基于指數曲線模型的風機基礎沉降監測及預警

■張康

（寧夏回族自治區礦產地質調查院 寧夏 銀川750021）

基于指數曲線模型的風機基礎沉降監測及預警

■張康

（寧夏回族自治區礦產地質調查院 寧夏 銀川750021）

為了準確獲得風機基礎在風機吊裝過程與運行過程的沉降量，結合鹽池縣凱迪中盈新能源風電場風機基礎沉降觀測數據，利用指數曲線模型對該項目風機沉降量進行長期性預測，結果反映了風機基礎在運行過程中與實際沉降量相似，該方法可以應用到相似的風電工程當中。

風機基礎沉降觀測指數曲線模型沉降預測

0 引言

隨著我國經濟的飛速發展和科技水平的不斷提高，風電產業也在持續快速發展。截至目前，我國已經成為全球的風電裝機規模第一大國，整體發展事態良好。如今，風電場的建設逐漸遍布全國各地區，從草原風力發展到海上風能的利用，可見風電已逐步走上成熟之路。風機基礎的施工是風機的關鍵之處，對整個風機是否屹立不倒起決定的作用，因而風機基礎混凝土澆筑施工完成后的沉降觀測便顯得尤為重要。而風機屬于高聳建筑物，輕微的地基不均勻沉降，將使風機產生較大的水平偏差，在機艙、葉片風力等荷載作用下，產生較大偏心彎矩，從而使原先在水平方向未能保持平整度的風機更加傾斜，給風電機組運行帶來較大的安全隱患。當前，隨著風機功率和輪轂高度的增加，風機荷載和運行環境變得更為復雜，對風機基礎的受力、變形及穩定性提出了更高的要求．風機基礎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，這導致了風機基礎的受力狀態遠比其他高聳結構基礎復雜[1]。為了保證風機基礎的施工和運營安全，必須根據已有基礎沉降監測數據建立一個合理的基礎沉降預測模型，以及時、準確地預報風機基礎的變形[2]。

針對以上問題，結合寧夏鹽池縣凱迪風電場工程，對風機基礎沉降監測數據進行分析，利用指數曲線模型對風機基礎的長期沉降量進行預測，并依據實例對該預測模型的精度和適應性進行了校核。

1 工程概況

鹽池縣凱迪中盈新能源風電場位于寧夏回族自治區吳忠市鹽池縣王樂井鄉境內，一期項目共建設33臺風電機組，總裝機容量49.5MW。沉降觀測分別在每臺風機基礎布設3個基準點，在風機地基基礎承臺頂部分別設置4個相互垂直的沉降觀測點，為了能反應風機基礎存在的不均勻沉降，觀測點選取位于風機基礎橫軸、縱軸方向均勻對稱的位置。

項目區主要為低山丘陵，緩坡丘陵及黃土梁峁，范圍內普遍存在有厚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，膠結不良但可以成團粒，其上表有0.2?0.6米的紫紅色板結砂巖或粉砂巖層，或露地表，或被流沙、黃土和紅土所疊壓。根據埋設點的地層情況采取不同的測量標志。砂土、疏松粉砂地區基準點埋設需鋪設防水膜，然后在墊層上用混凝土澆筑固定普通標石；砂礫層地區埋設水泥標樁的辦法設置基準點。沉降觀測采用二等水準的測量方法，并嚴格按照《國家一二等水準測量規范》（GB／T12897-2006）及《建筑變形測量規范》（JGJ8－2007）等規范要求的相關精度及限差執行。

自2012年8月底開始實施第一次觀測，風機機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月底進行第十五次觀測，觀測周期結束。

2 觀測數據處理

風機基礎的沉降變形主要是由于地質條件、上部荷載、機組運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隨時間、不同的運行階段的變化的過程，根據沉降的數據來判斷風機基礎不均勻沉降，并根據基礎的不均勻沉降值計算基礎的傾斜度。當最后lOOd的沉降速率小于0．01-0.04mm／d時可認為已進入穩定階段。從各觀測點累計沉降量、沉降速率統計表的數值可以判斷風機基礎是否沉降均勻、是否入穩定階段。本項目觀測期間各風機沉降均勻，個別風機沉降量相對較大，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機基礎的單次變化量，在某一階段內風機基礎觀測點的累計沉降值與觀測天數比值即為沉降速率，單位為mm/d。根據每周期觀測數據得出周期內沉降值，累計沉降值，沉降速率等數值，繪制沉降曲線。以沉降量s為縱軸，以時間t為橫軸，構成直角坐標系。將每次累積沉降量值為縱坐標，以每次觀測日期為橫坐標，標出沉降觀測點的位置并連接成線。以10號風機為例:

圖1 10#風機沉降過程曲線圖

2.2 各觀測點沉降量、相對傾斜值基礎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，將各觀測點直線距離化為毫米。根據沉降差與觀測點直線距離的比值得出相對傾斜值。10#風機各觀測點累計沉降量、相對傾斜值統計表見表1，從數據可以看出基礎最大相對傾斜為-0.00015毫米，在各個方向的相對傾斜度都小于4/1000的一般規定，沉降差都小于0.002L的規定，說明各個風機基礎不存在不均勻沉降,基礎安全穩定，不存在安全隱患。

表1 10#風機各觀測點累計沉降量、相對傾斜值統計表

3 指數曲線模型[3]

指數曲線預測模型的基本方程為：

式（1）中，St為第t時刻的沉降預測值；t為沉降觀測日期；a，b為待定系數。選擇3個時間點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日三次觀測數據作為基礎數據，利用式（1）和式（2）計算得出預測模型方程為：

利用該模型方程和數學計算軟件可以得到表2的結果。

表2 預測模型計算結果表

4 模型計算值分析

根據觀測成果數據、統計數據圖表分析可得出下述結論：

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

（2）風機機組安裝期間，受上部荷載的影響基礎有微量的沉降。當機組安裝完成，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，風機基礎沉降量逐漸變小，最后一次觀測風機沉降量基本在毫米以內，且趨于穩定。通過數據得出風機基礎沉降均勻、穩定，機組運行正常，設備安全，不存在安全隱患。

（3）沉降觀測數據反映觀測點假設高程的變化值，根據觀測點的考慮到外界因素例如天氣、溫度、風力、風振等導致風機細微傾斜，數據在限差允許范圍內，屬于正常現象。

（4）觀測周期共歷時700多天，沉降速率較小，沉降均勻穩定，且在規范允許值內。說明機組運行安全，對基礎的影響較小，基礎穩定，設備安全。

5 結語

（1）凱迪風電場所處的丘陵緩坡地層為殘坡積層，在該地區建設風電場易產生地基失穩。因此，風機吊裝完成后與運行初期，對基礎沉降進行觀測是非常必要的，可及時了解風機的沉降情況，確保風機將來的安全運行。

（2）殘坡積地層的風電場，由于風機整體結構的受力特點、會使地層在主風向風力作用下沿節理面錯動，可能會導致風機基礎較大沉降及不均勻沉降，通過及時的監測與反饋，為地基處理提供依據。基于指數曲線模型可以運用到此類風機基礎沉降的預測預警當中。

（3）受場地與發電時間的限制，在運行過程中長期監測一般難以做到，采用指數曲線模型預測方法能合理地預測風機在運行過程中沉降量，為風機基礎的長期沉降量提供參考，為風電機組安全運行提供依據。

[1]鄧宗偉,彭文春等.風力機擴展基礎基底壓力測試與平面度分析 [J].巖土力學,2015,36 (9):2659-2664

[2]彭文春,周炎明.橋市風電場風機基礎沉降觀測及預測分析.湖南城市學院學報 (自然科學版),2014,23(3):24-26

[3]熊春寶，李法超.指數曲線模型預測基坑周邊地面沉降.測繪與空間地理信息,2011,34 (4):4-6

F407.1[文獻碼]B

1000-405X（2016）-12-184-2