文 | 程人傑 張松 李煌

風力發電機組的基礎用于安裝、支承、平衡機組在運行過程中所産生的各種載荷，以保證其安全、穩定地運行。對老舊機組進行延壽工作之前，必須對機組基礎進行全面的檢查評估确保機組健康運行。

風力發電機組的基礎經過多年連續運行，在長期載荷作用下的疲勞損傷問題日益突顯。早期的風電機組很多采用基礎環結構，為鋼筋混凝土柱下獨立基礎形式，依靠自身的重力來維持結構的穩定與強度，設計簡單，可适用于任何地形和地質條件，是應用較為廣泛也是數量最多的一種。但是，近年來不斷有問題風電機組出現基礎環與周邊混凝土因長期風載荷作用導緻脫開嚴重，進而引發機組塔架晃動，不能正常運行的安全事故，需要引起行業的密切重視。

風力發電機組基礎類型

由于風力發電機組型号與自重不同，要求基礎承載載荷也各不相同。風力發電機基礎均為現澆鋼筋混凝土獨立基礎。根據風電場場址工程地質條件和地基承載力以及基礎荷載、尺寸大小不同，從結構的形式看，常用的基礎可分為：

(1)平闆塊狀基礎：即實體重力式基礎，是目前國内應用最廣泛的基礎形式。對基礎進行動力分析時，可以忽略基礎的變形，将基礎作為剛性體來處理，而僅考慮地基的變形。按其結構剖面又可分為“ 凹”形和“凸”形兩種（如圖1所示）。底座盤上的回填土是基礎重力的一部分，這樣可節省材料，降低費用。

圖1 兩種形式平闆塊狀基礎

在地面以下幾米至幾十米設置一定面積的平闆塊狀基礎，平闆塊比塔架底面積大很多，利用機組、基礎及基礎上覆蓋層重量的偏心反作用力來抑制傾覆力矩。平闆塊上有一個比塔架底面積稍大一些的柱狀體承台，用于和塔架連接。平闆塊形狀常用正方形、六角形、八角形或圓形（如圖2所示）。其中第一種為均勻平闆塊，當岩床距地面較近時選用，平闆塊必須有足夠的厚度和合理的鋼筋網。第二種平闆塊上部為錐形，可以節省材料。第三種将平闆塊用岩石錨固裝置固定在岩層上，可以減小埋深及平闆面積，但施工難度大。

圖2 平闆塊形狀分類

(2)樁基礎：在地質條件較差地方，柱狀的樁基礎比平闆塊狀基礎能更有效地利用材料。目前普遍應用的有框架式樁基礎、混凝土實心單樁基礎、空心複合樁基礎（如圖3所示）。

圖3 三種樁基礎圖

l 框架式樁基礎，是樁基群與平闆塊樁帽的組合體，它是将幾個至幾十個圓柱形樁，利用一個平闆塊形樁帽把它們連接起來，樁帽上設計有與塔架連接的承台組成的基礎。傾覆力矩由樁在垂直和側面載荷兩者抵抗，側面載荷由施加于每個樁的頂部力矩産生，所以要求鋼筋必須在樁和樁帽之間提供充分連續的力矩。多樁基礎可以使用樁基鑽孔機，高效率的打出幾十米深的樁孔。

l 混凝土實心單樁基礎，由一個大直徑混凝土圓柱和其上面的與塔架連接的承台組成。适用于地基上部土層軟弱、地基持力層位置較深，且開挖施工坑邊緣不會塌方時采用，但混凝土消耗量大、成本高。

l 空心複合樁基礎，它比混凝土實芯單樁基礎節省材料，但施工難度大。适用條件與混凝土實芯單樁基礎相同。

(3)桁架式塔架基礎：桁架式塔架基礎的特點是腿之間的跨距比較大，并且還可以使用各自獨立的基礎樁（結構如圖4所示）。一般在現場使用螺旋鑽孔機鑽孔後澆注混凝土樁，防止傾覆的作用力在樁上被簡單地上提和下推，上提力和下推力被樁表面的摩擦力所抵抗。組成塔架基礎的角鋼框架，應提前進行組裝，然後在給樁灌注混凝土時就地澆注。角鋼框架應設置好間隔和傾斜度，以便上部桁架的安裝。

圖4 桁架式塔架基礎

風力發電機組基礎運行損傷與原因

鑒衡通過對國内風電場的長期檢測與調查研究，歸納出目前主要有以下基礎損傷現象：

l 表層混凝土與塔架出現明顯可見的脫開裂縫（例如正常運行荷載工況最大裂縫寬度超過0.2mm,極端荷載工況最大裂縫寬度超過0.3mm）以及混凝土受壓破損，以主風向更為常見；

l 塔架周邊出現泛漿現象；

l 鋼筋剪斷與周圍混凝土破損；

l 混凝土内部空洞、裂縫、不密實；

l 混凝土腐蝕（氯化物的滲入、堿集料反應、硫酸鹽及酸侵蝕、凍融作用）；

l 基礎的差異沉降、累計沉降量超過規範要求、沉降速率增大；

l 樁基礎的内部缺陷；

l 基礎傾斜等。

圖5 長期運行風載疲勞損傷發展

圖6 基礎裂紋與泛漿

圖7 混凝土内部損傷

導緻這些問題的原因通常包含：

l 長期運行中風載荷使得基礎承受360°方向的重複荷載和大偏心受力，導緻混凝土疲勞損傷；

l 混凝土的原材料、拌和物和易性、澆築工藝、養護質量問題；

l 混凝土腐蝕問題；

l 設計問題等。

風力發電機組基礎檢測方法

目前，應用于機組基礎檢測的方法主要分為無損檢測和微破損檢測兩大類，具體包括：

(1)無損檢測方法

l 依據《混凝土結構工程施工質量驗收規範》（GB 50204-2015），進行機組基礎整體外觀檢測：重點檢查基礎周邊是否出現明顯的脫開裂隙，防水層裂紋，混凝土壓潰以及冒漿的現象，若有混凝土裂縫則進行長度、寬度、深度及走向測量，繪制裂縫分布圖。

l 依據《風電機組地基基礎設計規定》（FD 003-2007）、《建築變形測量規範》（JTJ 8-2016），進行基礎沉降檢測，用以評定基礎水平傾斜情況。

l 依據《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》（JGJ/T 23-2011），進行混凝土表面強度回彈檢測，用以評定混凝土的表面強度。

l 依據《雷達法檢測混凝土結構技術标準》（JGJ/T 456-2019），進行基礎混凝土雷達密實度檢測，利用機組周圍的開闊地帶，對基礎混凝土進行雷達掃描，以檢測混凝土的密實度及内部缺陷。

l 依據《風力發電機組 驗收規範》（GB/T 20319-2017），進行風電機組塔架垂直度檢測，用以評定機組基礎沉降和塔架變形綜合情況。

l 依據《建築樁基檢測技術規範》（JGJ 106-2014），進行樁基完整性檢測：高應變、低應變、超聲波檢測。

(2)微破損與其他檢測方法

l 依據《鑽芯法檢測混凝土強度技術規程》（JGJ/T 384-2016），進行混凝土鑽芯，該檢測可以評定基礎混凝土強度和密實度。

l 依據《鑽芯法檢測混凝土強度技術規程》（JGJ/T 384-2016），進行鑽孔視頻檢測，該方法可以評定混凝土内部空腔和鋼筋周邊混凝土壓碎情況。

l 依據《混凝土結構工程施工質量驗收規範》（GB 50204-2015），進行基礎混凝土局部破拆，用以确認混凝土質量和内部損傷。

l 依據《建築樁基檢測技術規範》（JGJ 106-2014），進行樁基載荷試驗檢測，包含：單樁豎向抗壓靜載試驗、單樁豎向抗拔靜載試驗、單樁水平靜載試驗等。

l 依據《建築地基檢測技術規範》（JGJ 340-2015）,進行天然地基、複合地基承載力檢測，包含：标準貫入試驗檢測、動力觸探試驗檢測等。

l 依據鑒衡認證發布的《風力發電機組延壽技術規範》（CGC/GF 149:2020），陸上基礎重點關注基礎與塔架連接附近的裂縫，對裂縫的長度進行定期測量，判斷其是否在合理範圍内；同時對基礎的混凝土強度、水平度進行檢測，對基礎的沉降觀測數據進行分析，并對基礎内部的密實度進行無損探傷檢測。

檢測周期

運行期的不同階段，建議的基礎檢測周期有所不同（如表1所示），同時我們建議對機組的基礎檢測數據進行單機建檔并長期跟蹤分析。

表1建議基礎檢測周期

總結

對于已經長期運行風力發電機組，風載引發基礎疲勞問題随着運行年限的增加日益突顯。我國的風場環境千差萬别，以承受動載荷為主的機組基礎結構面臨着較大的安全風險。通過對國内大量風電場風電機組基礎損傷問題的檢測與調查研究，鑒衡提出一套适時可行的檢測方案，以便風場工作人員定期開展對基礎的檢測作業，并建立檢測數據檔案，長期追蹤基礎的損傷問題，避免重大的機組運行安全風險。

基礎的疲勞損傷會直接影響延壽的決策，延壽前和延壽期間的基礎損傷監控和檢測是機組延壽的重要内容。對此，鑒衡發布了《風力發電機組延壽技術規範》，其中對陸上基礎、海上基礎的不同關注點作出了規定。

此外，為了進一步加深行業對延壽的了解，鑒衡還将針對更多延壽技術的關鍵模塊開展專題讨論，包括：延壽的檢查、外部條件的分析、運行狀态的分析、模型建立方法、壽命計算方法、延壽與技改等。

來源：鑒衡認證

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!