風(fēng)力發(fā)電塔基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)方法研究

徐槍聲，邊卓偉，和海濤，郭霖濤，李高盛

（1.國電投河南新能源有限公司，河南 鄭州 450001；2.國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

1 前言

風(fēng)力發(fā)電站的塔體在施工及正常運(yùn)營(yíng)運(yùn)行過程中，由于塔體受到當(dāng)?shù)仫L(fēng)力、海潮和自身整體重量的不同影響，風(fēng)力發(fā)電的主塔及其他基礎(chǔ)設(shè)施可能會(huì)出現(xiàn)有塔體沉浮高度降低或傾斜等。如果塔體沉浮過大，可能直接導(dǎo)致整個(gè)風(fēng)力發(fā)電站主塔發(fā)生傾斜，最終可能導(dǎo)致整個(gè)風(fēng)力發(fā)電塔受到破壞。因此，為有效確保整個(gè)風(fēng)力發(fā)電站主塔的集中施工和正常運(yùn)營(yíng)的安全，在保證施工運(yùn)營(yíng)過程的集中和正常運(yùn)營(yíng)期間，必須對(duì)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電站主塔塔體及其主要基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行整體沉降程度監(jiān)測(cè)。

2 風(fēng)力發(fā)電塔沉降監(jiān)測(cè)的方法

隨著近年來風(fēng)力發(fā)電站側(cè)塔主體施工工程進(jìn)展，荷載不斷變化增加，風(fēng)力發(fā)電站側(cè)塔塔身及其主體基礎(chǔ)不斷發(fā)生下沉，風(fēng)力發(fā)電站側(cè)塔主體施工工程完成后，在水和風(fēng)荷載的雙重作用下，隨著施工時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，風(fēng)力發(fā)電站主塔的整體沉降(或整體上浮)和整體傾斜也在不斷發(fā)生變化，通過實(shí)時(shí)觀測(cè)其整體沉降傾斜量，來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電站主塔的整體沉浮傾斜情況，及時(shí)組織調(diào)整整體施工進(jìn)度，必要時(shí)可以采取措施，確保整個(gè)風(fēng)力發(fā)電站主塔的穩(wěn)定和安全。同時(shí)，根據(jù)整體累計(jì)爬升沉降物體積數(shù)量及整體累計(jì)沉降觀測(cè)爬升沉降觀察時(shí)間的相互關(guān)系三個(gè)基本曲線，計(jì)算整個(gè)鄭州風(fēng)力發(fā)電站以沉降塔數(shù)數(shù)量為計(jì)算基礎(chǔ)的整體累計(jì)爬升沉降觀測(cè)時(shí)間曲線速率，根據(jù)累計(jì)爬升沉降觀測(cè)時(shí)間速度曲線，計(jì)算整體累積爬升沉降觀測(cè)時(shí)間速度曲率三個(gè)基本系數(shù)，并通過系數(shù)計(jì)算確定累積沉降累計(jì)觀測(cè)沉降物體積數(shù)量、沉降觀測(cè)時(shí)間曲線速率和計(jì)算累計(jì)累積沉降觀測(cè)時(shí)間速度曲率三個(gè)基本系數(shù)，預(yù)測(cè)整個(gè)風(fēng)力發(fā)電站主塔的穩(wěn)定及安全運(yùn)行情況。

目前，風(fēng)力發(fā)電站分塔基礎(chǔ)沉降高程觀測(cè)通常認(rèn)為是采用閉合測(cè)和水準(zhǔn)測(cè)量的一種方法，觀測(cè)每個(gè)點(diǎn)在風(fēng)力發(fā)電站分塔主體基礎(chǔ)上對(duì)稱方向布置的4個(gè)不同觀測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)高程，通過每個(gè)點(diǎn)觀測(cè)一個(gè)周期的基礎(chǔ)高程高度變化量來計(jì)算每個(gè)風(fēng)力發(fā)電站主塔的基礎(chǔ)沉降傾斜量和基礎(chǔ)沉降移動(dòng)速率，并通過計(jì)算直徑上2個(gè)不同觀測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)沉降差，來準(zhǔn)確計(jì)算每個(gè)基礎(chǔ)的沉降傾斜度和變形，根據(jù)基礎(chǔ)沉降的測(cè)量及每個(gè)觀測(cè)周期時(shí)間的比例關(guān)系形成曲線，計(jì)算基礎(chǔ)沉降量和曲率相關(guān)系數(shù)。并通過數(shù)據(jù)累積統(tǒng)計(jì)沉降高度量、沉降高度速率和累積沉降高度曲率三個(gè)系數(shù)，預(yù)測(cè)我國風(fēng)力發(fā)電高壓塔的穩(wěn)定及安全運(yùn)行情況。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)用變壓塔進(jìn)行塔體土層沉降閉合深度水準(zhǔn)觀測(cè)，通常所采用的方法是直接測(cè)試采用二等以下塔體閉合土層深度進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量的一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方法，即目前在我國有二等以下閉合深度水準(zhǔn)測(cè)量主要深度觀測(cè)方法技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方法，國家二等以下閉合深度水準(zhǔn)測(cè)量的主要深度觀測(cè)方法技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及其要求具體如表1所示。

表1 二等水準(zhǔn)測(cè)量的主要技術(shù)要求

二等以上單位高度水準(zhǔn)測(cè)量的具體測(cè)試觀測(cè)操作程序一般為:后前前后或后后前前的單位水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)具體測(cè)量操作順序。由于臨時(shí)閉合沉降測(cè)站水準(zhǔn)測(cè)試觀測(cè)坐標(biāo)點(diǎn)與鄭州國家風(fēng)力發(fā)電總站中心塔上的四個(gè)臨時(shí)閉合沉降水準(zhǔn)測(cè)試分站坐標(biāo)觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)定點(diǎn)之間位置相距較近，如果按照臨時(shí)空間閉合立式沉降測(cè)站水準(zhǔn)測(cè)量的基本設(shè)計(jì)觀測(cè)方法，對(duì)四個(gè)臨時(shí)閉合沉降觀測(cè)點(diǎn)分別依次進(jìn)行臨時(shí)閉合觀測(cè)，最少最多可能需要同時(shí)重復(fù)觀測(cè)5個(gè)臨時(shí)沉降水準(zhǔn)測(cè)試分站，其中至少最多需要設(shè)置有2個(gè)臨時(shí)沉降水準(zhǔn)測(cè)試分站基本要求是完全同時(shí)位于相同的臨時(shí)沉降水準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)上，這樣的臨時(shí)沉降測(cè)站觀測(cè)坐標(biāo)設(shè)置操作程序必然就可能會(huì)直接導(dǎo)致在相同的沉降觀測(cè)坐標(biāo)位置之間需要多次重復(fù)同時(shí)觀測(cè)設(shè)置多個(gè)沉降測(cè)站，增加了同時(shí)設(shè)置多個(gè)測(cè)站的重復(fù)次數(shù)和同一個(gè)臨時(shí)沉降水準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)上兩個(gè)立體式沉降水準(zhǔn)尺的重復(fù)移動(dòng)觀測(cè)次數(shù)。從而大幅度地降低的一次大型閉合水體沉降深度水準(zhǔn)測(cè)量的平均深度觀測(cè)值的持續(xù)時(shí)間數(shù)度，并大大幅度增加了一次閉合水體沉降深度水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)的平均持續(xù)時(shí)間。為此，本文主要研究提出了一種可以多日往返同時(shí)多地進(jìn)行溫度觀測(cè)的新型地球溫度水準(zhǔn)測(cè)量的主要方法。

3 往返同時(shí)觀測(cè)法

往返是進(jìn)行氣象觀測(cè)的一種方法，也是水準(zhǔn)測(cè)量的一種方法。是否都完全可能采用了后后前前的兩個(gè)反復(fù)連續(xù)觀測(cè)操作程序，由于一個(gè)新的新型電子測(cè)量射線應(yīng)用光學(xué)工程測(cè)量電子水準(zhǔn)儀只需要反復(fù)連續(xù)分別讀取一次兩個(gè)中線上的一次反復(fù)讀數(shù)和一個(gè)夾在觀測(cè)者的平均視距，所以不一定完全可能存在反復(fù)連續(xù)分別讀取一次夾在紅面和一個(gè)夾在黑面中的光線上各一次讀數(shù)的種種觀測(cè)可能性和安全問題，只是在一個(gè)新的新型電子射線光學(xué)測(cè)量水準(zhǔn)尺上反復(fù)連續(xù)分別讀取2次兩個(gè)中線上的一次讀數(shù)，取其中的一個(gè)作為平均值一次反復(fù)讀取讀數(shù)即可，所以均為后后前前的兩個(gè)反復(fù)連續(xù)觀測(cè)操作程序。

往返同時(shí)進(jìn)行返回基點(diǎn)觀測(cè)的這種電子沉降沉升后視沉升觀測(cè)數(shù)據(jù)工作記錄方法，就是在同時(shí)使用兩臺(tái)電子后視沉降沉升水準(zhǔn)儀同時(shí)進(jìn)行沉降后視沈升沉降觀測(cè)工作時(shí)在進(jìn)入兩個(gè)基點(diǎn)時(shí)，首先分別返回讀取兩組沉升后視沉降數(shù)據(jù)為記錄電子沉降水準(zhǔn)儀進(jìn)入基點(diǎn)上的電子沉降沉升后視觀測(cè)工作數(shù)據(jù)讀數(shù)，記錄后視觀測(cè)工作完沉升后視沉降數(shù)據(jù)后，接著，再同時(shí)返回讀取兩組沉升后視沉降數(shù)據(jù)，即可用來分別作為最后一次同時(shí)返回基點(diǎn)觀測(cè)時(shí)的電子沉降前視觀測(cè)工作數(shù)據(jù)讀數(shù)。從理論觀測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)及理論觀測(cè)技術(shù)成果分析來看，其理論觀測(cè)結(jié)果精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于多數(shù)觀測(cè)站的沉降閉合技術(shù)水準(zhǔn)測(cè)量，當(dāng)然，此觀測(cè)方法的主要理論觀測(cè)根據(jù)仍然是以沉降閉合技術(shù)水準(zhǔn)測(cè)量要求為理論基礎(chǔ)，沉降技術(shù)觀測(cè)的閉合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及沉降技術(shù)測(cè)量要求均必須滿足《建筑變形測(cè)量規(guī)范》(jgj8—2007)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4 沉降觀測(cè)的數(shù)據(jù)處理及精度分析

風(fēng)力發(fā)電站主塔各點(diǎn)沉降平差觀測(cè)檢驗(yàn)項(xiàng)目，在每期各點(diǎn)沉降平差觀測(cè)項(xiàng)目結(jié)束后，根據(jù)測(cè)量誤差計(jì)算理論及測(cè)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)檢驗(yàn)方法原理對(duì)當(dāng)期獲取的沉降觀測(cè)誤差數(shù)據(jù)及時(shí)分析進(jìn)行沉降平差差值計(jì)算和錯(cuò)誤處理，并及時(shí)計(jì)算各點(diǎn)的平均沉降移動(dòng)量、累積后的沉降移動(dòng)量、沉降移動(dòng)速率和對(duì)于風(fēng)力發(fā)電站主塔內(nèi)部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)傾斜的測(cè)量。觀測(cè)基點(diǎn)平差數(shù)據(jù)的計(jì)算基點(diǎn)工作平差曲線數(shù)據(jù)計(jì)算基點(diǎn)方法主要是以每個(gè)工作基點(diǎn)或者風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在風(fēng)力塔的一個(gè)基點(diǎn)工作平差曲線計(jì)算基點(diǎn)(即一個(gè)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)在塔一個(gè)工作曲線基礎(chǔ)附近或者風(fēng)力電機(jī)輸電輸送線路在塔一個(gè)工作曲線基礎(chǔ)上的一個(gè)基點(diǎn)工作平差曲線計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn))為觀測(cè)平差數(shù)據(jù)起算點(diǎn)，采用清華三維工作曲線基點(diǎn)平差數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)軟件對(duì)該系統(tǒng)可以進(jìn)行嚴(yán)密精確計(jì)算基點(diǎn)平差。

平差前對(duì)主要節(jié)點(diǎn)觀測(cè)目標(biāo)對(duì)象質(zhì)量數(shù)據(jù)中的質(zhì)量信息進(jìn)行了嚴(yán)格的超高精度數(shù)據(jù)篩選，剔除了一些可能含有粗差的主要節(jié)點(diǎn)觀測(cè)目標(biāo)對(duì)象質(zhì)量數(shù)據(jù)。例如，4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)為綜合沉降觀測(cè)點(diǎn)的整體觀測(cè)點(diǎn)中，3個(gè)點(diǎn)為觀測(cè)點(diǎn)的平均綜合沉降整體觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量均較小，僅一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的整體沉降平均觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量很大，這些點(diǎn)可能主要是由于此點(diǎn)受到破壞或人為上的碰撞而直接產(chǎn)生一些數(shù)據(jù)上的突變，對(duì)這樣的突變數(shù)據(jù)就需要進(jìn)行剔除，然后重新進(jìn)行高水平差值的計(jì)算，從而可以達(dá)到高中低精度的沉降觀測(cè)處理成果。觀測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)過優(yōu)化處理后，將原始方法觀測(cè)到的數(shù)據(jù)整合進(jìn)行簡(jiǎn)易的電平差分析計(jì)算。

5 結(jié)語

往返同時(shí)同地進(jìn)行沉降觀測(cè)法的沉降沉升法，各項(xiàng)沉降觀測(cè)操作技術(shù)指標(biāo)，精度均基本能夠達(dá)到國家二級(jí)一等級(jí)和國家水準(zhǔn)測(cè)量的各項(xiàng)沉降觀測(cè)操作技術(shù)指標(biāo)，基本符合要求。從兩站沉降水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳下來分析來看，沉降量和水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)的最大兩站沉降平均閉合差大約為±0.1mm，最小兩站沉降平均閉合差大約為0.00mm，由于同時(shí)進(jìn)行觀測(cè)的一站僅兩站，大部分兩站沉降平均閉合差大約為±0.05mm左右，由此可見，這是針對(duì)全年往返同時(shí)兩站沉降進(jìn)行的平均沉降量和水準(zhǔn)測(cè)量?jī)煞N計(jì)算方法，其中對(duì)沉降水準(zhǔn)觀測(cè)站的測(cè)量工作精度較高，觀測(cè)站的持續(xù)時(shí)間也相對(duì)較少，提高了沉降水準(zhǔn)測(cè)量觀測(cè)站的測(cè)量工作精度沉降水準(zhǔn)觀測(cè)測(cè)量工作效率。同時(shí)，本文的觀測(cè)分析方法也廣泛應(yīng)用于其他類似工程項(xiàng)目的水體沉降測(cè)量觀測(cè)中，對(duì)其他類似工程的水體沉降測(cè)量觀測(cè)工作具有重要的技術(shù)指導(dǎo)意義。