高山風電大體積混凝土防裂雙覆蓋養(yǎng)護 技術應用

郁啟華 王世華 李洋 周凱

摘要：我國西南地區(qū)風電場多建在高山、寒冷地區(qū)，氣候條件惡劣。風機基礎通常為大體積混凝土結構，受建造工藝等客觀條件限制，無法采取冷卻降溫措施，僅采用常規(guī)灑水覆蓋法對混凝土進行養(yǎng)護，極易出現(xiàn)混凝土裂縫，影響風機基礎結構使用耐久性。為有效解決該問題，針對山地風電場混凝土裂縫產(chǎn)生原因及養(yǎng)護期存在的實際問題進行調(diào)查與分析，提出雙覆蓋養(yǎng)護法，可有效防止混凝土裂縫的產(chǎn)生。

關鍵詞：防裂技術;大體積混凝土;雙覆蓋養(yǎng)護;風機基礎;高山風電

中圖法分類號：TV544文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.008

由于氣候變暖已對全球生態(tài)系統(tǒng)和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展帶來越來越大的影響，節(jié)能減排的重要性日益突顯。選擇清潔型能源來替代傳統(tǒng)的火力發(fā)電是改變現(xiàn)狀最直接有效的方法之一。截至2018年，我國風力發(fā)電累計并網(wǎng)裝機容量達到18.4萬GW，占全部發(fā)電裝機容量的9.7%，處于穩(wěn)定快速發(fā)展階段。

在風力發(fā)電研發(fā)過程中，風機基礎由最初的圓形擴展基礎發(fā)展到目前全面推廣的梁板式預應力錨栓基礎，二者均屬于大體積混凝土。在混凝土養(yǎng)護中，一直沿用常規(guī)灑水覆蓋方法，基礎混凝土表面出現(xiàn)的裂縫問題并未得到重視。由于基礎混凝土澆筑完成7 d后即用土石回填覆蓋，未能跟蹤監(jiān)測裂縫發(fā)展。近年來，基礎混凝土裂縫問題已逐漸顯現(xiàn)，并影響到風機基礎的耐久性。對廣西早期建設的5座運行中的風電場進行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，約有20%的風機基礎存在貫穿性裂縫（有水從裂縫滲出），使風機運行存在一定的安全隱患。

我國風力開發(fā)起步較晚，大多只關注到機艙、葉片等設備的運行質(zhì)量問題，尚未深入調(diào)查風機基礎運行期的質(zhì)量問題。然而，隨著風力開發(fā)技術的不斷改進和創(chuàng)新發(fā)展，建設單位和設計單位越來越重視風機基礎混凝土的澆筑和養(yǎng)護質(zhì)量問題。

1 工程概況

國電廣西灌陽正江嶺風電場位于廣西省桂林市灌陽縣西山瑤族自治鄉(xiāng)境內(nèi)，地處北江村東北側老鼠頭界至野雞界一帶山脊，屬山地風電，場址涉及面積約15.4 km2，總裝機容量60 MW（30×2 MW）。

該風電場所在區(qū)域海拔高、晝夜溫差大、大風季節(jié)長且雨霧天氣多，在桂北地區(qū)極具代表性。雨期長、大霧天氣多、場內(nèi)山路泥濘、混凝土運輸距離長（約30 km）、行車速度慢（15 km/h），且風機設備大件運輸和吊裝對基礎混凝土澆筑形成交叉干擾，對混凝土澆筑連續(xù)性和養(yǎng)護質(zhì)量的可靠性均造成諸多不利影響。

1.1 自然地理條件

正江嶺風電場工程地形地貌主要為中山地貌、局部為低中山地貌，地勢總體北高南低，山頂海拔高程在1 300～1 900 m之間，屬中亞熱帶季風氣候區(qū)，冬季濕冷，山上多雨霧、冰凍天氣，晝夜溫差常在20 ℃左右;多年平均風速約為6 m/s，最大風速27 m/s（不含臺風）。全縣多年年均氣溫為14.9 ℃。最冷時間為12月至次年2月，月均6.8 ℃。極端最低溫度-5.8 ℃。

1.2 風機基礎大體積混凝土設計和要求

1.2.1 風機基礎設計

正江嶺風電場風機基礎為C40圓形現(xiàn)澆梁板式鋼筋混凝土結構，直徑19 m，底板高1 m，臺柱高3.4 m、直徑6 m，基礎共設置8條肋梁，肋梁兩端高度分別為3 m和1 m，梁寬1 m。基礎混凝土強度等級為C40、抗凍等級F100，單個基礎混凝土體積363.7m3。

按照GB 50496-2012《大體積混凝土施工規(guī)范》[1]中的定義，混凝土結構物實體最小幾何尺寸不小于1.0 m的大體量混凝土稱之為大體積混凝土，正江嶺風電場風機基礎屬于大體積混凝土。

1.2.2 大體積混凝土施工溫控及養(yǎng)護要求

根據(jù)國電北投灌陽正江嶺風電有限公司《灌陽正江嶺風電場工程施工招標文件》要求，風機基礎混凝土須一次性澆筑完成，不允許留施工縫。為防止產(chǎn)生溫度裂縫，應嚴格進行混凝土溫度控制，5～10月混凝土入倉溫度應不高于20 ℃。一般采取骨料預冷或加冰拌和的措施，冬季要采取保溫措施。在入模溫度的基礎上，混凝土澆筑體最大溫升值不宜超過50 ℃;混凝土澆筑塊體的里表溫差不宜超過25 ℃;降溫速率不宜大于2 ℃/d;混凝土表面與大氣溫差不宜超過20 ℃[1]。

混凝土澆筑完成后，應及時用一層薄膜兩層麻袋覆蓋，連續(xù)保濕養(yǎng)護，時間不少于14 d。當外界氣溫連續(xù)5 d低于5 ℃時，按冬季混凝土施工的有關規(guī)定執(zhí)行。

2 山地風電場風機基礎混凝土養(yǎng)護問題

正江嶺風電場風機基礎混凝土施工質(zhì)量受所處地域自然條件和砂石骨料可選性差等因素影響，對混凝土設計配合比的選擇、澆筑后的養(yǎng)護均提出了新的挑戰(zhàn)，對溫控防裂和養(yǎng)護非常不利。通過對多個風電場風機基礎外觀質(zhì)量檢查發(fā)現(xiàn)，表面溫度裂縫發(fā)生較普遍，雖采取了多種措施，但未從根本上解決問題。進入秋冬季后，正江嶺風電場風機基礎混凝土開始澆筑，且多數(shù)基礎施工安排在冬季。運用常規(guī)養(yǎng)護方法，混凝土里表溫差、表面和大氣溫差的控制難以滿足規(guī)范要求，如果不采取有效的保溫保濕措施，將更難以控制裂縫溫度。

2.1 混凝土水化熱難降低

對于大體積混凝土，設計要求采用低水化熱水泥，并選用中砂，粉煤灰摻量要控制在15%左右。受條件限制，正江嶺風電場工程采用普通硅酸鹽水泥，且本地所產(chǎn)砂為人工砂混合部分天然砂，其細度模數(shù)、含泥量、顆粒級配等均不穩(wěn)定，多數(shù)接近粗砂標準。在粉煤灰摻量受限（抗壓強度以28d試壓為準）的情況下，只能通過增加水泥來彌補細骨料級配不良的問題，水泥的增加勢必提高水化熱及混凝土內(nèi)部溫升，對溫度裂縫控制極為不利[2]。通常，C40混凝土每方水泥用量約為360 kg，但該項目設計配合比受粗細骨料質(zhì)量限制，水泥用量要達到413 kg才能滿足設計強度要求。事實證明，用該混凝土配合比內(nèi)部溫升峰值達到73.6 ℃，但入倉溫度在18℃～20 ℃，已超出規(guī)范要求的入模后混凝土最大溫升值（不宜超過50 ℃的標準）。受粗細骨料生產(chǎn)工藝粗糙、質(zhì)量不穩(wěn)的影響，設計配合比調(diào)整空間受限，加上骨料預冷等措施受混凝土生產(chǎn)規(guī)模限制，成本過高，均未采用風電場基礎混凝土生產(chǎn)。在無法實施常規(guī)溫控措施的情況下，只能通過提高混凝土的養(yǎng)護質(zhì)量，以達到混凝土防裂的要求。

2.2 大風天氣影響?zhàn)B護質(zhì)量

山地風電場多位于較高海拔的山脊上，風速達10～20 m/s的大風天氣較為常見，采用常規(guī)的覆蓋養(yǎng)護難以達到設計要求標準。針對惡劣的自然條件，雖然承建單位采取了壓蓋的方法，但毛氈、薄膜仍會被吹翻，造成基礎混凝土大面積外露，加上專職養(yǎng)護人員盯守不到位，沒有配備專用水車，難以做到保溫保濕連續(xù)養(yǎng)護，這是混凝土表面出現(xiàn)干縮裂縫和溫度裂縫的主要原因。

2.3 臺柱梁體側面無法覆蓋

梁板式風機基礎不同于墩式基礎，混凝土表面難以做到全覆蓋養(yǎng)護。為了能對臺柱體和梁體側面進行全覆蓋養(yǎng)護，參建各方商討采取了掛草簾遮蓋、在土工膜上打混凝土釘固定、晚拆模板等方法，但受大風影響，覆蓋材料不久就被吹散、扯破;對于模板保溫保濕養(yǎng)護，在冬季混凝土表面和大氣溫差達到35 ℃以上，遠超出規(guī)范要求，且不利于模板周轉，影響工效，養(yǎng)護質(zhì)量不佳。

2.4 溫控難達規(guī)范標準

根據(jù)常規(guī)覆蓋灑水養(yǎng)護結果統(tǒng)計，特別是在冬季施工，混凝土表里最大溫差34 ℃，表面和大氣溫差達到39 ℃，遠遠超出規(guī)范要求。

根據(jù)上述分析，在山地風電場建設中，受自然條件限制，采用常規(guī)的覆蓋養(yǎng)護方法，難以達到規(guī)范要求的標準，這是基礎混凝土表面出現(xiàn)裂縫的主要原因。根據(jù)對3個基礎養(yǎng)護期結束后的裂縫調(diào)查統(tǒng)計，在風機基礎底板、梁頂表面及臺柱杯口等部位裂縫集中，數(shù)量達13～18條/基，縫寬在0.2～0.6 mm，屬于有害裂縫范圍，長期發(fā)展會對風機基礎耐久性造成極為不利的影響[3]。

3 雙覆蓋保溫保濕養(yǎng)護方案的確定

針對風機基礎混凝土養(yǎng)護方法不能適應實際需要而引起混凝土表面產(chǎn)生裂縫的問題，經(jīng)參建各方多次商討研究，并結合風機基礎形式和實際自然條件，在原來養(yǎng)護方式的基礎上進一步完善，以達到連續(xù)保溫保濕養(yǎng)護的設計要求，并實施規(guī)范要求的混凝土表里溫差、表面與大氣的溫差標準。具體方法如下。

（1）混凝土初凝前，在基礎底板、梁體和臺柱頂面先覆蓋一層薄膜;初凝后在薄膜上面再覆蓋一層土工膜毛氈或廢棉被，并充分灑水濕潤。

（2）在臺柱和梁頂布置花管長流水噴灑。

（3）根據(jù)風機基礎形狀尺寸，用防雨帆布定制成帳篷式養(yǎng)護罩，對基礎進行整體覆蓋，四周用繩子拉綁固定。具體見圖1～2。

上述方法即為風機基礎雙覆蓋保溫保濕養(yǎng)護法，較好落實了連續(xù)保溫保濕養(yǎng)護的設計要求，且將混凝土表面和大氣溫差控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，有效解決了冬季混凝土養(yǎng)護質(zhì)量問題。雙覆蓋養(yǎng)護效果詳見圖3～4，對混凝土內(nèi)部、表面、篷內(nèi)外溫度進行了詳細統(tǒng)計與分析。

根據(jù)統(tǒng)計分析情況，在澆筑完2 d后，風機基礎混凝土內(nèi)部達到峰值溫度65 ℃左右，混凝土表面溫度在46 ℃，篷內(nèi)氣溫25 ℃，外界氣溫在9 ℃以下。帳篷的保溫作用在一定程度上提升了混凝土的表面溫度，使混凝土里表溫差控制在規(guī)范要求的25 ℃以內(nèi);混凝土表面和大氣環(huán)境溫差控制在20℃左右，有效避免了溫差超標引起的溫度裂縫。

4 效果評價

風機基礎混凝土采用雙覆蓋保溫保濕養(yǎng)護的方法，有效解決了高山大風天氣對常規(guī)養(yǎng)護質(zhì)量的不利影響，并借助帳篷內(nèi)混凝土自身散發(fā)的熱量，形成蒸汽養(yǎng)護效應（實測帳篷內(nèi)濕度最大為83%）;帳篷的封閉作用使混凝土表面與大氣隔離，可充分利用其自身散發(fā)的熱量形成保溫作用，使其表面和大氣（帳篷內(nèi)）溫差控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi);有效彌補了山地風電建設中，因工藝和常規(guī)溫控措施受成本控制難以實施的不足，如風冷、水冷或冬季骨料加溫等。該養(yǎng)護方法可操作性強，能有效提升混凝土的養(yǎng)護質(zhì)量，值得推廣。根據(jù)對后續(xù)風機基礎混凝土表面裂縫的調(diào)查統(tǒng)計，未再發(fā)現(xiàn)有裂縫產(chǎn)生[2～4]。

5 結 語

高山風電建設屬國家提倡的新能源工程。目前技術成熟，建設規(guī)范不斷完善，但在土建施工上普遍工藝粗糙，特別是對風機基礎大體積混凝土質(zhì)量的控制不夠，沒有從根源對基礎裂縫進行分析，并明確具體措施，多數(shù)僅做表面處理，嚴重影響基礎混凝土的耐久性。

受投資成本控制和單個風電場混凝土總方量僅約1萬m3等的限制，砂石骨料多由小砂石加工廠生產(chǎn)，工藝粗糙，骨料級配和含泥量等指標不穩(wěn)定。多采用普通硅酸鹽水泥代替低熱水泥;基本未采取大體積混凝土生產(chǎn)該有的溫控措施，使混凝土生產(chǎn)、澆筑質(zhì)量難以得到保證。實際上，可通過養(yǎng)護來彌補其質(zhì)量上的不足，但受條件限制，多數(shù)風電場養(yǎng)護流于形式，存在無人值守、無養(yǎng)護灑水專用車、隨意覆蓋等問題。

在對多座高山風電場基礎混凝土養(yǎng)護質(zhì)量及裂縫情況調(diào)查的基礎上，提出雙覆蓋保溫保濕養(yǎng)護法。經(jīng)正江嶺風電場工程試用和結果分析，該法可較好提升高山風電場風機基礎混凝土養(yǎng)護質(zhì)量，保障風機基礎使用耐久性。

參考文獻：

[1] GB 50496-2012《大體積混凝土工程施工規(guī)范》.

[2] 戴烽滔. 大體積混凝土結構裂縫的分析與對策[J]. 四川建筑科學研究，2007（1）：19-21.

[3] 王頂堂. 大體積混凝土裂縫控制技術應用研究[J]. 安徽建筑工業(yè)學院學報（自然科學版），2008（6）：31-33.

[4] 陳輝，韓芳垣. 大體積混凝土溫度裂縫的成因分析及控制措施[J]. 混凝土，2006（2）：35-37.

（編輯：唐湘茜）