（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）
摘要：在海上风电场的建设中，风机承台基础不均匀沉降直接影响到风机吊装及运行过程中的安全性。本文结合某海上风电场风机基础工程，阐述了风机基础不均匀沉降监测的测点布置、监测方法及控制原则，并选取该工程区其中5个承台的监测数据进行分析，根据实测数据可知目前各风机不均匀沉降测值、变幅均不大，均在合理范围之内，各风机均未出现明显倾斜的异常变化。验证了设计及施工的合理性，并为二期项目开展提供宝贵监测数据。
关键词：风机基础；不均匀沉降；测点布置；监测方法；控制原则；监测数据分析。
Monitoring and Analysis of Uneven Settlement of Wind Turbine Foundation in an Offshore Wind Farm
PENG Qian
(Shanghai investigation ,design & research institution Co., Ltd. Shanghai 200434, P.R. China)
Abstract：In the construction of offshore wind farms, the uneven settlement of the wind turbine cap foundation directly affects the safety during the lifting and operation of the wind turbine. This paper combines the wind turbine foundation project of an offshore wind farm, and expounds the measuring point arrangement, monitoring method and control principle of the uneven settlement monitoring of the wind turbine foundation. And the monitoring data of 5 cap foundations in the project area are selected for analysis. According to the measured data, it can be seen that the uneven sedimentation measurement and the amplitude of each wind turbine are not large, and all of them are within a reasonable range. and the wind turbines have no obvious abnormal changes. It verifies the rationality of design and construction and provides valuable monitoring data for the second phase of this project.
Key words：wind turbine foundation; uneven settlement; measuring point arrangement; monitoring method; control principle; monitoring data analysis
1 引言
根据全球海上风电现状最新统计数据，风能发电仅次于水力发电占到全球可再生资源发电量的16%。在全球高度关注发展低碳经济的语境下，海上风电有成为改变游戏规则的可再生能源电力的潜质。我国海上风电异军突起，装机规模连续5年快速增长，已跃居全球第三。且我国海上风能资源丰富，海岸线长达1.8万公里，可利用海域面积300多万平方公里，极具发展海上风电的天然优势。《风电发展“十三五”规划》提出，到2020年海上风电装机容量达500万千瓦[1]。
近年来，随着风力发电这一清洁新能源技术的不断推进，风机数量越来越多，在风电场的建设和运行过程中，风机基础出现不均匀沉降将直接影响风机的吊装及运行过程中的安全性。高速运转的风机转轴对基础沉降要求特别严格，必须将沉降控制在允许的范围之内，才能保证风电机组设备正常运转。海底地质条件、设计方案、施工工艺等因素都会造成风机基础产生不均匀沉降或沉降过大，因此对风电场风机的不均匀沉降进行监测显得尤为重要。
风机对基础不均匀沉降有较强的敏感性，及时反馈由基础不均匀沉降而产生的偏移情况，能有效预防对风电机组安全生产运行造成的危害[2-5]。本文结合东南沿海某海上风电场工程为例，根据现场实测可靠资料对该问题进行分析，为海上建筑物的安全评估、运维方案提供重要参考依据，兼顾验证设计、科研及指导施工。
2 工程概况
该海上风电场地处我国东南沿海区域，总规划装机容量300MW，其中一期项目试验风场场址中心距岸线约3.0km，场址水深约0~15m，面积约20.5km2。
该海域内外潮位有明显的位相差；受台风暴潮威胁较严重，台风增水影响明显。工程区地貌类型丰富，主要为沿海侵剥蚀丘陵、滨海海积平原、海积海岸、丘陵海岸以及海底阶地地貌，地形总体呈西东北高西南低态势。工程区内未发现对工程区有影响的活动构造，拟建机位多为水下岸坡地貌单元上，工程区一带地震活动属基本稳定。场区内基岩岩性主要为燕山晚期花岗岩，地质覆盖层较浅，本工程风机的基础桩形式选择嵌岩桩基础形式，根据相关技术、经济、施工可行性等方面综合考虑后选择弱风化花岗岩及以下设计为嵌岩桩。
3 风机基础不均匀沉降监测
拟对该区一期项目试验风场中的四桩高桩风机进行安全监测，主要设置项目有：不均匀沉降监测、倾斜振动监测、结构应力监测及钢管桩腐蚀电位监测等，本文仅针对其中5台风机的不均匀沉降监测进行分析。
3.1不均匀沉降测点布置
每台风机基础顶部（▽10.00m）边缘均匀布置4个不锈钢水准测点进行风机基础不均匀沉降监测，其中两个测点LD1和LD3的连线沿主风向NNE并通过承台中心，另外两个测点LD2和LD4的连线垂直于主风向NNE并通过承台中心，不均匀沉降测点布置见图3-1。
图3-1 不均匀沉降测点布置图
水准测点材质为316L型不锈钢标点，在承台钢筋绑扎后、混凝土浇筑前，按照图纸定位后将标点焊接在测点钢筋上，保证与被测结构物牢固连接，一般标点顶部露出混凝土面约5mm，现场预埋布置见图3-2。
图3-2 不均匀沉降测点现场安装图
3.2不均匀沉降监测方法及控制原则
根据《工程测量规范》（GB50026-2007）等[6-7]相关测量规范分及本工程不均匀沉降观测的作业要求，风机基础不均匀沉降观测采用二等水准测量，观测点测站高差中误差小于±0.15mm，各沉降点高程中误差小于±0.5mm。
进行不均匀沉降观测时，以每个承台上每组测点其中的一个测点（LD1/LD2）为基准点，分别观测该组另外一个水准点（LD3/LD4）的相对高程。
首次观测时连续、独立观测2次，合格后取其平均值作为各测点的基准值，此后所测高差的变化量，即为该测点的不均匀沉降量d。
每台风机应进行单独观测，初始基准值选取之后，除每月都进行常规沉降监测外，还应在混凝土承台浇筑后、风机机组吊装前后等重要时间节点进行监测，当观测结果异常时，应加密监测。
海上风电场的不均匀沉降观测目前暂无专门的设计规范，风机不均匀沉降观测控制值可参考《风电机组地基基础设计规定》（试行，FD003-2007）[8]中对地基变形要求如下表3-1。
表3-1 地基变形允许值
本工程轮毂高度为85～100m，确定本工程风机基础允许值≤150mm，基础顶部倾斜率允许值0.004。
《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）[9]规定，倾斜指基础倾斜方向两端点的沉降差与其距离的比值。即以测点LD1和LD3（连线通过塔筒圆心）为一组，LD2和LD4为一组进行不均匀沉降量的计算，风机基础的倾斜值可按下式计算。
i=3,4 ,j=2,3,4…(3-1)
式中：—基础倾斜值，‰；
—第j次观测时测点i（测点LD3和LD4）分别相对基准点（LD1和LD2）的不均匀沉降量，mm；
—测点i（测点LD3和LD4）分别与基准点（LD1和LD2）的距离，m。
因4个沉降测点均匀布置，则测点（LD3/LD4）与基准点（LD1/LD2）的距离为：
Li=L3=L4=2*(R-2.5）=2*(9.0-2.5）=13.0m(3-2)
因此，风机不均匀沉降量允许值为：
13.0*0.004*1000=52mm(3-3)
4 监测数据分析
对本工程风电场选取其中5台风机按照相关工序节点进行不均匀沉降观测与分析，每台风机均以其上的测点LD1、LD2为基准点分别独立观测测点LD3、LD4，并取每台风机首次观测的结果为基准值，计算各测点（测点LD3、LD4）相对基准点（测点LD1、LD2）的累计沉降量。绘制各风机测点的累计不均匀沉降变化曲线如图4-1~图4-5所示。
图4-1~图4-5实测数据表明：
（1）自基准日期开始，各风机承台实测累计不均匀沉降量均较小，多数风机测值小于2mm，远小于不均匀沉降量允许值52mm。
（2）各承台测点过程线无明显的异常测值，自首次观测开始、风机吊装前后至风机运行中，各测点未呈现出明显的向某一方向发展的趋势，说明目前风机未出现倾斜的异常变化。
（3）绝大多数风机承台测点不均匀沉降变化过程线较为平缓，1#风机吊装后（2017年10月21日吊装完成），基础承台向LD3测点倾斜，实测累计不均匀沉降量由0.9mm增加2mm，最后逐渐稳定在2mm左右，属合理范围内；5#风机承台测点不均匀沉降变化过程线在2018年5、6月份呈现变大趋势，但在合理范围内，无明显的向某一方向发展的趋势。测值变化可能主要是由于观测时受风力、海流、风机运行等因素影响，导致部分测次观测误差相对加大所致，后续针对5#风机承台加强监测频次。
上述几何水准不均匀沉降变化过程线表明，目前各风机未出现明显倾斜的异常变化。各风机不均匀沉降测值、变幅均不大，均在合理范围之内，未出现永久的倾斜。
5 结语
（1）轻微的基础不均匀沉降，将使风机产生较大的水平偏差，在机舱、叶片、风力等荷载作用下，产生较大偏心弯矩，从而使风机倾斜，严重时将导致法兰破坏、塔筒折断，带来较大安全隐患。为防患于未然，对风机承台进行不均匀沉降监测显得尤为重要。
（2）通过对东南沿海某海上风电场工程的承台基础实测不均匀沉降监测数据进行分析，目前各风机不均匀沉降测值、变幅均不大，均在合理范围之内，各风机均未出现明显倾斜的异常变化。既验证了设计及施工的合理性，又为二期项目开展提供宝贵监测数据。
（3）为提高观测精度，笔者根据现场监测经验有以下建议：①按照规范观测要求，仪器、设备、观测人员、观测路线及方法等要固定。②根据该海域风力情况，当风力达到4-5级及以上时，应停止观测，减少风力对观测的影响。③尽量选择1m铟瓦水准标尺进行观测，能较好保证标尺直立及稳定，减小立尺误差；同时便于监测人员上下风机承台工作，消除和减少安全隐患。
参考文献
[1]可再生能源专委会CREIA，全球海上风电现状与发展趋势[EB/OL].（2017-8-17）[2018-6-30]. http://news.bjx.com.cn/html/20170817/843888.shtml
[2]纪琨，余荣祖，毛璐明，等.风机基础沉降监测系统应用研究[J].电网与清洁能源,2013,29(8): 79-82
[3]郑主平，吴启仁. 响水风电场风机基础不均匀沉降原因及处理方法[J]. 水利水电技术,2009,40(9):67-70.
[4]王景乔. 浅谈风电场风机沉降观测的方法[J].地矿测绘2016，32(1):34-36.
[5]秦淑芳，李维，孙勇. 风机结构体系安全监测系统的应用研究[J].能源与环保，2017,39(10):158-162.
[6]中华人民共和国住房和城乡建设部，GB50026-2007，工程测量规范[S] 北京：中国计划出版社，2008.
[7]中华人民共和国住房和城乡建设部，JGJ8-2016，建筑变形测量规范[S] 北京：中国建筑工业出版社，2017.
[8]水利水电规划设计总院，FD003-2007，风电机组地基基础设计规定（试行），北京：中国水利水电出版社，2008.
[9]中华人民共和国住房和城乡建设部，GB5007-2011，建筑地基基础设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2012
作者简介：彭潜（1991年—），男，河南信阳人，助理工程师，现从事岩土工程监测和科研工作。
论文作者:彭潜
论文发表刊物:《新材料.新装饰》2018年3月下
论文发表时间:2018/9/11
标签：风机论文; 不均匀论文; 基础论文; 海上论文; 工程论文; 基准点论文; 风电论文; 《新材料.新装饰》2018年3月下论文;