■張康

（寧夏回族自治區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查院 寧夏 銀川750021）

基于指數(shù)曲線模型的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測及預(yù)警

■張康

（寧夏回族自治區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查院 寧夏 銀川750021）

為了準(zhǔn)確獲得風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在風(fēng)機(jī)吊裝過程與運(yùn)行過程的沉降量，結(jié)合鹽池縣凱迪中盈新能源風(fēng)電場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降觀測數(shù)據(jù)，利用指數(shù)曲線模型對該項目風(fēng)機(jī)沉降量進(jìn)行長期性預(yù)測，結(jié)果反映了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在運(yùn)行過程中與實(shí)際沉降量相似，該方法可以應(yīng)用到相似的風(fēng)電工程當(dāng)中。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降觀測指數(shù)曲線模型沉降預(yù)測

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科技水平的不斷提高，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)也在持續(xù)快速發(fā)展。截至目前，我國已經(jīng)成為全球的風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模第一大國，整體發(fā)展事態(tài)良好。如今，風(fēng)電場的建設(shè)逐漸遍布全國各地區(qū)，從草原風(fēng)力發(fā)展到海上風(fēng)能的利用，可見風(fēng)電已逐步走上成熟之路。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的施工是風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵之處，對整個風(fēng)機(jī)是否屹立不倒起決定的作用，因而風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)混凝土澆筑施工完成后的沉降觀測便顯得尤為重要。而風(fēng)機(jī)屬于高聳建筑物，輕微的地基不均勻沉降，將使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生較大的水平偏差，在機(jī)艙、葉片風(fēng)力等荷載作用下，產(chǎn)生較大偏心彎矩，從而使原先在水平方向未能保持平整度的風(fēng)機(jī)更加傾斜，給風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行帶來較大的安全隱患。當(dāng)前，隨著風(fēng)機(jī)功率和輪轂高度的增加，風(fēng)機(jī)荷載和運(yùn)行環(huán)境變得更為復(fù)雜，對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的受力、變形及穩(wěn)定性提出了更高的要求．風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)不僅要承受較大的水平力和傾覆力矩，而且力的大小和方向也時刻變化，這導(dǎo)致了風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的受力狀態(tài)遠(yuǎn)比其他高聳結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)復(fù)雜[1]。為了保證風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的施工和運(yùn)營安全，必須根據(jù)已有基礎(chǔ)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)建立一個合理的基礎(chǔ)沉降預(yù)測模型，以及時、準(zhǔn)確地預(yù)報風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的變形[2]。

針對以上問題，結(jié)合寧夏鹽池縣凱迪風(fēng)電場工程，對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用指數(shù)曲線模型對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的長期沉降量進(jìn)行預(yù)測，并依據(jù)實(shí)例對該預(yù)測模型的精度和適應(yīng)性進(jìn)行了校核。

1 工程概況

鹽池縣凱迪中盈新能源風(fēng)電場位于寧夏回族自治區(qū)吳忠市鹽池縣王樂井鄉(xiāng)境內(nèi)，一期項目共建設(shè)33臺風(fēng)電機(jī)組，總裝機(jī)容量49.5MW。沉降觀測分別在每臺風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)布設(shè)3個基準(zhǔn)點(diǎn)，在風(fēng)機(jī)地基基礎(chǔ)承臺頂部分別設(shè)置4個相互垂直的沉降觀測點(diǎn)，為了能反應(yīng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)存在的不均勻沉降，觀測點(diǎn)選取位于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)橫軸、縱軸方向均勻?qū)ΨQ的位置。

項目區(qū)主要為低山丘陵，緩坡丘陵及黃土梁峁，范圍內(nèi)普遍存在有厚1米至10米以上的粉砂巖地層，此種地層自下而上絕大部分為疏松的淺紅色粉砂，膠結(jié)不良但可以成團(tuán)粒，其上表有0.2?0.6米的紫紅色板結(jié)砂巖或粉砂巖層，或露地表，或被流沙、黃土和紅土所疊壓。根據(jù)埋設(shè)點(diǎn)的地層情況采取不同的測量標(biāo)志。砂土、疏松粉砂地區(qū)基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)需鋪設(shè)防水膜，然后在墊層上用混凝土澆筑固定普通標(biāo)石；砂礫層地區(qū)埋設(shè)水泥標(biāo)樁的辦法設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)。沉降觀測采用二等水準(zhǔn)的測量方法，并嚴(yán)格按照《國家一二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》（GB／T12897-2006）及《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ8－2007）等規(guī)范要求的相關(guān)精度及限差執(zhí)行。

自2012年8月底開始實(shí)施第一次觀測，風(fēng)機(jī)機(jī)組安裝完成每隔七天觀測一次。2013年度每三個月觀測一次，2014年度每隔四個月觀測一次，2015年1月底進(jìn)行第十五次觀測，觀測周期結(jié)束。

2 觀測數(shù)據(jù)處理

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的沉降變形主要是由于地質(zhì)條件、上部荷載、機(jī)組運(yùn)行等綜合因素造成其各個部位不均勻沉降引起，因此本次測量采取沉降觀測的方法來判斷各觀測點(diǎn)隨時間、不同的運(yùn)行階段的變化的過程，根據(jù)沉降的數(shù)據(jù)來判斷風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)不均勻沉降，并根據(jù)基礎(chǔ)的不均勻沉降值計算基礎(chǔ)的傾斜度。當(dāng)最后lOOd的沉降速率小于0．01-0.04mm／d時可認(rèn)為已進(jìn)入穩(wěn)定階段。從各觀測點(diǎn)累計沉降量、沉降速率統(tǒng)計表的數(shù)值可以判斷風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是否沉降均勻、是否入穩(wěn)定階段。本項目觀測期間各風(fēng)機(jī)沉降均勻，個別風(fēng)機(jī)沉降量相對較大，但不存在安全隱患。

2.1 沉降量過程曲線圖

相鄰兩期觀測值的差值即為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的單次變化量，在某一階段內(nèi)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)觀測點(diǎn)的累計沉降值與觀測天數(shù)比值即為沉降速率，單位為mm/d。根據(jù)每周期觀測數(shù)據(jù)得出周期內(nèi)沉降值，累計沉降值，沉降速率等數(shù)值，繪制沉降曲線。以沉降量s為縱軸，以時間t為橫軸，構(gòu)成直角坐標(biāo)系。將每次累積沉降量值為縱坐標(biāo)，以每次觀測日期為橫坐標(biāo)，標(biāo)出沉降觀測點(diǎn)的位置并連接成線。以10號風(fēng)機(jī)為例:

圖1 10#風(fēng)機(jī)沉降過程曲線圖

2.2 各觀測點(diǎn)沉降量、相對傾斜值基礎(chǔ)相對傾斜值的計算公式

式中ΔSAB－相對傾斜值；SA、SB－傾斜段兩端觀測點(diǎn)A、B的沉降量（mm）；L－A、B間的水平距離（mm）；

其中SA-SB(沉降差)單位為毫米，將各觀測點(diǎn)直線距離化為毫米。根據(jù)沉降差與觀測點(diǎn)直線距離的比值得出相對傾斜值。10#風(fēng)機(jī)各觀測點(diǎn)累計沉降量、相對傾斜值統(tǒng)計表見表1，從數(shù)據(jù)可以看出基礎(chǔ)最大相對傾斜為-0.00015毫米，在各個方向的相對傾斜度都小于4/1000的一般規(guī)定，沉降差都小于0.002L的規(guī)定，說明各個風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)不存在不均勻沉降,基礎(chǔ)安全穩(wěn)定，不存在安全隱患。

表1 10#風(fēng)機(jī)各觀測點(diǎn)累計沉降量、相對傾斜值統(tǒng)計表

3 指數(shù)曲線模型[3]

指數(shù)曲線預(yù)測模型的基本方程為：

式（1）中，St為第t時刻的沉降預(yù)測值；t為沉降觀測日期；a，b為待定系數(shù)。選擇3個時間點(diǎn)t1、t2、t3，使得t2-t1=t3-t2=t，且使t盡可能的大，S1、S2、S3分別為對應(yīng)時間的沉降值，求解上式可得：

選取2013年3月12日、2013年6月15日、2013年9月18日三次觀測數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用式（1）和式（2）計算得出預(yù)測模型方程為：

利用該模型方程和數(shù)學(xué)計算軟件可以得到表2的結(jié)果。

表2 預(yù)測模型計算結(jié)果表

4 模型計算值分析

根據(jù)觀測成果數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)圖表分析可得出下述結(jié)論：

（1）指數(shù)曲線預(yù)測模型的前期預(yù)測能力較差，中后期的預(yù)測能力較好。所以指數(shù)曲線預(yù)測模型比較適合于中長期的沉降量預(yù)測。當(dāng)預(yù)測模型樣本點(diǎn)的波動性較大時，應(yīng)該利用帶有殘差的預(yù)測模型進(jìn)行修正，減少外界不利因素對模型的影響。

（2）風(fēng)機(jī)機(jī)組安裝期間，受上部荷載的影響基礎(chǔ)有微量的沉降。當(dāng)機(jī)組安裝完成，第七次（2012年12月）與第八次（2013年3月）觀測周期之間有較大沉降量，自第九次觀測（2013年6月）之后，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降量逐漸變小，最后一次觀測風(fēng)機(jī)沉降量基本在毫米以內(nèi)，且趨于穩(wěn)定。通過數(shù)據(jù)得出風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降均勻、穩(wěn)定，機(jī)組運(yùn)行正常，設(shè)備安全，不存在安全隱患。

（3）沉降觀測數(shù)據(jù)反映觀測點(diǎn)假設(shè)高程的變化值，根據(jù)觀測點(diǎn)的考慮到外界因素例如天氣、溫度、風(fēng)力、風(fēng)振等導(dǎo)致風(fēng)機(jī)細(xì)微傾斜，數(shù)據(jù)在限差允許范圍內(nèi)，屬于正常現(xiàn)象。

（4）觀測周期共歷時700多天，沉降速率較小，沉降均勻穩(wěn)定，且在規(guī)范允許值內(nèi)。說明機(jī)組運(yùn)行安全，對基礎(chǔ)的影響較小，基礎(chǔ)穩(wěn)定，設(shè)備安全。

5 結(jié)語

（1）凱迪風(fēng)電場所處的丘陵緩坡地層為殘坡積層，在該地區(qū)建設(shè)風(fēng)電場易產(chǎn)生地基失穩(wěn)。因此，風(fēng)機(jī)吊裝完成后與運(yùn)行初期，對基礎(chǔ)沉降進(jìn)行觀測是非常必要的，可及時了解風(fēng)機(jī)的沉降情況，確保風(fēng)機(jī)將來的安全運(yùn)行。

（2）殘坡積地層的風(fēng)電場，由于風(fēng)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、會使地層在主風(fēng)向風(fēng)力作用下沿節(jié)理面錯動，可能會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)較大沉降及不均勻沉降，通過及時的監(jiān)測與反饋，為地基處理提供依據(jù)?；谥笖?shù)曲線模型可以運(yùn)用到此類風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沉降的預(yù)測預(yù)警當(dāng)中。

（3）受場地與發(fā)電時間的限制，在運(yùn)行過程中長期監(jiān)測一般難以做到，采用指數(shù)曲線模型預(yù)測方法能合理地預(yù)測風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中沉降量，為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的長期沉降量提供參考，為風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行提供依據(jù)。

[1]鄧宗偉,彭文春等.風(fēng)力機(jī)擴(kuò)展基礎(chǔ)基底壓力測試與平面度分析 [J].巖土力學(xué),2015,36 (9):2659-2664

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F407.1[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-12-184-2