风电设施灾害实例及减灾对策：城市抗震防灾手册

电力抗灾在国外通常是土木的一个重要领域，在我国目前来讲对此重视度尚不高，应加大开展电力系统的抗震研究，推广使用先进可靠的新技术和新装备，提高电力系统的防灾能力。

近年来，国家对清洁能源特别是风电的发展给予了很大的政策支持，我国海上风电产业也正在迅速崛起。海风是永久性的绿色能源，和陆上风力资源相比，海上风力资源有着风速大、风向稳、开发效率高、占用土地少等优点。

我国海上风力资源储量丰富，东部沿海及近海具备规模化开发的基本条件。目前上海、江苏、浙江、辽宁和山东的沿海地区都在进行海上风电场的规划建设。风电所占比例逐年增加，风电塔的建设规模也呈现逐年增大的趋势。然而发展海上风电产业，也面临着前所未有的困难，海上风电场处于海洋环境中，水文、气象条件和海底地质条件都非常复杂。

图5.50　风电塔塔架局部锈蚀

图5.51　海上风机腐蚀

风电塔的建设地区范围很广，包括：山地、沙漠及近海等环境复杂地区。在这些复杂环境中，高温、高湿、严寒交替、海盐腐蚀等容易造成风电塔的劣化和损伤。图5.50、图5.51所示为风电塔塔架及基础发生局部锈蚀。图5.52所示为风电塔遭受风、浪荷载循环作用。长期的恶劣服役环境下使得风电塔在台风和地震作用等突发荷载下更容易产生破坏。例如，2003年日本宫古岛遭遇30年间最大台风（14号台风）的袭击，其周边建设的风电场遭到严重破坏，如图5.53所示。2011年3月11日东日本大地震造成了震区周边陆上风电塔的倾斜和不均匀沉降，如图5.54、图5.55所示。2015年，苏迪勒台风使位于北海岸以及台中环港北路沿线的风电塔受损严重，更有8座风力电塔折损或倒塌。风电塔塔架结构的破坏的典型形式包括：塔架屈曲、折断、倾倒，塔架基础破坏等。

图5.52　风、浪荷载循环作用

图5.53　宫古岛风电塔架倾倒

图5.54　风电塔发生倾斜

图5.55　地基液化使风基发生沉降

风机所处的复杂环境往往会造成部分风机基础结构局部腐蚀破损，甚至整体结构破坏，大大缩短风机机组服役时限，造成巨大的经济损失。对于处于海洋环境中的风机，浪溅区和潮差区供氧充分、日照充足、海水的周期湿润、含盐粒子量大造成了该区腐蚀特别严重。浪溅区和潮差区由于浸泡率低，应急保护效果不理想。采用涂装的方法，浪溅区的涂层比其他部位脱落得快；在潮差区易受波浪以及漂浮物的冲击，漆膜易受损。而且钢表面易附着微生物，常常受冲击脱落而夹带漆膜，使钢材发生局部腐蚀。因此，浪溅区和潮差区是防腐重点应考虑的区域。

台风灾害对风电场的影响包括极端风速、突变风向和非常湍流等。这些因素单独或共同作用往往使风电机组不同程度受损，如叶片因扭转刚度不够出现通透性裂纹或被撕裂，风向仪、尾翼被吹断，偏航系统和变桨系统受损等，甚至导致风电机组倒塌（图5.56、图5.57）。

图5.56　风机整体倾覆

2006年8月，台风“桑美”登陆我国东南沿海，浙江苍南鹤顶山风电场有2台750k W风力发电机组因台风风速过大、结构不能满足抗倾覆要求而被“连根拔起”，有3台600k W的风力发电机组因塔筒底部失效而倾倒，有15台风力发电机组叶片损毁，如图5.58所示。

在“桑美”台风中心登陆过程中，气象站10m高度的3s平均极大风速为68m/s，而当地风电场苍南测风塔45m高度的10min平均最大风速为60.1m/s、极大风速为81.1m/s，从而造成风机被吹倒。

风机整体倾覆主要是由于此台风机基础采用二次浇筑而成，先浇筑一块正方形的钢筋混凝土底板，然后再将基础环置于该底板上进行第二次浇筑，两部分通过预留插筋连成一体，二次浇筑严重破坏了结构的整体性，插筋数量、强度及锚固长度又不满足抗台风要求，结构形式不合理、结构尺寸及埋深过小等。(www.xing528.com)

在台风作用下，风轮和机舱位置因大风作用扭转了方向，由于偏航液压刹车的作用，以及偏航驱动机构的减速系统自身的自锁机构，在转向的过程中受到损害。塔筒中最薄弱的环节应是塔筒底部，因为此位置承受最大弯矩和弯应力，在台风作用下容易发生损坏。

风力发电机组所用叶片长度通常在20～50m，采用柔性设计，刚度远远小于基础和塔筒，叶片根部折断、叶片局部破损脱落是主要的失效模式。叶片根部承受的弯矩和剪力最大，叶片根部容易折断。一般来说，叶片会同时承受弯矩、扭矩及剪力，在三者共同作用下，叶片会在局部缺陷处形成纵向、横向2条主裂纹，在反复荷载持续作用下，裂纹逐渐扩展为裂缝，在纵向裂缝与横向裂缝完全贯通时，叶片局部脱落而损毁。

图5.57　风机塔筒失效

图5.58　风机叶片失效

风机地基液化震陷是饱和的砂土在地震液化后形成的地层及塔体的附加沉陷，地震荷载作用下饱和砂土地基上建筑物的震陷是常见的地震破坏现象之一，是涉及地震作用下土体变形的典型震害，而且震陷大多数是不均匀的，不均匀震陷能够造成塔体的倾斜等破坏现象。因此，震陷导致的严重灾害日益受到人们的重视。

从图5.59可以看出，风电塔基础处每个锚栓及锚环从基础混凝土拔起，塔架脱出。塔架中央部位发生屈曲破坏，叶片折断（图5.60～图5.62）。塔架基础遭到破坏时导致周围停电，丧失了降低风力发电设备风荷载的偏航角及变桨控制功能。

图5.59　塔架基础破坏

图5.60　塔架中央部位屈曲

图5.61　塔架开口处屈曲

图5.62　叶片折断、屈曲破坏

2008年9月28日，台风“蔷薇”袭击台湾，造成台中港海岸2号风电塔倒塌，如图5.63所示，法兰连接处发生断裂。

保障风电塔的安全运营，应从设计、施工、运行机理及维护几个环节着手，四者缺一不可。在设计方面，应采用新的技术与方法提高风电塔的设计可靠性。例如，2010年修订的日本《风力发电设备塔架结构设计指南及解说》指出对超过60m的风力发电机塔架需采用动力时程分析法计算地震作用。对塔架、锚固部位和基础的结构计算，要求能抵抗极端罕遇地震。在施工方面，应注意减少拼接和焊接空隙和裂缝。在运营方面，需对在役风电塔进行现场监测，以如东潮间带风电塔为例，对风电塔基础的冲刷深度（图5.64）及结构动力响应进行现场监测。

图5.63　风电塔倒塌

图5.64　海洋生物对风电塔桩基的影响