可供业主及主机厂家在日常风机巡检中进行初步的判断，有助于在风力机基础破坏严重前提前发现问题并及时停机维修，同时又避免了过度维护，保证了安全性的同时也保证了经济效益。

1 裂缝检测方法

根据风力发电机基础混凝土的损伤特点，对所检风力发电机基础塔筒内外混凝土裂缝进行现场检测，包括裂缝外观形态、分布特征的描述、裂缝宽度检测和深度检测。

1.1 混凝土裂缝的外观形态、分布特征描述

初步查看裂缝的外观形态，绘制裂缝分布图，准确记录裂缝的条数、位置、长度和走向，对可能的受力裂缝应重点关注主风方向，并在分布图中予以注明，同时记录并存储构件典型裂缝的影像资料。

1.2 混凝土裂缝宽度检测

根据现场情况，每台风力发电机基础至少选定3 条及以上的裂缝采用裂缝测宽仪进行宽度检测，单条裂缝上宜布置3 个及以上裂缝宽度测位，主要分布于两端和最大裂缝宽度处，每个测点重复检测三次，取平均值做为该点裂缝宽度值，精确至0.02mm 并在裂缝分布图中标注检测部位。

1.3 混凝土裂缝深度检测

裂缝深度检测采用超声法，根据裂缝深度与被测构件厚度的关系以及可测试表面情况，采用单面平测跨缝法进行检测，如图1 所示。被测裂缝表面应清洁、平整，缝中不得有积水或泥浆等[8,9]。

图1 跨缝测试示意图

式中 hci- 第i 点计算的裂缝深度值(mm)；li- 跨缝平测时第i 点的超声波实际传播距离(mm)；ti0- 第i 点跨缝平测的声时值（μs）；v- 裂缝区域的混凝土声速，可取用平测法声速或用其他方法获取的声速(km/s)。

2 裂缝成因及性状分析

2.1 受力裂缝

2.1.1 成因分析

风力发电机基础在力的作用下，会使得混凝土内产生的应力或者应变高出其本身的强度或者极限应变，进而产生裂缝。预应力锚栓基础通过施加竖向预应力，使得基础混凝土即使在风机机组正常运行状态下仍处于受压应力状态，有效避免了基础环式风力发电机基础中基础环周边混凝土因受剪而导致风致疲劳损伤[2]。因此，目前普遍因受力导致混凝土开裂和压溃的主要是基础环式风机基础[2]，如图2 所示。

图2 基础环周边混凝土受力裂缝分布特点

大量工程实践表明，基础环式风机基础在其主风向迎风和背风面往往因往复风荷载作用而产生基础环与混凝土脱开，形成脱开裂缝，同时基础环因为松动导致塔筒摇摆，摇摆将造成对基础环主风向周边混凝土的反复冲压[10]，久而久之则造成基础环内外表层混凝土冲压破碎，形成压溃裂缝。

2.1.2 裂缝分布及性状特点

上述因往复风荷载作用产生的基础环脱开裂隙和混凝土压溃裂缝等在基础环内外主风方向均有分布，呈局部环形分布特点。同时，上述裂缝深度早期主要限于混凝土表层，随着破损的不断深入，受拉脱开裂隙会延伸至下法兰。受压开裂裂缝两边存在一点高差，即靠近塔筒的高，明显呈现为受压冲溃的特点。

2.2 温度收缩缝

混凝土裂缝形成的一个关键在于温度的改变，引发其裂缝的产生的缘由在于其里面与外面的温差。外面的气温改变通常是季节改变、湿度变化及昼夜温差等。混凝土内部温度变化主要缘于水泥反应产生的水化热，在它里面产生的化学反应热量消失比较困难，这样就存在其里面和外面温度差别较大，就会形成因温度改变而出现的应力和应变。该类型裂缝的特点是沿径向等间距均匀分布，从基础环开始沿径向向外扩展至台柱边，甚至沿侧面一直向下，如图3 所示。

图3 温度裂缝分布图

2.3 混凝土自收缩裂缝

混凝土自收缩是指在混凝土凝结初期或硬化过程中出现的体积缩小现象。一般分为塑性收缩，化学收缩(又称自身收缩)，干燥收缩及碳化收缩，较大的收缩会引起混凝土开裂。混凝土之所以产生自收缩开裂，主要是有两类：

水灰比偏大，配合比不当。因为配合比不当，水灰比偏大导致的混凝土自收缩开裂裂缝与温度裂缝比较相似，即沿径向均匀分布，但裂缝深度往往较深，在某风场中通过钻芯取样结果可达1.5m，如图4 所示。

图4 混凝土收缩裂缝深度

局部过振引起的混凝土离析，造成表层混凝土仅剩浮浆。局部过振是风力发电机基础混凝土施工过程中常见的施工质量问题。但局部过振常引起的混凝土离析，造成表层混凝土仅剩浮浆，极易造成局部表层混凝土因无粗骨料而产生自收缩开裂。与配合比不当产生的收缩裂缝不同的是，该类裂缝往往呈龟裂分布且呈随机性的特点，如图5 所示。

图5 混凝土龟裂裂缝与稻田龟裂裂缝对比

2.4 裂缝小结，见表1。

表1 风力发电机基础混凝土裂缝类型及特点汇总

3 解决办法

3.1 受力裂缝

对于受力裂缝目前往往采取先注浆填充，后表面破损混凝土破拆置换，如图6 所示，具体如下。

图6 风力发电机基础混凝土受力裂缝修补

基础环周边受拉裂缝：目前采用基础环周边钻孔，深至下法兰，考虑到需要进行裂缝修补，建议注浆材料的选择以环氧基为主，同时兼顾基础下法兰可能存在水和较大的磨损性空腔分布，建议选择发热量低且亲水的改性环氧注浆料。

基础环周边混凝土压溃裂缝：对受压破损的混凝土进行彻底拆除，植入界面短钢筋后重新浇筑高出原基础混凝土设计标号一个等级的防裂混凝土或纤维混凝土。

上述风力发电机基础混凝土受力裂缝修补方案已在湖南、江西、安徽、福建、河北等全国多地风电场的问题风机基础加固中得到有效实施，其中最早的一台可追溯到2015 年，截止目前该风机运行良好，表明经基础环周边受拉裂缝环氧注浆修补和受压区混凝土置换方案能有效的解决基础环式风机基础受力裂缝持续开展，延长机组使用寿命，为业主赢得宝贵的经济效益。

3.2 非受力裂缝

尽管因温度和混凝土自收缩引起非受力裂缝的延伸会引起基础内部钢筋锈蚀和混凝土碳化等耐久性方向的不利影响，但考虑到非受力裂缝均不存在明显后期发展的特点，加之目前国内外风力发电机普遍使用寿命为20 年，故一般情况下建议不予处理，持续观察，待后期与可能出现的受力裂缝一起合并用注浆方式予以统一处理。

4 结论

4.1 本文基于对实际工程的检测结果分析和总结，提出了风力发电机基础混凝土受力和非受力裂缝的鉴别方法，可供业主及主机厂家在日常风机巡检中进行初步的判断，有助于在风力机基础破坏严重前提前发现问题并及时停机维修。

4.2 针对风力发电机基础混凝土受力和非受力裂缝，本文提出了针对性处理方法并应用于实际工程中，取得了良好效果，可供实际工程中参考。