风电基础地脚螺栓采用灌浆料的重要性和施工工艺

风电基础与地脚螺栓结构形式及受力特点

1 风电机组基础的主要结构形式

基础型式选择本质上是在地基承载力、地形坡度、混凝土方量、工期与造价之间权衡。平地、地质均匀的场址优先采用重力式扩展基础，其设计与施工经验最成熟、单位造价最低；软弱地基或山地陡坡场址则需通过桩基础控制沉降与抗倾覆；希望节约混凝土用量的中型机组可采用梁板式基础；岩石裸露的山地、高海拔场址采用岩石锚杆基础可大幅减少混凝土与钢材用量。无论采用何种基础型式，塔筒与基础之间的连接节点（基础环或锚栓笼）都必须通过灌浆实现受力连续，灌浆质量因此具有普遍性意义。

陆上风电机组现浇式混凝土基础主要有重力式扩展基础、桩基础、梁板式基础与岩石锚杆基础四类，其中重力式扩展基础应用最广。

重力式扩展基础平面多为圆形或正八边形，靠大体积混凝土自重与底面积抵抗塔筒传来的倾覆力矩，上部通过基础环或预应力锚栓笼与塔筒连接。其构造简单、施工成熟、造价较低，适用于一般平地、地基承载力较好、埋深适中的场址，是陆上应用最广泛的形式。

桩基础采用钢筋混凝土或钢桩深入稳定土层（如中风化岩层），上部设承台连接塔筒，适用于软土、填土、地下水位高、压缩层厚等承载力差的场址，以及山地坡度15°~25°、承载力要求高（≥300kPa）的中大型混塔机型。梁板式基础由中央厚台柱与向外辐射的肋梁、底板组成，较纯扩展基础节省混凝土方量，常与预应力锚栓笼组合使用。岩石锚杆基础则在完整岩石地基中钻孔植入锚杆，利用岩体强度抵抗倾覆，适用于云南、威海乳山等岩石裸露的山地、高原场址，关键在于锚杆深度、间距与锚固力控制。

2 塔筒与基础的两种连接方式

塔筒与混凝土基础的连接主要有基础环式（筒埋式）与预应力锚栓笼式两种。基础环式将一段带上下法兰与加劲肋的钢制基础环整体浇筑于混凝土台柱内，塔筒法兰与基础环上法兰螺栓连接；其缺点是基础环与混凝土界面为传力薄弱面，长期风荷载下易发生界面脱开与环周混凝土疲劳剪切破坏。预应力锚栓笼式由锚栓组件与上、下锚板组成圆柱形“锚栓笼”预埋于混凝土，塔筒底法兰通过张拉的预应力锚栓压紧在灌浆层与混凝土台柱上，是目前陆上最常用的连接型式。

对比两种连接方式可见，预应力锚栓笼式通过在台柱中建立预压应力，显著改善了受拉侧混凝土的受力状态，克服了基础环式“界面脱开—疲劳剪切—空腔研磨”的固有缺陷，因而成为陆上主流。但锚栓笼式对灌浆层的依赖反而更高：上锚板下部必须以高强灌浆料密实填充并调平，才能把巨大法兰压力均匀扩散到混凝土；一旦此处灌浆不密实，锚板下局部承压超标，就会沿主风向发展为压溃，进而牵动锚栓预应力损失。这正是威海乳山A1风机监测到的破坏路径。

依据 T/CRES 0018-2023《风力发电机组 预应力基础锚栓笼组合件技术规范》，锚栓笼组合件由锚栓组件、锚板和配套件组成圆柱形笼状组合件，锚栓组件由锚栓、螺母、垫圈、支撑螺母和锁紧螺母等组成。

3 预应力地脚螺栓（锚栓笼）构造

锚栓环形布置呈笼状，一座基础锚栓数量可接近200根（梁板式预应力锚栓基础工程实例）。上、下锚板起分散荷载、调平与便于吊装的作用：上锚板厚度不应小于40mm，宽度单边相对T型法兰不应小于30mm；下锚板厚度不应小于40mm，宽度不小于T型法兰宽度；【规范/设计要求：上锚板下部应设置高强灌浆】。

锚栓规格执行 NB/T 10214-2019《风力发电机组用锚杆组件》。普通螺纹锚杆常用规格M42~M64，大兆瓦机型直径多为M64~M80、长度超3m，材质多为42CrMoA合金结构钢调质处理，抗拉强度高并要求低温冲击韧性。锚栓在k倍（k一般≥0.7）公称规定塑性延伸强度的初始预应力载荷下工作，应力松弛要求10h松弛率≤1.5%、1000h≤3%。

从传力机理看，预应力张拉使上锚板与塔筒法兰压紧在灌浆层与混凝土台柱顶面，相当于对台柱混凝土施加了预压应力。在风机运行时，迎风向（受压侧）的锚栓拉力减小、混凝土压应力增大，背风向（受拉侧）的锚栓拉力增大、原本预压的混凝土力图受拉开裂。正是灌浆层与混凝土保持紧密接触、不脱开，才使背风向混凝土始终处于受压或低应力状态，避免开裂。若灌浆层收缩脱空、锚板下出现空腔，则预压作用在背风向丧失，锚栓拉力急剧增大并向邻近锚栓转移，形成“应力重分布—应力幅增大—疲劳损伤累积”的恶性循环。

（注：NB/T 10311-2019 中关于锚栓/基础环与二次灌浆层厚度、灌浆料抗压强度设计值取值的具体条文号，未在公开渠道核实，引用前需核对正式标准文本。）

4 基础受力特点

上部塔筒传至基础的荷载可简化为倾覆弯矩M、水平剪力V、竖向轴力N与扭矩的组合，其中倾覆弯矩最大、破坏性最强。大兆瓦机型竖向荷载可达约20000kN，水平荷载（风+地震）超5000kN，倾覆力矩超100000kN·m。单栓最大拉力可按 T_max=(4M)/(π·D_bolt·n)−P/n 估算。

从传力链整体看，风电机组基础是一个“塔筒法兰—预应力锚栓—上锚板—灌浆层—混凝土台柱—承台—地基”串联体系，任一环节刚度或强度不足，都会把荷载转移给相邻环节。灌浆层位于上锚板与混凝土之间，其高弹模（≥38GPa）与高强度（A60以上）正是保证这一环不先失效的前提。若以低弹模、低强度材料替代，灌浆层在反复荷载下率先变形、开裂，荷载即转嫁给锚栓与局部混凝土，触发前述连锁损伤。这从机理上解释了“为何必须采用风电专用高强无收缩灌浆料，而不能用普通料凑合”。

对灌浆层而言，高周疲劳意味着它必须在数百万乃至上千万次风振循环下保持不脱开、不疲劳损伤。普通水泥砂浆在反复荷载下粘结界面易劣化、刚度衰减快，长期后传递能力下降；而风电专用灌浆料通过高弹模（≥38GPa）与高密实度，保持长期刚度稳定，使应力在灌浆层与混凝土间稳定传递，不致因刚度退化而把荷载突然转移给锚栓。这也是为何不能用普通设备灌浆料或桥梁支座灌浆料替代的根本原因——它们的抗疲劳与高弹模指标未按风电长期动载考核。

风机运行承受随机动荷载与叶轮转动的反复激励，属高周疲劳问题。NB/T 10214-2019要求锚杆材料在最大应力为Rp0.2的80%、疲劳应力幅≥100MPa下经受≥1000万次循环不破坏，锚杆—螺母连接副经受≥200万次循环不破坏。塔架底法兰在锚栓孔附近出现应力集中并呈带环状分布，基础顶部最大应力可大于C40混凝土抗压强度设计值，需配置局部受压钢筋。在脉动风场下，基础底板受拉侧会出现局部脱开，灌浆层与锚板的密实填充正是抑制脱开、保证受压传力链连续的关键。

地脚螺栓采用高强无收缩灌浆料的技术必要性

1 水泥基灌浆材料的分类与技术指标体系

水泥基灌浆材料是以水泥为胶结料、配以级配骨料与功能性外加剂制成的干粉状材料，现场加水拌合后具有高流动、微膨胀、不泌水、高早强等特点。按 GB/T 50448-2015 表4.1.1与 JC/T 986-2018 第6.1条，按最大骨料粒径与流动性测试方法分为四类；按 JC/T 986-2018 抗压强度分级为A50、A60、A70、A85四级。产品标记示例：水泥基灌浆材料 Ⅰ A50 JC/T 986-2018。

表3-1 水泥基灌浆材料分类表（GB/T 50448-2015 表4.1.1；JC/T 986-2018 第6.1条）

表3-2 JC/T 986-2018 流动度指标（表1，第6.2条）

表3-3 JC/T 986-2018 抗压强度分级（表2，第6.3条，单位MPa）

风电锚栓底板二次灌浆工程通常要求28d抗压强度≥60MPa，即选用A60级及以上、常采用A60~A85高强无收缩灌浆料。

表3-4 JC/T 986-2018 其他性能指标（表3，第6.4条）

注：抗压强度等级A85的灌浆料3h竖向膨胀率指标可放宽至0.02%～3.5%（JC/T 986-2018表3注a）；氯离子含量<0.1%（GB/T 50448-2015表4.1.1）。

2 密实填充，保障锚栓—混凝土荷载传递

从微观结构看，合格灌浆料以干粉单组分供应，现场定量加水后经强制搅拌形成均匀浆体，胶砂体系致密、界面过渡区薄弱层薄，因此粘结强度与抗渗性显著优于现场拌制的普通砂浆。其微膨胀组分在水化早期适度膨胀，补偿水泥石的自生收缩与干燥收缩，使硬化体在限制条件下（被模板、锚板、混凝土三面约束）产生预压应力，抵消后期收缩拉应力。这正是普通混凝土与普通水泥砂浆所不具备的核心机理——后两者依靠自身硬化，干缩大、易开裂，用于锚板下薄层时几乎必然脱空。

灌浆层是传递塔筒巨大荷载（自重、风载、地震力）至基础的关键“结构关节”，需填充锚栓与孔壁、锚板下、混凝土与锚板之间的全部空隙。有限元研究表明：施加预应力后上锚板内外边缘均受压，高强灌浆料的应力分布与上锚板相似，说明灌浆层直接参与传力。【工程实践推荐做法】若锚板下存在空腔、握裹力不足，将直接导致锚栓预应力流失，荷载传递链中断。因此灌浆料必须具备自流平、自密实能力，方能在锚栓与钢筋密集、无法振捣的部位实现无空腔填充。

3 微膨胀补偿收缩，保持有效接触与预应力

【规范强制要求】灌浆材料竖向膨胀率3h应为0.1%~3.5%、24h与3h膨胀值之差为0.02%~0.50%，泌水率应为0（GB/T 50448-2015表4.1.1；JC/T 986-2018表3）。可控微膨胀用于补偿浆体硬化过程中的化学收缩与干燥收缩，保证法兰/锚板与灌浆层紧密贴合、无脱空，避免因收缩脱空导致有效接触面积下降。

从预应力保持角度看，锚栓预紧力的损失来源有三：锚栓材料本身的应力松弛、混凝土的徐变收缩，以及灌浆层收缩脱空导致的有效压紧面积下降。前两者是设计阶段通过分级张拉、超张拉可部分补偿的；而灌浆层脱空造成的损失是突发性、不可补偿的——一旦锚板下出现缝隙，法兰压紧力即刻下降，在风振反复作用下预紧力迅速衰减。可控微膨胀灌浆料通过早期适度膨胀抵消这一收缩趋势，把灌浆层—锚板界面长期维持在密贴状态，是维持预应力长期有效的材料基础。

锚栓松弛本身是受控对象（10h≤1.5%、1000h≤3%），若灌浆层收缩脱空，会叠加预应力损失。现场实测失效链显示：风机启停冲击可致预紧力松弛>20%。采用无收缩灌浆料，是把“灌浆层—锚板—混凝土”三者长期保持有效接触面积、抑制预应力叠加损失的前提。

4 高早强，缩短工期、满足张拉与吊装节点

高早强特性对风电工程工期价值显著。陆上风电常以“机位—机位”流水作业，吊装窗口受天气与道路制约，灌浆后等待28d再张拉吊装在经济上不可接受。A60级灌浆料1d抗压即≥20MPa、3d≥40MPa，专用风电料可达1d≥35~45MPa、3d≥70MPa，使主体混凝土浇筑数日后即可灌浆、灌浆养护数日后即可达到张拉/吊装所需强度（75%设计强度终紧、100%张拉加载）。这种“快硬快强”能力，把基础施工与塔筒吊装之间的等待时间从以周计压缩到以天计，是普通混凝土（1d仅数MPa）无法实现的。

陆上风电灌浆料典型1d抗压≥35~45MPa、3d≥70MPa、28d≥80~120MPa（海上可达140MPa）。【工程实践推荐做法】主体混凝土浇筑完成约3天后即可灌浆；初级灌浆养护至强度达设计70%以上方可进行张拉/加载；灌浆层强度达设计75%以前严禁进行地脚螺栓终紧作业或设备加载，达100%设计强度后方可进行试运转/加载。高早强特性使风电基础可在有限工期内完成“浇筑—灌浆—养护—张拉—吊装”的紧凑节点，这是普通混凝土与水泥砂浆无法满足的。

5 高流动、自密实、免振捣，保障密集区浇筑质量

【规范强制要求】Ⅱ类灌浆料截锥流动度初始≥340mm、30min≥310mm，Ⅲ类≥290mm/≥260mm（GB/T 50448-2015表4.1.1）。【规范强制要求】二次灌浆过程中严禁振捣，可用灌浆助推器沿浆体流动方向底部推动，严禁从中上部推动（GB/T 50448-2015 第7.4.5条）；地脚螺栓锚固灌浆过程中亦严禁振捣、可适当插捣，灌浆结束后不得再次调整螺栓（第7.3.5条）。高流动、零泌水、不离析的浆体可自流平填充25~300mm环形大间隙，适应锚栓/钢筋密集、无法振捣部位，从工艺上根除了“靠振捣密实”在密集区难以奏效的痼疾。

6 抗疲劳、抗渗、抗冻融，提升耐久性

耐久性层面，风电基础设计服役期通常20年以上，灌浆层长期暴露于干湿交替、冻融循环与盐雾环境。高强灌浆料因水胶比低、结构致密，氯离子渗透系数低，可有效阻止水分与有害离子侵入钢筋与锚栓，防止锈蚀膨胀引起的剥落。其零泌水特性保证硬化体内部无泌水通道，抗渗等级显著高于普通砂浆。对寒冷地区，冬期施工受冻前强度与覆盖保温措施是保证冬季灌浆不被冻害的关键；对沿海盐雾地区，则应关注氯离子含量限值（<0.1%）与抗氯离子渗透指标。

风电灌浆料长期承受往复风振荷载，重点考核抗疲劳性能与高弹性模量（弹性模量≥38GPa为关键指标）。【工程实践推荐做法/厂家强制要求】严禁用普通设备灌浆料、桥梁支座灌浆料直接替代风电专用灌浆料。风电基础灌浆材料有专用行业标准 NB/T 10909-2021《风电机组基础灌浆材料》，面向需卓越抗疲劳性能的预应力装置、锚固塔架螺栓等场合。高密实、低泌水、微膨胀的浆体结构同时带来低渗透、高抗冻融性能，适应陆上寒冷、盐雾等严酷环境。

7 二次灌浆层调平与均布上部荷载

二次灌浆层用于塔筒底部/基础环找平，无收缩、无泌水、自流平，承受并均布塔筒法兰传来的巨大压力到基础顶面，厚度允许偏差宜控制在±5mm。上锚板下部设高强灌浆，兼起分散荷载与调平作用。若调平层不平、不密实，上部巨大压力将集中作用于局部，造成应力集中与局部压溃。

8 灌浆料与普通混凝土、普通水泥砂浆性能定量对比

表3-5 高强无收缩灌浆料 vs 普通混凝土 vs 普通水泥砂浆性能对比表

注：普通混凝土/水泥砂浆对比值随配比波动较大，上表为量级对比；灌浆料指标为厂家按 NB/T 10909/GB/T 50448 公开数据。灌浆材料选择不当（如无收缩灌浆料28d抗压<60MPa）会影响螺栓与基础结合强度、导致荷载传递失效。

3.9 多维度价值：结构安全/耐久性/施工性/经济性

从经济性角度做粗略对比：一台大兆瓦风机基础灌浆料用量通常为数吨至十余吨，材料费用在整台风机投资中占比极低；但一旦因灌浆失效导致基础凿除、重新吊装、停机发电损失，单次维修代价即可达数百万元。换言之，灌浆环节“省下来”的材料费与“赔进去”的维修代价完全不在一个量级。因此对业主、施工方与材料供应商而言，采用合格高强无收缩灌浆料并严格控制施工质量，都是风险收益比最优的选择；这也正是公司产品价值的核心论据——用极低成本的材料与工艺投入，守住结构安全的底线。

结构安全维度：灌浆层是受压传力链的一环，密实无收缩灌浆把塔筒弯矩转化为锚栓拉力与混凝土/灌浆层压力，抑制受拉侧脱开，从根本上控制应力集中与局部压溃。耐久性维度：高弹模、抗疲劳、低渗透、抗冻融，适应20~25年以上设计服役期。施工性维度：干粉单组分、现场加水即用、自流平免振捣、高早强，显著缩短复杂部位施工周期。经济性维度：单次灌浆成本相对于整台风机造价占比很低，但一次灌浆失效导致的凿除、返工、停机与加固代价高达数百万元乃至拆除重建，采用合格高强无收缩灌浆料是投入产出比最高的安全措施。

风电基础灌浆的关键部位

风电基础体系中，“地脚螺栓采用高强无收缩灌浆料”实际涉及两类不同灌浆：其一为地脚螺栓锚固灌浆（GB/T 50448-2015 第7.3节），成孔后灌入以固定锚栓；其二为二次灌浆（第2.0.5/7.4节），指塔筒底法兰（上锚板/底板）底面与混凝土基础面之间预留环形/平面缝隙的填充性灌浆。现代陆上风电多采用预应力锚栓笼组合件，基础混凝土一次浇筑时预埋锚栓笼并精确定位，二次灌浆主要指塔筒（或转接段）就位后底法兰与承台顶面预留的环形灌浆层。各关键灌浆部位及其作用、常用材料见下表。

两类灌浆的验收对象与质量控制重点并不相同：地脚螺栓锚固灌浆重在保证锚栓被牢固握裹、孔内密实、灌浆后螺栓不再扰动；二次灌浆重在保证底法兰/上锚板与混凝土基础整面接触、无空鼓、找平精度满足水平度要求。现场应分别编制技术交底、分别留置试块、分别组织隐蔽验收，不可混为一谈。对陆上预应力锚栓笼式基础而言，实际工程中混凝土一次浇筑时已把锚栓笼精确定位预埋，故现场灌浆工作以塔筒/转接段就位后的环形二次灌浆为主；传统预埋螺栓基础才涉及预留孔锚固灌浆。

表4-1 关键灌浆部位表

施工工艺流程

风电基础地脚螺栓锚固灌浆与二次灌浆的总工艺流程为：施工准备→基面处理→锚栓笼定位→模板支设→搅拌计量→灌浆浇筑→养护→拆模→质量验收→张拉/吊装。总流程如下图所示。

关键施工技术参数

参数选用时应把握两条原则：一是“就高不就低”，风电锚栓底板二次灌浆应选A60及以上，避免以低强度料应付；二是“以产品说明书为准”，水料比、适用温度、可用时间等厂家专属参数必须随货索取，不得凭经验估计。下表所列参数中，凡标注“规范强制”者必须严格执行，标注“厂家推荐/工程实践”者应结合产品说明书与现场条件确定。

本章汇总灌浆料选型与现场施工的关键技术参数，逐项标注来源与强制/推荐性质。

表6-1 关键施工技术参数表

风电基础灌浆料