海上风电场风机基础不均匀沉降监测与分析

彭 潜

(上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434)

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可再生能源电力结构的潜质。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km，可利用海域面积300多万km2，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kW[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]。本文以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。

1 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300 MW，其中一期项目试验风场场址中心距岸线约3.0 km，场址水深约0～15 m，面积约20.5 km2。

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桩基。

2 风机基础不均匀沉降监测

拟对该区一期项目试验风场中风机的高桩承台进行安全监测，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，本文仅选取其中5台风机基础的不均匀沉降监测进行分析。

2.1 不均匀沉降测点布置

每台风机基础顶部(10.00 m)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1。

图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5 mm，现场预埋布置见图2。

图2 不均匀沉降测点现场安装图

2.2 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±0.15 mm，各沉降点高程中误差小于±0.5 mm。

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表1。

表1 地基变形允许值

本工程轮毂高度为85～100 m，确定本工程风机基础允许值≤150 mm，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。

aij=dij/Li(i=3,4,j=2,3,4…)

式中：aij为基础倾斜值，‰；dij为第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；Li为测点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)=13.0 m

因此，风机不均匀沉降量允许值为：

[d]=13.0×0.004×1 000=52 mm

3 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3～图7所示。

图3 1号风机累计不均匀沉降变化曲线

图4 2号风机累计不均匀沉降变化曲线

图5 3号风机累计不均匀沉降变化曲线

图6 4号风机累计不均匀沉降变化曲线

图7 5号风机累计不均匀沉降变化曲线

图3～图7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2 mm，远小于不均匀沉降量允许值52 mm。

2)各承台测点测值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号风机吊装后(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0.9 mm增加2 mm，最后逐渐稳定在2 mm左右，属合理范围内；5号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号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，目前各风机基础未出现明显倾斜的异常变化。各风机基础不均匀沉降测值、变幅均不大，均在合理范围之内。

4 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1 m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。