山地风电场塔筒倾斜监测综述

张有兴，杨大凡，邹挺

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650033）

1 工程概况及研究背景

将军山风电场位于云南省境内，风场海拔在2350～2750m，共安装44 台单机容量为2.0MW 的风电机组，装机规模为88MW。风电场于2014 年12 月31 日获得了云南省发改委核准。2015 年4 月开工筹建，于2016 年9 月8 日首批机组并网发电，于2017 年2 月10 日所有44 台机组全部并网发电。电场装机容量为88MW，年平均上网电量21655 万kW·h，年等效满负荷小时数为2549h，静态总投资为76369.28 万元。项目由44 台2000kW 风机、44 台箱式变压器、新建一座110kV 升压站、35kV 集电线路、进场及场内道路组成风能作为我国能源结构中的重要组成部分，在能源结构中的比重越来越大，也是实现碳达峰、碳中和宏伟目标的重要能源支柱，风电场能否安全运行就显得尤为重要。在风电场数量庞大的各类设备中，风机塔筒的安全尤为重要。风机塔筒最大的危险就是倾斜甚至倒塌，为了避免倒塌事故出现，必须对塔筒进行倾斜监测，第一时间了解风机塔筒安全状况，及时预警，及时排除病害。风机塔筒倾斜监测目前国内使用的主要方法有精密水准测量法、静力水准自动化测量法、全站仪配反射片或免棱镜测量法等，此处主要介绍最常规、最可靠、最容易实施的精密水准测量法。

2 方法介绍

风机塔筒与混凝土基础通过高强度螺栓紧密相连为一个整体，新建的风电场塔筒最容易发生倾斜的情况是基础不均匀沉降倾斜导致塔筒倾斜，运行时间较长的塔筒不排除塔筒自身其他缺陷导致的倾斜，但是新建风电场中非常少见，此处介绍暂不考虑此种情况，因为塔筒自身缺陷（焊接缺陷、厚度不足、防腐缺陷、安装缺陷等），可以在施工期通过其他技术检测手段和管理手段给予避免和消除。通过在塔筒混凝土基础边缘埋设精密水准观测点，周期观测水准点沉降高差，基于建筑物沉降观测结果作适当计算即可获取建筑物倾斜值，已知建筑物基础结构上相邻的两点A、B（距离b 可量测），通过水准测量得到点A、V 的沉降值ΔSA、ΔSB后，进行建筑物倾斜计算，如图1 所示。

图1 建(构)筑物倾斜计算示意图

θ角即为所求建筑物产生的倾斜角。塔筒高度已知，倾斜角度已知，就可以根据实际需要计算出各个高度的倾斜位移值，进而判断风机塔筒的运行安全状况。

3 点位布置与埋设

该山地风电场绝大部分为岩石地貌，植被稀疏，基础稳定，非常有利于选埋通视良好且稳定可靠的水准基点基岩标。为了便于实施，节约成本，保证达到预期监测效果的前提下，沉降观测采用独立假设高程系观测相对高程变化的方案，每台风机周围布置2 个水准工作基点，相互之间进行校核，确保工作基点的可靠性。水准工作基点选埋在变形影响范围以外且稳定、易于长期保存的地方。水准工作基点间距离一般为30 ～40m，根据各风机塔筒基础周边实际情况酌情选择、调整间距，工作基点尽量布置在稳定基岩上，采用混凝土标石；在风机周围没有基岩出露时，采用挖坑浇筑基岩标。每台风机塔筒混凝土基础边缘布置4 个水准观测点，观测点编号定义为：风机编号-B1、B2、B3、B4，测点布置于风机基座混凝土边缘10cm 处。

4 观测

4.1 观测仪器

采用Leica（徕卡）DNA03 电子水准仪配铟钢条码尺进行测量，该仪器具有自动识别和照准目标、自动观测记录、自动检测各项限差等功能，每千米高差测量偶然中误差≤±0.3mm。DNA03 技术参数如表1。

表1 DNA03 技术参数

4.2 观测精度

观测过程中执行《建筑变形测量规范》JGJ8-2016和《国家一、二等水准测量规范》（GB/T16818）中的相关规定，建筑变形测量中二等测量的适用范围“地基基础设计为甲、乙级的建筑物的变形测量；重要场地的边坡监测；重要的基坑监测”，本项目沉降监测的等级定为二等。水准观测的视线长度、前后视距差和视线高度应符合表2、表3 的规定。

表2 水准观测的技术指标

表3 水准观测的限差(mm)

4.3 观测方法

观测采用DAN03 精密电子水准仪内置的线路水准观测程序进行观测，观测时严格按照规范设置限差，单站前后视距差≤1m，累计视距差≤3m，尺端最大最小读数≥0.55m。线路水准测量偶数站上点，观测采用：后→前→前→后、前→后→后→前的观测顺序进行。最大限度消除i 角误差。按规范要求，每天出工前在内置程序控制下检定i 角，对仪器和标尺外观、水准气泡等进行检查，无任何问题才进行本天的外业观测作业。水准仪及条码铟钢尺经有关检验机构检定，并在有效期内。观测时遵循以下技术要求：

（1）参照《国家一、二等水准测量规范》的划分标准，垂直位移监测网等级为一等，每公里水准测量的偶然中误差为±0.45mm/km，每公里水准测量的全中误差为±1.0mm/km。（2）观测前提前晾置仪器，使仪器与外界温度一致。（3）水准测量选择有利的观测天气和观测时机，观测在标尺呈像清晰而稳定时进行，过桥时停止一切交通活动，工作人员做到轻步慢进。不得在日出后或日落前约半小时、太阳中天前后、风力大于四级、气温突变时以及标尺分划线的成像跳动而难以照准时进行观测，阴天可全天观测。（4）每测段的往测和返测的测站数为偶数。（5）工作间歇点选择稳定可靠、不易破坏、便于放置尺子的固定点，上间歇点时，测站数为偶数。（6）往测时，奇数站按后—前—前—后顺序操作，偶数站按前—后—后—前顺序操作。（7）返测时，互换前、后水准标尺。操作程序与往测相反。

5 成果计算分析

高程系统：独立高程系。将军山风电场监测项目每台风机均假定1 号水准基点（例如，1-A1）的高程，该点高程为相应风机近似埋设高程，建立一个独立高程系，以水准闭合环的方式观测。相距风机较远的一个水准基点为1 号水准基点，现场观测墩有标示。水准测量结束后，对外业观测记录进行严格检查，并进行外业观测数据检验。检查合格后的观测数据通过通用测量平差软件进行精密平差计算后得到精确高程值，进而得到精确沉降差，利用沉降差计算塔筒倾斜值。经过平差后的观测精度为：单位权中误差M0=0.01mm；最弱点高程中误差：0.025mm。1#、2#塔筒倾斜值换算成果表如表4。

表4 1#、2#塔筒倾斜值换算成果表

通过精密水准观测沉降差换算出的风机塔筒倾斜角度值，能较直观地判断塔筒的倾斜情况，也能了解塔筒基础的整体沉降情况。通过沉降和倾斜综合判断风机运行的安全性，具有很高的参考价值。从本次相邻两期的监测变化量来看，44 台风机基础平均沉降量都在2.0mm 以内，绝大部分小于1.0mm，分析认为风机基础没有大的变形。风机基础最大偏差（不均匀沉降）值普遍在1.0mm 以内，仅有21#风机为1.25mm，换算成倾斜角仅有0°0′44.4″，其余43 台风机基础倾斜角在0°0′0″～0°0′39.9″之间。从监测数据看，风机基础未出现危及运行安全级别的倾斜，现有的不均匀沉降值主要为观测时风机旋转引起基础轻微随机震动引起的。

6 结语

为保障风电机组的安全运营，通过测量技术手段对风机塔筒的倾斜情况进行监测具有重大的意义。塔筒倾斜监测是一个长期的持续的过程，从成本及技术门槛等多方面综合考虑，精密水准测量是相对较为经济和技术门槛较低且测量精度高的一种有效的方法，也是目前大部分风电场采用的方法。该方法用到的设备都是通用设备，购买维护和检定都有非常成熟的渠道和广泛的具备资质的机构，非常便利。作业人员可以是风电场的普通职工，经简单培训后即可实施，无须高薪配备专门的技术人员进行，利于控制运行成本。经过多年的实际使用情况来看，也存在不足，首先，是无法实现全天候24h 实时采集监测数据，作业时对天气环境要求较高，需要人工判读数据后综合分析给出结论。如果对于运行年限较长的风电场风机塔筒，本身安全性能衰减较大，需要全天候监测和预警的情况，就需要考虑使用成本相对较高的电测类自动化监测手段来满足。