陳 剛

(上海新地海洋工程技術(shù)有限公司，上海 200083)

陸地經(jīng)濟可開發(fā)的風(fēng)資源越來越少，全球風(fēng)電場建設(shè)已出現(xiàn)從陸地向近海發(fā)展的趨勢，與陸地風(fēng)電相比，海上風(fēng)電具有風(fēng)能資源的能量效益比陸地風(fēng)電場高20%～40%，海上風(fēng)湍流強度小，風(fēng)切變小，風(fēng)電場建設(shè)受噪音、景觀、鳥類、電磁波等問題限制少[1]，且不占用寶貴的土地資源等優(yōu)勢，因此，海上風(fēng)電已經(jīng)成為未來風(fēng)電開發(fā)的主戰(zhàn)場。我國海上風(fēng)能資源豐富，具備大規(guī)模發(fā)展海上風(fēng)電的資源條件，據(jù)國家氣象局風(fēng)能資源詳查初步成果，我國5～25m水深線以內(nèi)近海區(qū)域海平面以上50m高度風(fēng)電可裝機容量2億kW，可見我國在海上風(fēng)電能源發(fā)展前景較為廣闊。

在風(fēng)電場運營階段，如何對海上風(fēng)電機組進行有效維護，特別是在惡劣天氣下如何準(zhǔn)確判斷風(fēng)機等海上建筑物及機電設(shè)備的運行狀況，需要在風(fēng)電場建設(shè)階段設(shè)置針對樁基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測項目，埋設(shè)合適的電測傳感器，根據(jù)海上建筑物的實際運行狀態(tài)進行針對性的維護，達到事半功倍的有效運維策略，因此，對海上風(fēng)電工程的監(jiān)測技術(shù)進行分析和研究，有利于準(zhǔn)確了解結(jié)構(gòu)運行期內(nèi)部與外部的變形，進而為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考數(shù)據(jù)。在風(fēng)電風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，國內(nèi)外部分科研單位已有研究[2- 4]，張永利、周勇[5]等以東海大橋風(fēng)電場為例，針對外部因素及基礎(chǔ)設(shè)計對基礎(chǔ)的影響進行了研究；曹淑剛、孫小釬[6]等以某海上風(fēng)電項目為例對高樁承臺基礎(chǔ)內(nèi)力進行了監(jiān)測與分析。本文對某風(fēng)電場的樁基基礎(chǔ)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了分析，旨在為類似工程的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 工程監(jiān)測的必要性

海上風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)承受強風(fēng)、大浪、海流、浮冰等復(fù)雜的海洋環(huán)境荷載及海上鹽霧、潮寒、臺風(fēng)等惡劣天氣影響，且風(fēng)、浪荷載具有交變性和隨機性，在這些復(fù)雜荷載聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生整體傾覆、斷裂失效、屈曲失穩(wěn)、振動疲勞損傷、地基沖刷、液化和弱化等破壞或風(fēng)險，嚴重影響和威脅海上風(fēng)電工程的安全性和耐久性。

我國現(xiàn)階段海上風(fēng)電場運行監(jiān)控和狀態(tài)評價主要參考陸上風(fēng)機，只進行風(fēng)機的運行狀態(tài)監(jiān)測，僅在試驗風(fēng)機的基礎(chǔ)和塔筒的少量部位進行了應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，遠未實現(xiàn)針對海上風(fēng)電場結(jié)構(gòu)體系的狀態(tài)監(jiān)測，不能滿足對海上風(fēng)電場結(jié)構(gòu)體系進行狀態(tài)評價的要求。通過振動監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，海上風(fēng)機在風(fēng)、浪等海洋環(huán)境荷載以及風(fēng)機運行振動作用下，會出現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)振動，因此對包括結(jié)構(gòu)振動、受力特性和位移變形等在內(nèi)的海上風(fēng)機結(jié)構(gòu)體系的運行狀態(tài)進行監(jiān)測非常重要。

對于近海高承臺樁風(fēng)機運行期的安全監(jiān)測國內(nèi)外尚無系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析。為了監(jiān)控風(fēng)機運行期樁基礎(chǔ)、基礎(chǔ)承臺的應(yīng)力應(yīng)變、塔筒過渡段的傾斜情況及塔筒的振動狀態(tài)。通過對風(fēng)機樁基礎(chǔ)及承臺的應(yīng)力狀態(tài)、塔筒傾斜及振動分析，可以得出施工期及運行期風(fēng)機基礎(chǔ)的受力狀態(tài)及運行期風(fēng)機塔筒振動情況對基礎(chǔ)承臺的影響。

2 監(jiān)測項目設(shè)置

本文以多樁承臺基礎(chǔ)的風(fēng)電場監(jiān)測項目為例設(shè)置監(jiān)測項目，其它基礎(chǔ)型式和構(gòu)筑物可參考設(shè)置監(jiān)測項目。

2.1 差異沉降監(jiān)測

一般布置在混凝土承臺頂部，均勻布置4個監(jiān)測點，其中一對監(jiān)測點布置在主風(fēng)向上。人工監(jiān)測通常采用高精度的幾何水準(zhǔn)測量法，自動化監(jiān)測通常安裝靜力水準(zhǔn)儀，將傳感器納入自動化監(jiān)測系統(tǒng)。

2.2 傾斜監(jiān)測

一般布置在混凝土承臺頂部、每節(jié)塔筒頂部及機艙內(nèi)，監(jiān)測儀器采用雙向傾角儀，其中一個測試方向為順主風(fēng)向，另一個測試方向為垂直于主風(fēng)向。

2.3 振動監(jiān)測

一般布置在混凝土承臺頂部、每節(jié)塔筒頂部及機艙內(nèi)，與傾角儀配套布置，監(jiān)測儀器采用二向加速度計，其中一個測試方向為順主風(fēng)向，另一個測試方向為垂直于主風(fēng)向，機艙內(nèi)的加速度計可考慮采用三向加速度計。

2.4 應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測

一般布置在應(yīng)力計算值較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、薄弱和易損傷的部位，主要有樁基礎(chǔ)、承臺、過渡段及塔筒。監(jiān)測儀器根據(jù)監(jiān)測對象和安裝位置確定，分別是鋼板應(yīng)變計、鋼筋計、混凝土應(yīng)變計等。

2.5 腐蝕監(jiān)測

一般是在浪濺區(qū)、水位變動區(qū)和水下區(qū)選擇具有代表性的位置，在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土承臺中布置相應(yīng)的監(jiān)測儀器。

2.6 環(huán)境量監(jiān)測

主要是監(jiān)測影響海上建筑物安全的外因，如風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、濕度、海浪波高、海浪波周期、海浪沖擊力、水下地形、冰壓力等，根據(jù)研究或管理的需要選擇有代表性的位置布置監(jiān)測點。風(fēng)向、風(fēng)速監(jiān)測，一般是采用風(fēng)速風(fēng)向儀，安裝部位通常在風(fēng)機機艙頂部；氣溫及海浪等監(jiān)測，一般是采用海洋水文綜合觀測系統(tǒng)。

2.7 自動化監(jiān)測系統(tǒng)

在海上塔筒過渡段內(nèi)設(shè)置自動化采集設(shè)備，在岸上集控中心內(nèi)設(shè)置采集計算機，自動化采集設(shè)備與采集計算機之間利用海底光纜進行通訊。自動化采集設(shè)備，根據(jù)傳感器原理與信號分類，不同類型的傳感器采用不同的自動化采集設(shè)備。

各傳感器根據(jù)儀器類型接入相應(yīng)的自動化采集設(shè)備，采集計算機內(nèi)安裝采集軟件，對各自動化采集設(shè)備進行控制與管理，如需對監(jiān)測數(shù)據(jù)進一步整理、分析或共享，可開發(fā)監(jiān)測管理軟件，或?qū)⒈O(jiān)測成果納入到風(fēng)電場SCADA系統(tǒng)中。

3 監(jiān)測成果

筆者在幾個海上風(fēng)電工程安裝埋設(shè)了一定數(shù)量的電測傳感器，獲取了風(fēng)機基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的變形、振動、傾斜成果，并對部分實測數(shù)據(jù)進行了分析研究。

3.1 差異沉降監(jiān)測

觀測時，以測點1為基準(zhǔn)點，觀測其他3個監(jiān)測點的相對于測點1的高差，后續(xù)工況所觀測高差與初始高差之差即為測點1、2、3相對測點的差異沉降。如圖1所示，風(fēng)機自吊裝完成后，各測點的差異沉降量較小，基本在±2.0mm之內(nèi)；從測值過程線上看，未發(fā)現(xiàn)不均勻沉降量在某一方向有持續(xù)增大的趨勢。

圖1 差異沉降測值過程線

3.2 風(fēng)機傾斜及振動監(jiān)測

通過2015年8～11月期間的傾斜度監(jiān)測數(shù)據(jù)診斷風(fēng)機塔筒在該月是否存在較大的傾斜變化。當(dāng)日傾斜度為記錄的24h平均值，當(dāng)月傾斜度變化值為月末日傾斜度與月初傾斜度之差值。見表1，風(fēng)機塔筒在2015年8～11月期間的永久傾斜值累計值，最大為0.055°。

為分析日常工作狀態(tài)下各風(fēng)機塔的振動強度，統(tǒng)計了2015年8～11月期間的最大加速度幅值、有效值、振動烈度、報警次數(shù)等參量情況，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

此風(fēng)機塔筒在2015年8～11月期間的振動比較大，如圖2所示。最大振動加速度接近或超過了3.5m/s2，每月超過8°的烈度報警次數(shù)較多，8月的報警次數(shù)達到了3098次，主要因8月份臺風(fēng)頻次高，風(fēng)機塔筒振動明顯。

表1 風(fēng)機塔永久傾斜度統(tǒng)計表 單位：(°)

表2 典型風(fēng)機塔振動強度特性統(tǒng)計表

圖2 典型風(fēng)機塔筒振動烈度趨勢圖

3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測

某多樁承臺風(fēng)機在鋼管樁、鋼管樁填芯混凝土、承臺內(nèi)鋼筋及混凝土、過渡段塔筒等位置均設(shè)置了監(jiān)測點，分類說明監(jiān)測成果。

(1)鋼管樁樁身縱向應(yīng)變

順主風(fēng)向的6#及8#鋼管樁上分層設(shè)置了樁身縱向應(yīng)變監(jiān)測點，自樁基施工初期開始，6#及8#鋼管樁外壁應(yīng)變測值過程線如圖3所示。

受風(fēng)機塔筒、機艙及葉片吊裝等上部荷載作用，樁身壓應(yīng)變逐漸增長，至樁身位移相對周側(cè)土體位移為零后，樁身壓應(yīng)變基本穩(wěn)定；6#樁因施工船插腿施工樁周產(chǎn)生一定的負摩阻力，-15.10m高程處壓應(yīng)變有明顯減小，后期測值相對平穩(wěn)；末期兩根樁樁身應(yīng)變計測值過程線平緩。

圖3 鋼管樁外壁應(yīng)變測值過程線

(2)鋼管樁填芯混凝土應(yīng)變

6#與8#順主風(fēng)向，2#垂直于主風(fēng)向，自施工初期開始，2#、6#及8#鋼管樁填芯混凝土的應(yīng)變測值過程線如圖4所示。

3根鋼管樁的應(yīng)變監(jiān)測成果基本較為合理，全部表現(xiàn)為受壓狀態(tài)，末期2#樁填芯混凝土應(yīng)變大部分在-100～-200με左右，6#樁填芯混凝土應(yīng)變大部分在-90～-175με左右；8#樁填芯混凝土應(yīng)變大部分在-120～-160με左右；各鋼管樁內(nèi)混凝土應(yīng)變表現(xiàn)出測值隨季節(jié)變化(氣溫)而變化的趨勢；綜合風(fēng)機振動成果可以看出，填芯混凝土鋼管樁具有較大的剛度，在強風(fēng)荷載作用下混凝土并未表現(xiàn)出拉應(yīng)變，說明填芯混凝土鋼管樁抗拔效果較好，樁基礎(chǔ)在風(fēng)荷載作用下較為穩(wěn)定。

應(yīng)變計的安裝條件要求較為苛刻，填芯混凝土內(nèi)的應(yīng)變計變形受鋼管樁及鋼筋籠的約束較大；另外填芯混凝土內(nèi)的應(yīng)變計受溫度、濕度及自生體積變形等非構(gòu)造荷載的影響也較大，由于無法成功安裝應(yīng)力計，導(dǎo)致非構(gòu)造荷載影響產(chǎn)生的應(yīng)變量受安裝條件制約不能進行剔除。

圖4 鋼管樁填芯混凝土應(yīng)變測值過程線

(3)承臺底面混凝土應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測

受上部塔筒、風(fēng)機及風(fēng)葉荷載影響，承臺混凝土底面鋼筋應(yīng)力初期表現(xiàn)為較小的拉應(yīng)力，后隨上部荷載增長而增長，過程中出現(xiàn)的拉應(yīng)力最大值約為21.1MPa；當(dāng)樁身位移基本完成后，樁頂對承臺底部形成一定約束，承臺底部鋼筋應(yīng)力逐漸減小，達到平衡后逐漸穩(wěn)定，末期測值基本在零值附近。

應(yīng)變計所測壓應(yīng)變較前期有所增長；監(jiān)測后期，非構(gòu)造荷載出現(xiàn)的應(yīng)變數(shù)值不大，最大值約為-100με，如圖5所示。

將無應(yīng)力計自動化監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行應(yīng)變-溫度擬合，得到混凝土的溫度線膨脹系數(shù)為8.14×10-6/℃，對所測承臺混凝土底面鋼筋應(yīng)力進行了修正，扣除了非外部荷載應(yīng)變對鋼筋應(yīng)力測值影響。

圖5 承臺底部應(yīng)力及應(yīng)變測值過程線

(4)承臺頂面混凝土應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

風(fēng)機吊裝前，承臺頂面水平向鋼筋拉應(yīng)力不大，測值大部分在15.6MPa以下，該工況承臺鋼筋應(yīng)力主要受外部溫度影響，澆筑時環(huán)境溫度高，隨著溫度減低表現(xiàn)出混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，如圖6所示，1#CR3-3曾經(jīng)出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力約為31.5MPa，測值不合理，可能與埋設(shè)工藝不當(dāng)有關(guān)；后續(xù)鋼筋拉應(yīng)力減小且趨于平穩(wěn)，末期測值基本在-10～10MPa之間；頂面豎向應(yīng)變計測值繼續(xù)增大，末期最大壓應(yīng)變約為400με；水平向應(yīng)變出現(xiàn)減小趨勢，末期壓應(yīng)變約為100με。

圖6 承臺結(jié)構(gòu)混凝土頂面應(yīng)力、應(yīng)變測值過程線

(5)承臺結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)管樁外壁及旁側(cè)混凝土應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

鋼管樁外壁和旁側(cè)混凝土初期受壓，主要由自重荷載作用所致，后續(xù)壓應(yīng)變的變化表現(xiàn)出季節(jié)特性，冬季收縮壓應(yīng)變增大，夏季膨脹壓應(yīng)變減小，自重荷載的壓應(yīng)變大致在-100～-200με之間，其余部位為溫度應(yīng)變。鋼管樁外壁和旁側(cè)的混凝土應(yīng)變相差不大，變形基本協(xié)調(diào)，末期環(huán)境溫度降低，壓應(yīng)變處于增長狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 承臺結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)管樁外壁及旁側(cè)混凝土的應(yīng)變測值過程線

(6)風(fēng)機過渡段塔筒應(yīng)變

對于過渡段頂部，一條連線上(1#G2-2、1#G2-3)出現(xiàn)明顯的壓應(yīng)變情形，壓應(yīng)變約為230με；另外一條連線上(1#G2-1、1#G2-4)應(yīng)變值基本在零值附近，估計監(jiān)測時段出現(xiàn)的風(fēng)向主要為E向所致。

對于過渡段底部，一條連線上(1#G3-1、1#G2-3，順主導(dǎo)方向風(fēng)向NNE)應(yīng)變值基本在零值附近，另外一條連線上的1#G2-4(垂直于主導(dǎo)方向NE)應(yīng)變值在監(jiān)測后期出現(xiàn)明顯的壓應(yīng)變情形，估計與基礎(chǔ)頂面對過渡段的約束有關(guān)。

監(jiān)測時段內(nèi)塔筒振動烈度多次出現(xiàn)報警現(xiàn)象，但過渡段塔筒頂部與底部基本表現(xiàn)為壓應(yīng)變，說明過渡段塔筒應(yīng)變主要由自重荷載影響，風(fēng)荷載影響甚微，過渡段塔筒在混凝土約束下自身具有較大的剛度，如圖8所示。

圖8 過渡段應(yīng)變測值過程線

4 結(jié)論

(1)安全監(jiān)測是工程建設(shè)和運營管理的重要手段之一，為風(fēng)電場的運行狀態(tài)檢查、安全評估、運維方案的制訂與實施等提供重要參考。通過對含風(fēng)機機艙、塔筒及基礎(chǔ)在內(nèi)的整個風(fēng)機結(jié)構(gòu)的安全狀況進行監(jiān)測，可以實時了解風(fēng)電場結(jié)構(gòu)的運行狀態(tài)及安全狀況，制訂針對性的運維方案，事半功倍。

(2)安全監(jiān)測系統(tǒng)在設(shè)計和施工時，應(yīng)以掌握海上建筑物和機電設(shè)備的安全狀況為主，相關(guān)項目統(tǒng)籌安排，配合布置。監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)力求簡單、可靠，各監(jiān)測設(shè)施安裝位置應(yīng)方便檢修或更換，集控中心的監(jiān)測管理軟件應(yīng)能自動檢查故障、初步分析故障原因，以降低人工巡檢的工作量。

(3)隨著海上風(fēng)電場建設(shè)和管理經(jīng)驗的不斷豐富，安全監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)逐漸成為風(fēng)電場建設(shè)時的標(biāo)配，使之成為風(fēng)電場運維人員不可或缺的助手，為風(fēng)電場的高效及智能化管理提供重要支撐。

[1] 李曉燕, 余志. 海上風(fēng)力發(fā)電進展[J]. 太陽能學(xué)報, 2004, 25(01): 78- 84.

[2] 朱斌, 姜英偉, 陳仁朋, 等. 海上風(fēng)電機組群樁基礎(chǔ)關(guān)鍵問題的初步研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2011, 33(增刊1): 91- 96.

[3] 黃維平, 劉建軍, 趙戰(zhàn)華, 等. 海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 海洋工程, 2009, 27(02): 130- 133.

[4] 李煒, 鄭永明, 陸飛. 海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動力分析[J]. 海洋通報, 2012, 31(01): 67- 73.

[5] 張永利, 周勇, 李杰. 東海大橋海上風(fēng)電場基礎(chǔ)設(shè)計與分析[J]. 四川建筑科學(xué)研究, 2010, 36(05): 188- 191.

[6] 曹淑剛, 孫小釬, 張秋生, 等. 海上風(fēng)電高樁承臺基礎(chǔ)內(nèi)力監(jiān)測與分析[J]. 風(fēng)力發(fā)電, 2017(04): 12- 17.