广东天联电力设计有限公司 广州广东 510600
摘要：本文结合作者的工作实践，对沿海风电场风机基础产生不均匀沉降现象的原因进行分析，通过原因分析，综合地质、施工、后期监测等因素找出解决问题的措施办法。
关键词：风电场；风机基础；不均匀沉降
在风电场工程设计中，风机基础设计是整个设计过程中重要的一项工作。广东沿海风电场常年经受台风的考验，对风机基础稳定性提出了很高的要求，设计必须考虑强台风或超强台风的影响。如果不重视这些问题，可能致使风机设备的倾覆，造成重大事故，给运行维护带来极大的不便，造成重大的经济损失[1]。
本文拟以湛江某沿海风电场风机基础不均匀沉降的形成机理、处理方法为导向，通过分析探索如何有效控制沿海风电场的风机基础不均匀沉降。
1工程概况
1.1 建设规模
湛江某沿海风电场位于湛江徐闻沿海滩涂地区，总装机容量为49.5MW，共安装33台1．5 MW 风力发电机组。风机设计使用年限为20年，风机基础的设计使用年限为50年。采用风电公司提供的70米轮毂中心高度风电机组基础载荷数据作为设计输入依据。
风机基础采用重力式现浇钢筋混凝土八边形基础，基础下分两圈布置20根管桩，内圈8根、外圈12根。管桩采用预应力高强混凝土管桩（PHC的 B型桩），直径600 mm，壁厚130 mm，管桩长度根据风机机位地质情况以满足设计承载力的试桩控制参数控制，设计桩长为40～50m。
1.2 地勘情况
本工程场地第四系覆盖层厚度大，在钻孔深度内（40～50m）均不能揭穿。风机基础主要地层分别为：细砂①1（Q4m），海积，松散，该层承载力低。细砂①2（Q4m）：海积，中密～密实。细砂①3（Q4m）：海积，松散。粘土②1（Q4m）：海积，可塑。粘土②2（Q4m）：海积，硬塑，（湛江老粘土层）。细砂③（Q1mc）：海陆交互沉积，中密～密实。粘土④（Q1mc）：海陆交互沉积，硬塑。中砂⑤（Q1mc）：海陆交互沉积，密实，厚度大，钻孔深度内基本未揭穿，该层承载力高，不液化，可以作为桩基持力层。
1.3 施工情况
本工程从2007年12月开工至2009年3月全部建成完毕。自项目投产以来，风电机组一直正常稳定发电。桩基工程质量由业主委托当地建筑工程质监站进行检测，桩身完整性及承载力检测均满足规范要求及设计要求。
1.4 存在问题
自项目2009年投产以来，风电机组一直正常稳定发电。2011年9月29日，强台风“纳沙”正面袭击并两次登陆徐闻，登陆时中心风力14~15级，风速达42~50米/秒，而且持续时间较长。风电场处于沿海地带，受到台风正面冲击，台风过后，生产运行人员在巡查过程中发现部分风机箱变平台及风机基础出现了倾斜现象。
风机塔属于高耸建筑物（1．5 MW风机轮毂高度在65m以上），轻微的地基不均匀沉降，将使风机产生较大的水平偏差，在机舱、叶片等荷载作用下，产生较大偏心弯矩，使风机舱产生倾斜，给风电机组吊装及运行带来较大的安全隐患。
根据《风电场机组地基基础设计规定》（FD003-2007）的第 8.4.1条，轮毂高度为60m＜H 80m时，基础变形的倾斜率允许值tan为0.005（本工程基础环直径4.216m，即风机正常运行基础环面两侧允许最大不均匀沉降为21.1mm）。从厂家反馈的数据得知：该型号风机正常运行基础环面允许不均匀沉降控制在3mm/m之内（本工程基础环直径4.5m，即风机正常运行基础环面两侧允许最大不均匀沉降为12.6mm），厂家允许值比《设计规定》相关要求更为严格。
业主提供的风机基础（基础环法兰面）倾斜的测量结果表明，大部分风机基础不均匀沉降均能控制在厂家要求范围之内，但少量风机相关数据超过了风机厂家提出的允许值范围。
2不均匀沉降原因分析
2.1 计算分析
根据《风电场机组地基基础设计规定》（FD003-2007）的第7.2.5及 7.3.3条，验算桩基沉降时，荷载效应采用标准组合，厂家提供的上部结构传至基础环面的荷载直接采用荷载标准值，荷载分项系数均取1.0。经计算，在正常运行工况下，桩基承受荷载不会超过桩基所能承受的竖向承载力及抗拔力，经过核算及参考质检站的检测结果，不均匀沉降较大的风机桩基的施工单桩最大竖向承载力及最大抗拔力均能满足设计要求。单桩承载力特征值相较基桩所承受最大轴向力还留有20%左右的余度。
同样，由桩基沉降计算上分析，其计算结果均在规范允许范围内，即在正常运行情况下不会产生基础的不均匀沉降。
2.2 理论分析
（1）桩基施工技术工艺的局限
本工程PHC管桩接桩采用焊接接桩法，设计要求每个接头的焊缝不得少于两层，每层焊缝的接头应错开，焊缝须饱满，不得出现夹渣或气孔等缺陷。施焊完毕须自然冷却8分钟后方可继续施打。实际施工过程中，管桩的焊接接桩质量由于现场焊接工水平参差不齐、焊接后冷却时间过短等原因而很难得到保证。一旦强台风正面袭击并持续时间较长，抵抗上拔力的桩接口处很容易发生脱开现象，从而导致原设计桩抗拔能力减弱，表现为迎风面基础侧部位翘起的不均匀沉降现象。
另外，基础管桩在风机承台范围内布置相对比较密集，在打桩过程中，周围土体受到桩身挤压，引起的土体垂直隆起，在沉桩范围内可能伴随着周围桩的上浮。这种桩侧土上浮产生对桩的上拔力导致桩端压力降低或转为拉力，引起地下水向桩端富集，从而降低了桩端土的强度。这种地下水富集具有很大的不确定性，在基础自重荷载作用下，也将可能导致基础的不均匀沉降。
（2）超饱和软粘砂土影响
风电场所处为沿海滩涂地区，地层中饱和细砂③、粘土④深度较大、含水率高、渗透性弱、抗剪强度低，且其上层湛江老粘土层粘土②2粘性好，在部分程度上会阻碍其产生的超静孔隙水压力消散。而且软粘土、砂土具有很强的结构性，受到扰动后土体强度明显降低，这种结构性的恢复需要一定的时间，软土地基中预应力管桩的单桩极限承载力也相应存在明显的时间效应问题[2]。对于结构性软土地基中的预应力管桩，随着时问的增长，在前30～50d内，土体结构性恢复较快，单桩极限承载力迅速增长，后期由孔压消散引起的增长较缓慢。而该风电场在施工过程中，因考虑工期影响，一般在打桩完成后几天即开始回填并进行风机基础承台混凝土浇筑，超静孔隙水压力尚未完全消散，在自重作用下，经过长时间的超静孔隙水压力消散，基础也有可能会发生沉降。
3 处理方案
根据以往工程处理经验，结合本工程的实际情况，初步建议可采用以下几种处理方案来对不均匀沉降较大的风机基础进行处理。
（1）高压注浆法
采用钻机钻至桩承台下一定深度（约20m），使用压力泵通过钻孔利用袖阀管将水泥浆注入桩侧周围，使桩侧的饱和砂土与水泥固化成水泥土，从而大幅度提高该预应力桩的承载能力，在基础下形成局部的固结土复合地基，确保不均匀沉降不再继续扩展。
但本工程由于桩承台基础内钢筋较密，砼较厚，承台内钻注浆孔较困难，且部分砂土松散、流动性强，注浆范围深度不易控制，注浆费用也会比较高昂。
（2）补桩法
为增加基础沉降较大部位的承载能力，考虑在风机基础承台周边均匀增加一圈直径为1000 mm的灌注桩，并采用牛腿的型式与风机承台相连，具体布置形式见图1、图2。该布置形式对原基础的扰动相对较小，施工方便，且能在较短时间内提高风机基础薄弱侧的承载力，在技术经济等方面均比较可行。
图2 灌注桩补桩A-A剖面
（3）堆载纠偏法
在基础承台较高一侧，进行堆土压载，使风机基础承台两侧受力不均，从而对原先不均匀沉降进行纠正。同时因增加基础上的竖向荷载（满足桩承载力前提下），减轻最不利工况时桩的抗拔荷载。施工时应注意加强观测，保证每星期2次的观测密度，当不均匀沉降消除后，应立刻挖除（平衡）堆土，以避免造成新的不均匀沉降情况发生。堆载纠偏法对风机基础的干扰相对较小，且易于实施、经济合理；但因其属于在短时间内给桩基基础加上竖向荷载，对于因其引起的超饱和粘土孔隙水应力消散仍需要较长时间，纠偏效果需经过一段时间才能反映出来，堆载量及堆载时间须经后续观测配合。
（4）起吊纠偏法
考虑将塔筒临时吊起，在塔筒及基础环连接法兰的螺栓处增加设置10mm~20mm的垫片或垫圈用以消除基础的不均匀沉降影响。该方法所需设备简单，起吊处理时采用临时构架、千斤顶顶升即可。但由于需提升风机塔筒及上部设备，风机需临时停运，须和业主、厂家协商是否可行。另外单一的上部设备纠偏也不能保证基础的不均匀沉降继续发展。
（5）推荐方案
综合分析以上四种处理方案的技术优劣及经济条件、施工难易度，推荐采用“堆载纠偏法+起吊纠偏法”，对不均匀沉降超过厂家允许值的风机基础进行处理。
4 结论
（1）风机基础作为承受上部风机荷载的重要部位，必须加强沉降观测及日常巡查工作，及时了解风机基础的沉降发展情况，以便出现事故时能对症下药采取相应的应对措施。
（2）目前，抗拔桩桩身抗拉强度主要由桩的接头和端板上的锚固孔与钢筋墩头的连接来控制，这是抗拔管桩抗拉强度的一个“瓶颈”。施工过程中接口部位的施工质量非常重要，如焊接停顿时间过短，焊缝质量不过关的话，很可能为质量埋下隐患，加上电焊接头经重锤击打后容易产生裂缝，降低抗拉强度。因此，根据广东省标准《锺击式预应力混凝土管桩基础技术规程》（DBJ/T15-22-2008）中的条文要求，建议抗拔桩接口采用机械连接。
（3）地基基础设计过程中，除考虑地质情况及上部荷载外，还需考虑实际施工因素影响，加强基础施工质量的控制与监督。
参考文献
[1]王浩，王炽欣，风电场风力发电机组塔架基础设计研究[J].电网与清洁能源，2008：VOl2 No3 45-47
[2]陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学[M].清华大学出版社，2010：32-34
论文作者:王浩
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第23期
论文发表时间:2018/1/16
标签：风机论文; 基础论文; 不均匀论文; 荷载论文; 承载力论文; 桩基论文; 粘土论文; 《建筑学研究前沿》2017年第23期论文;