以檢測(cè)之名，守風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)之安 —風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土質(zhì)量綜合檢測(cè)技術(shù)
以檢測(cè)之名，守風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)之安
風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土質(zhì)量綜合檢測(cè)技術(shù)分享
在全球能源結(jié)構(gòu)加速向綠色低碳轉(zhuǎn)型的背景下，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。截至2023年，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量突破837GW，中國(guó)以超40%的份額領(lǐng)跑全球，年新增裝機(jī)75GW，相當(dāng)于每日200+臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)。然而，伴隨大型化、智能化、海上化趨勢(shì)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)面臨承載能力要求高、服役環(huán)境極端化的雙重挑戰(zhàn)。
風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展近些年有以下顯著特點(diǎn)：
1、大型化趨勢(shì)：單機(jī)容量從早期的1-3MW提升至15MW以上，葉輪直徑突破200米，塔筒高度超150米，顯著提升發(fā)電效率。
2、材料革新：葉片采用碳纖維復(fù)合材料，塔筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化，但設(shè)備重量與運(yùn)行載荷大幅增加，對(duì)基礎(chǔ)承載能力提出更高要求。
3、智能化升級(jí)：配備物聯(lián)網(wǎng)傳感器與預(yù)測(cè)性維護(hù)系統(tǒng)，但對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定性依賴度更高。
4、海上風(fēng)電崛起：海上環(huán)境嚴(yán)苛（鹽霧腐蝕、波浪沖擊），基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度成倍增加。
這種迅猛發(fā)展對(duì)風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)提出了前所未有的挑戰(zhàn)：陸上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已突破8MW，基礎(chǔ)直徑超過(guò)30米；海上風(fēng)電更進(jìn)入15MW超大型機(jī)組時(shí)代，單樁基礎(chǔ)嵌入海底深度普遍超過(guò)60米，單基混凝土澆筑量最高達(dá)4000立方米。如此龐大體量的隱蔽工程，其質(zhì)量直接關(guān)乎風(fēng)機(jī)20-25年設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)的安全運(yùn)行，僅2022年全球就發(fā)生風(fēng)電基礎(chǔ)失效事故37起，直接經(jīng)濟(jì)損失超12億美元，暴露出傳統(tǒng)質(zhì)量管控體系的嚴(yán)重不足。
從服役環(huán)境看，風(fēng)電基礎(chǔ)正面臨極端化的雙重考驗(yàn)。在廣袤的西北陸上風(fēng)電集群，混凝土結(jié)構(gòu)承受著年溫差超60℃的劇烈凍融循環(huán)（日均溫度波動(dòng)達(dá)15℃）、鹽堿土壤中Cl?濃度高達(dá)5%的化學(xué)侵蝕，以及8級(jí)沙塵暴帶來(lái)的磨蝕效應(yīng)。數(shù)據(jù)顯示，新疆、內(nèi)蒙古地區(qū)投運(yùn)5年以上的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，表面裂縫發(fā)生率超過(guò)23%，鋼筋保護(hù)層碳化深度平均達(dá)12mm（超出設(shè)計(jì)允許值3倍）。而在蓬勃發(fā)展的海上風(fēng)電領(lǐng)域，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)更陷入多重破壞因子的"包圍圈"：200米水深處壓力達(dá)2MPa的靜水壓力、含鹽量3.5%的海水長(zhǎng)期浸泡、潮汐區(qū)每日2次的干濕交替作用，以及臺(tái)風(fēng)期高達(dá)15m/s的波浪沖擊荷載（等效于每平方米承受50噸沖擊力）。南海某海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維報(bào)告顯示，導(dǎo)管架基礎(chǔ)灌漿段在服役3年后即出現(xiàn)76%的密實(shí)度衰減，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)整體性。
風(fēng)車(chē)基礎(chǔ)是支撐整個(gè)機(jī)組運(yùn)行的“生命線”，其混凝土質(zhì)量檢測(cè)貫穿設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維全周期，重要性體現(xiàn)在：
1、安全風(fēng)險(xiǎn)控制：基礎(chǔ)沉降、裂縫或強(qiáng)度不足可能導(dǎo)致塔筒傾斜、葉片損毀甚至倒塌，引發(fā)重大安全事故。某風(fēng)電場(chǎng)因基礎(chǔ)混凝土密實(shí)度不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致不均勻沉降，被迫停運(yùn)整改，損失超千萬(wàn)元。
2、全周期成本優(yōu)化：施工階段嚴(yán)格檢測(cè)可避免返工，節(jié)省工期與成本；運(yùn)維期定期監(jiān)測(cè)可預(yù)防隱性缺陷擴(kuò)大，降低維修費(fèi)用。數(shù)據(jù)顯示，基礎(chǔ)問(wèn)題導(dǎo)致的維修成本占總運(yùn)維成本的30%以上。
當(dāng)前風(fēng)電基礎(chǔ)混凝土檢測(cè)技術(shù)體系呈現(xiàn)"多維融合、精度躍升"的特征，但仍面臨復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性不足的挑戰(zhàn)。在陸上風(fēng)電領(lǐng)域，超聲相控陣技術(shù)（頻率0.5~5MHz）已實(shí)現(xiàn)對(duì)深度1.5m內(nèi)的混凝土缺陷的掃描；沖擊回波聲頻法可檢測(cè)2m厚度內(nèi)板狀結(jié)構(gòu)的缺陷，但是整體有效檢測(cè)深度在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)（通常厚度超過(guò)4m）的檢測(cè)中不完全適用。今天給大家分享更為適宜的風(fēng)電基礎(chǔ)混凝土質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)。
一、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)檢測(cè)中的彈性波CT法
彈性波CT法需要兩個(gè)對(duì)測(cè)面，并且具有測(cè)試范圍大（可達(dá)數(shù)十米），結(jié)果直觀的優(yōu)點(diǎn)，在滿足對(duì)測(cè)面需求的情況下適用于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土缺陷檢測(cè)。典型的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)剖面圖如下所示：
風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)剖面設(shè)計(jì)圖
中間圓柱部位為墩柱，外圍部分為錐體，基礎(chǔ)回填后通常只外露墩柱表面。如下圖所示：
風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)回填后外觀圖
采用彈性波CT法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需對(duì)部分回填土進(jìn)行挖掘，一般將墩柱外圍3m范圍內(nèi)回填土開(kāi)挖至顯露錐體表面狀態(tài)，并將測(cè)區(qū)清理干凈。
風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)回填土開(kāi)挖
對(duì)墩柱部位進(jìn)行彈性波CT檢測(cè)，可以考慮豎向方向、水平圓形兩種CT布線方式，豎向剖面測(cè)點(diǎn)間距建議≤20cm，剖面數(shù)量建議＞3，且平均分布。
墩柱豎向彈性波CT剖面布置示意圖
墩柱豎向彈性波CT剖面布置示意圖
錐體位置可采用水平向的圓形CT測(cè)區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，剖面數(shù)量及測(cè)點(diǎn)間距根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況確定。
圓形CT檢測(cè)需采用多通道檢測(cè)設(shè)備，錐體傳感器可采用熱熔膠固定。
水平向彈性波圓形CT剖面布置示意圖
二、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)檢測(cè)中的面波CT技術(shù)
針對(duì)現(xiàn)有單面檢測(cè)手段的不足，我們開(kāi)發(fā)了面波CT技術(shù)，面波CT技術(shù)可在被測(cè)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行檢測(cè)（單測(cè)試面），同時(shí)最大有效檢測(cè)深度可達(dá)5m，在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土質(zhì)量檢測(cè)中較為適用。
風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)檢測(cè)中，面波CT法以測(cè)線形式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。可在墩柱頂面、錐體表面采用環(huán)向或徑向布置測(cè)線，如下圖所示。
墩柱頂面測(cè)線布置示意圖
錐體環(huán)向測(cè)線布置示意圖
測(cè)點(diǎn)間距建議≤1m，敲擊點(diǎn)距傳感器CH0通道可控制在0.4m~0.7m區(qū)間。典型的面波信號(hào)如下圖：
典型的面波波形信號(hào)
三、風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中裂縫檢測(cè)技術(shù)
風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)裂縫檢測(cè)最常用的技術(shù)是面波法和相位反轉(zhuǎn)法。
面波法利用彈性波中面波（R波）的衰減特性，根據(jù)在健全位置標(biāo)定所得的面波（R波）波速，準(zhǔn)確測(cè)試面波經(jīng)過(guò)裂縫前后面波的衰減，并結(jié)合相關(guān)參數(shù)計(jì)算出當(dāng)前裂縫的深度Η：
Η=-0.7429λIn(χ)
其中，H、λ和χ分別為裂縫深度（m）、表面波波長(zhǎng)(m)和面波經(jīng)過(guò)裂縫后/前的能量衰減比。
面波法檢測(cè)典型波形圖
相位反轉(zhuǎn)法當(dāng)激發(fā)的彈性波（包括聲波、超聲波）信號(hào)在混凝土內(nèi)傳播，穿過(guò)裂縫時(shí)，在裂縫端點(diǎn)處產(chǎn)生衍射，其衍射角與裂縫深度具有一定的幾何關(guān)系。相位反轉(zhuǎn)法正是基于該原理將激振點(diǎn)與接收點(diǎn)沿裂縫對(duì)稱配置，從近到遠(yuǎn)逐步移動(dòng)。當(dāng)激振點(diǎn)與裂縫的距離與裂縫深度相近時(shí)，接收信號(hào)的初始相位會(huì)發(fā)生反轉(zhuǎn)。
相位反轉(zhuǎn)法原理圖
案例一：在建風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)部缺陷檢測(cè)
貴州省某在建風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測(cè)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C45，基礎(chǔ)中心位置有預(yù)埋電纜溝槽為PVC管，管與管之間有混凝土填充。
現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)圖
由于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)存在圓錐面，故在圓錐面位置進(jìn)行了4個(gè)剖面檢測(cè)，上下圓柱采用圓柱3維檢測(cè)，測(cè)線布置及剖面位置請(qǐng)參考下圖。
彈性波CT測(cè)線布置示意圖（左：?jiǎn)螌悠拭? 右：圓柱3維）
測(cè)區(qū)布置圖
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)共布置2個(gè)圓柱3維測(cè)區(qū)及4個(gè)剖面層析，其中圓柱1高2m,直徑7.2m,圓柱2高0.8米，直徑20.4m,4個(gè)剖面直接分別為：10.2m、13.2m、16.7m、18.5m。
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
測(cè)試區(qū)域內(nèi)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)圓柱1及圓柱2無(wú)明顯缺陷，但存在相對(duì)波速較低區(qū)域，其中心低波速區(qū)為預(yù)留電纜槽影響；4個(gè)剖面均有藍(lán)色低波速區(qū)域，且整體波速均較低；檢測(cè)結(jié)果如下圖所示。
測(cè)區(qū)圓柱1檢測(cè)結(jié)果圖
備注：整體無(wú)明顯缺陷，由于中心部位預(yù)留電纜PVC管道影響，X（2.2-5.4）Y（1.9-5.2）區(qū)間內(nèi)波速較低。
測(cè)區(qū)圓柱2檢測(cè)結(jié)果圖
備注：整體無(wú)明顯缺陷，但X（4.0-13.8）Y（6.7-15.2）區(qū)間內(nèi)波速較低。
剖面1檢測(cè)結(jié)果圖
剖面2檢測(cè)結(jié)果圖
剖面3檢測(cè)結(jié)果圖
剖面4檢測(cè)結(jié)果圖
備注：1、紅色、黃色、綠色表示高波速區(qū)域，越靠近紅色區(qū)域波速越高，混凝土質(zhì)量越好；2、 藍(lán)色區(qū)域?yàn)榈筒ㄋ賲^(qū)域，為缺陷區(qū)域。
根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，相關(guān)檢測(cè)單位也對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行了超聲回彈綜合法測(cè)試及后期取芯壓載實(shí)驗(yàn)，得出強(qiáng)度大多均未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，強(qiáng)度偏低。
案例二：風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)
受相關(guān)單位委托，我司技術(shù)人員對(duì)重慶市某風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試方法：彈性波層析成像（CT）、沖擊回波聲頻法、面波CT。
風(fēng)機(jī)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)
現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該基礎(chǔ)進(jìn)行了開(kāi)挖，露出部分檢測(cè)面。因此在能夠進(jìn)行對(duì)測(cè)掃描的部分采用彈性波CT法進(jìn)行檢測(cè)，只能單面檢測(cè)的位置采用沖擊回波聲頻法、面波CT法進(jìn)行驗(yàn)證檢測(cè)。
風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)剖面圖
風(fēng)機(jī)外露部分現(xiàn)場(chǎng)圖
檢測(cè)區(qū)域及方法選擇如下圖所示：
檢測(cè)方法及對(duì)應(yīng)區(qū)域關(guān)系圖
在基礎(chǔ)中墩側(cè)面345°-165°、292°-112°上布置兩個(gè)彈性波CT測(cè)試剖面。
彈性波CT剖面布置示意圖
彈性波CT測(cè)區(qū)示意
彈性波CT測(cè)區(qū)示意
在基礎(chǔ)中墩頂面0°-180°、90°-270°上布置兩條面波CT測(cè)線，中墩頂面外圈布置逆時(shí)針環(huán)向測(cè)線。
左：中墩頂面測(cè)線布置 右：墩柱頂面外圈環(huán)向測(cè)線布置
基礎(chǔ)錐體距中墩側(cè)面1.5m處布置環(huán)向逆時(shí)針測(cè)線。
錐體環(huán)向測(cè)線布置示意圖
錐體環(huán)向測(cè)線布置示意圖
彈性波CT波速反演剖面圖如下：結(jié)合設(shè)計(jì)資料可知，頂面中間為排水孔，故該處低速區(qū)不判定為缺陷，另外缺陷主要集中在測(cè)區(qū)外左下角、中間下部位置，測(cè)區(qū)內(nèi)部混凝土無(wú)明顯缺陷。
345°~165°彈性波CT波速剖面圖
（缺陷集中在左下角、中間上下處及右上角）
292°~112°彈性波CT波速剖面圖
（缺陷集中在左下角、中間上下處）
中墩頂面外圈環(huán)向測(cè)線測(cè)試結(jié)果圖
（上：面波CT頻散曲線圖，下：沖擊回波聲頻剖面圖）
中墩頂面內(nèi)圈測(cè)線結(jié)果圖像：
1、0°~180°內(nèi)圈測(cè)線
中墩頂面內(nèi)圈0°~180°測(cè)線測(cè)試結(jié)果圖
（上：面波CT頻散曲線圖，下：沖擊回波聲頻剖面圖）
2、90°~270°內(nèi)圈測(cè)線
中墩頂面內(nèi)圈90°~270°測(cè)線測(cè)試結(jié)果圖
（上：面波CT頻散曲線圖，下：沖擊回波聲頻剖面圖）
由圖可知，基礎(chǔ)中墩頂面外圈環(huán)線信號(hào)反射位置集中在距頂面約2m處，故推斷2m深處存在混凝土缺陷，疑似為冷縫界面。
圖中，基礎(chǔ)中墩頂面內(nèi)圈測(cè)線反射信號(hào)存在中部深，邊緣淺的跡象，中間最深處約為3.5m，接近設(shè)計(jì)厚度值，但邊緣部位仍存在反射信號(hào)提前問(wèn)題，推斷為邊緣處存在裂縫或混凝土缺陷。
中墩中部距頂面約1m處存在低波速區(qū)，該處缺陷同彈性波CT圖像一致。
基礎(chǔ)中墩上部單面測(cè)線檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表
剖面編號(hào) | 缺陷編號(hào) | 缺陷描述 |
基礎(chǔ)中墩外圈環(huán)向測(cè)線（螺紋鋼外） | 8# | 距測(cè)試面約2m處存在缺陷，疑似冷縫界面 |
基礎(chǔ)中墩內(nèi)圈測(cè)線 （螺紋鋼內(nèi)） | 9# | 結(jié)構(gòu)分層界面反射信號(hào)呈現(xiàn)中間深邊緣淺趨勢(shì)，中間反射信號(hào)深度約3.5m，邊緣約2m，呈漸變趨勢(shì)。 |
案例三：風(fēng)電基礎(chǔ)混凝土裂縫檢測(cè)
受三一重能股份有限公司委托，我們對(duì)吉林省某混塔樣機(jī)混凝土基礎(chǔ)進(jìn)行了裂縫深度檢測(cè)，全力保障風(fēng)電設(shè)施的安全運(yùn)行。
此次檢測(cè)的混凝土基礎(chǔ)厚度達(dá) 2.5m，寬度為 1.3m，呈圓環(huán)狀分布。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，裂縫分布在基礎(chǔ)底面和側(cè)面，底面有 12 條縱向裂縫，部分伴有漏水及風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)；側(cè)面則有 7 條裂縫。針對(duì)不同位置的裂縫，我們規(guī)劃?rùn)z測(cè)方案，底面采用面波法，側(cè)面采用相位反轉(zhuǎn)法，力求精準(zhǔn)獲取裂縫深度數(shù)據(jù)。
現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照片
混凝土基礎(chǔ)底面現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)
本次混凝土基礎(chǔ)底面檢測(cè)采用的方法為面波法。按照委托單位的要求，對(duì)裂縫深度進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，混凝土基礎(chǔ)底面共存在12條縱向裂縫，均已貫穿寬度方向，且部分裂縫表面有漏水的情況發(fā)生。布置測(cè)區(qū)時(shí)，對(duì)每條縱向裂縫均勻布置三處測(cè)區(qū)，并按照“由表到里”的順序進(jìn)行編號(hào)。
面波法典型波形圖
其中，12條縱向裂縫的傳感器到裂縫距離L1均為0.2m，敲擊點(diǎn)距最近傳感器距離L2均為0.25m。
測(cè)點(diǎn)布置圖
混凝土基礎(chǔ)側(cè)面現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)
本次混凝土基礎(chǔ)側(cè)面檢測(cè)采用的方法為相位反轉(zhuǎn)法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，混凝土基礎(chǔ)側(cè)面共計(jì)含有7條裂縫。布置測(cè)區(qū)時(shí)，選取裂縫開(kāi)口最大的位置布置測(cè)點(diǎn)，起點(diǎn)距裂縫距離0.01m，測(cè)點(diǎn)間隔0.01m。測(cè)點(diǎn)布置如圖所示。
相位反轉(zhuǎn)法測(cè)點(diǎn)布置
相位反轉(zhuǎn)法典型波形圖
結(jié)語(yǔ)
如案例所示，用混凝土彈性波CT法、面波法以及混凝土裂縫的檢測(cè)方法對(duì)風(fēng)電基礎(chǔ)檢測(cè)進(jìn)行綜合無(wú)損檢測(cè)。經(jīng)過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，其測(cè)試精度、測(cè)試效率、適用范圍等均可滿足工程要求，對(duì)保證風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的質(zhì)量具有非常積極的意義。自推向市場(chǎng)以來(lái)，在較短的時(shí)間內(nèi)已在多個(gè)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)程中得到了綜合性的應(yīng)用。在此，我們衷心期望這些技術(shù)、方法和設(shè)備能夠?yàn)槲覈?guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)建設(shè)貢獻(xiàn)自己的力量，同時(shí)也期待著在實(shí)際應(yīng)用中不斷地完善和成熟。
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