某风电机组基础沉降不均匀原因分析及处理

李晓博，姚玲玲，程 帅，舒 进，李 萌，兰 昊，于博文

（1.西安热工研究院有限公司，陕西 西安710054；2.西安益通热工技术服务有限责任公司，陕西 西安710001）

0 引言

近年来我国风力发电行业经历了快速发展及装机容量的迅速增加，截止到2019 年末，我国风电累计装机容量已达到207 292 MW。随着风电装机容量的持续增长以及风电机组运行年限的增长，风电机组各系统、部件会发生一定程度的磨损、老化等现象，风电机组运行的安全性、稳定性变得愈发重要［1-4］。

风电机组基础除了承受着风机各系统、设备的自重之外，还承载着风力以及风机运行过程中产生的振动、晃动等持续性载荷，如果基础由于沉降不均匀而发生倾斜，风电机组整体的重心将会发生偏移，导致基础受力不均匀，同时各节塔筒连接处螺栓受力不均，严重时会导致塔筒法兰连接螺栓发生断裂甚至塔筒倾斜过度而倒塔［5-9］。因此，当观测到风机基础沉降不均匀量增大而影响到机组安全时，应及时采取针对性的纠偏措施，阻止风机基础沉降不均匀地发展［10-16］，确保风电机组的安全、稳定运行。对基础开展纠偏工作后，还应结合持续的基础沉降监测工作，统计基础沉降发展趋势，直至基础沉降区域稳定，恢复正常范围内［17-19］。

1 基础沉降观测数据分析

某风电场位于山西省北部境内，工程重要性等级为二级、中等复杂场地、地基等级为二级，地形为高山地，平均海拔约1 500 m，植被以草地、耕地为主。根据现场勘察结果，结合调查了解资料，场址范围内及其附近无岩溶土洞、崩塌、滑坡、泥石流等不良地质作用。风电场场址场地类别为I 类，场地土类型为坚硬场地土，全年日照充分，蒸发大。根据《GB/T 12897－2006国家一、二等水准测量规范》A.8，中国冻土极值深度等值线图，场地最大冻土深度为1.5 m。根据《GB 50011-2001 建筑抗震设计规范》附录A，该地区抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.1 g。该风电场12号风机于2011 年至2015 年期间共计开展9 次基础沉降观测。风机基础沉降观测中采用天宝DINI03 型（DSZ05）精密电子水准仪，采用1.5 m铟钢水准标尺施测，其每1 km 往返差的标称精度为±0.3 mm。12 号风机基础沉降观测点位于基础平台上（如图1所示），G1、G2、G3、G4 4个观测点均布于一个平面，形成的圆形弧度各为90°，J1为沉降观测的基准点。基础沉降观测路线为J1-G1-G2-G3-G4-J1。

图1 风机基础沉降观测点布置图Fig.1 Layout of settlement observation points of foundation

通过对比前9 次基础沉降观测数据，发现该风机基础沉降不均匀趋势逐步增大，且累积沉降不均匀量达到了6.52 mm，超过了风电场风机运行规程中沉降不均匀量小于2 mm 限值的规定。为了进一步确认数据测量的准确性，掌握风机基础的真实沉降情况，于1个月后开展了12号风机基础沉降观测复测工作。表1为12号风机10次基础沉降观测的数据。

12 号风机G1、G2、G3、G4 4 个基础沉降观测点的高程趋势图见图2，由图2 可知G1、G4 点沉降量最大，G2点沉降量较小，G3点高程升高。

12 号风机基础沉降不均匀量变化趋势如图3 所示，由图3 可知，从第7～9 次测量期间，风机基础沉降不均匀量突然增加，累计不均匀沉降达到6.52 mm。

根据该风电场运行规程，风机基础沉降不均匀量应控制在2 mm范围之内，由第9次沉降观测数据计算可知，12号风机基础沉降不均匀量已达到6.52 mm，超过允许值的3倍，应引起高度重视，及时分析基础沉降不均匀的原因，并采取针对性的措施，以保证风机的安全、稳定。

表1 12号风机基础沉降观测数据Table 1 Observation data of foundation settlement of wind turbine No.12

图2 风机基础沉降观测点的高程趋势图Fig.2 Elevation trend diagram of settlement observation point of foundation

图3 风机基础沉降不均匀量变化趋势图Fig.3 Variation trend of uneven settlement of foundation

2 沉降不均匀原因分析

风机基础在风机塔筒、机舱各系统设备的重力作用下，会产生一定的沉降，正常情况下基础沉降是均匀的，或者不均匀量是微小的，当不均匀沉降量小于2 mm时，可认为风机基础是安全的。当沉降不均匀量超过2 mm 时，风机基础环的水平度也会增大，塔筒各段连接螺栓的受力就会发生变化，风机整机的重心就会逐渐偏移塔筒中心线，会进一步导致基础沉降较快的一侧受力更大，会加快沉降不均匀的趋势，不利于风机整机的安全性、稳定性［20-27］。因此，在这种情况下，需要及时寻找导致基础沉降不均匀的原因，并制定相应的整改措施。

本次发生不均匀沉降的风机为运达1500/82机组，风机轮毂高度为70 m。查阅了12 号风机基础设计及施工图纸，如图4～图5为风机基础的剖面图和平面图，风机基础采用现浇钢筋混凝土圆形扩展基础，基础混凝土强度等级为C35，垫层为C15，混凝土抗冻等级为F150。

图4 风机基础的剖面图Fig.4 Section drawing of foundation

图5 风机基础的平面图Fig.5 Plane drawing of foundation

查阅风电场12 号风机所属工程岩土工程勘测报告，发现12号风机场址表层为1.8 m的强风化玄武岩，第二层为厚约1.9 m的棕红色粘土，其下为强风化白云岩。12 号风机设计基础埋深为3.15 m，因此风机基底之下与强风化白云岩之间存在厚约0.55 m 的棕红色粘土。

现场勘查12号风机基础表面情况，发现基础表面无明显开裂、混凝土破损现象。但在风机基础东侧发现有一条施工便道（如图6所示），经调查，12号风机附近临时新增某一施工项目，施工期间有多辆总重超过30 t 的重型货车经过，施工工期达到3 个月以上，对基础进行碾压，给基础增加了额外载荷。

图6 风机基础东侧的施工道路Fig.6 Construction road on the east side of fan foundation

根据以上情况，12号风机基础东侧新增了一条施工道路，重型货车通过该道路的时间为2014 年10 月，即第8～9 次基础沉降观测的时间范围内，与风机基础发生沉降不均匀的时间段高度吻合。风机基础下方与强风化白云岩之间厚约0.55 m 的棕红色粘土，由于土质不均匀，在外力的作用下易产生基础不均匀沉降。因此，分析导致12号风机基础沉降不均匀的直接原因是由于基础外部突然增加的载荷（重型车辆碾压），间接原因是基础下方存在厚约0.55 m 的棕红色粘土，在地质不均匀性和外部载荷长期累积作用下，导致风机基础出现了不均匀沉降。

3 处理措施

风机基础发生不均匀沉降时，通常采取的纠偏方法主要有补桩法、堆载纠偏法、注浆法等方法［28-31］。

补桩法［32］主要是通过在风机基础承台周边增加一圈均匀布置的灌注桩，该方法对原基础的扰动较小，施工方便，在较短时间内提高风机基础薄弱侧的承载力，缺点是增加灌注桩后将较大程度改变风机基础的承载力分布。

堆载纠偏法［33］主要是通过在基础承台高程较高一侧进行堆载重物，使基础承台两侧受力不均，从而纠正原先的基础不均匀沉降，该方法风机基础的干扰相对较小，且易于实施、经济合理，但纠偏效果需要短时间才能反映出来，同时堆载量及堆载时间须经后续观测配合。

注浆法［34］主要是通过钻机钻至承台下，使用压力泵通过钻孔将水泥浆注入持力层桩尖位置，使桩尖饱和土与水泥固化成水泥土，该方法可有效提高预应力桩的承载能力，但操作工艺较为复杂，成本较高。

经过综合评估，针对12号风机基础沉降不均匀现象，本次选择在风机基础西侧采用堆载沉降法进行纠偏。堆载重物位于距离塔筒重心6-8 m 位置的区域，如图7所示，黑色区域为堆载重物的区域。

图7 纠偏重物堆载区域Fig.7 Load area for stacking load deviation

对12号风机基础进行堆载重物的具体方案为：第一次堆载大约20 t沙袋，3个月后，测量基础沉降情况，不均匀量达到了6.13 mm。随后增加了堆载重物的重量，总重大约50 t，半年之后测量基础沉降情况，不均匀量达到了5.48 mm。随后减少了堆载物的重量，保留约30 t 的重物在堆载区域，并密切关注基础沉降发展趋势。如图8所示为对12号风机基础采取堆重物纠偏措施后，开展的3 次基础沉降观测工作计算的基础沉降不均匀量，从图中可知，风机基础沉降不均匀量呈逐渐回落趋势，逐渐接近安全区域。当不均匀沉降量小于3 mm 之后，再逐步缩减堆载物的重量，直至风机基础沉降不均匀量小于2 mm，沉降趋于稳定之后，方可撤去堆载的重物。

图8 风机基础沉降不均匀量变化趋势图Fig.8 Variation trend of uneven settlement of foundation

4 结语

风电机组基础的安全、稳定是保证风电机组各系统、设备安全、稳定运行的前提，发生基础沉降不均匀时，应及时进行纠偏处理，防止基础沉降不均匀趋势恶化而导致机组出现安全隐患。通过对12号风机基础沉降不均匀现象进行分析、处理，得到：1）此次12号风机基础沉降不均匀的主要原因是由于风机基础表面受到外部载荷持续性作用导致，次要原因是风机基础下有0.55 m厚度的易发生变形的粘土；2）由外部载荷作用于风机基础表面而导致的基础沉降不均匀可通过堆载沉降法进行纠偏，通过密切关注纠偏过程中的基础沉降发展趋势，及时增加或者减轻堆载的重量，可有效抑制基础沉降不均匀的趋势，使风机基础沉降逐渐恢复正常水平。

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