海上風電場風機基礎不均勻沉降監測與分析

彭 潛

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434)

根據全球海上風電現狀最新統計數據，風能發電僅次于水力發電占到全球可再生資源發電量的16%。在全球高度關注發展低碳經濟的語境下，海上風電有成為改變可再生能源電力結構的潛質。我國海上風電異軍突起，裝機規模連續5年快速增長，已躍居全球第三。且我國海上風能資源豐富，海岸線長達1.8萬km，可利用海域面積300多萬km2，極具發展海上風電的天然優勢。《風電發展“十三五”規劃》提出，到2020年海上風電裝機容量達500萬kW[1]。

近年來，隨著風力發電這一清潔新能源技術的不斷推進，風機數量越來越多，在風電場的建設和運行過程中，風機基礎出現不均勻沉降將直接影響風機的吊裝及運行過程中的安全性。高速運轉的風機轉軸對基礎沉降要求特別嚴格，必須將沉降控制在允許的范圍之內，才能保證風電機組設備正常運轉。海底地質條件、設計方案、施工工藝等因素都會造成風機基礎產生不均勻沉降或沉降過大，因此對風電場風機的不均勻沉降進行監測顯得尤為重要。

風機對基礎不均勻沉降有較強的敏感性，及時反饋由基礎不均勻沉降而產生的偏移情況，能有效預防對風電機組安全生產運行造成的危害[2-5]。本文以東南沿海某海上風電場工程為例，根據現場實測可靠資料對該問題進行分析，為海上建筑物的安全評估、運維方案提供重要參考依據，兼顧驗證設計、科研及指導施工。

1 工程概況

該海上風電場地處我國東南沿海區域，總規劃裝機容量300 MW，其中一期項目試驗風場場址中心距岸線約3.0 km，場址水深約0～15 m，面積約20.5 km2。

該海域內外潮位有明顯的位相差；受臺風暴潮威脅較嚴重，臺風增水影響明顯。工程區地貌類型豐富，主要為沿海侵剝蝕丘陵、濱海海積平原、海積海岸、丘陵海岸以及海底階地地貌，地形總體呈西東北高西南低態勢。工程區內未發現對工程區有影響的活動構造，擬建機位多為水下岸坡地貌單元上，工程區地震活動屬基本穩定。場區內基巖巖性主要為燕山晚期花崗巖，地質覆蓋層較淺，本工程風機的基礎樁形式選擇嵌巖樁基礎形式，根據相關技術、經濟、施工可行性等方面綜合考慮后選擇弱風化花崗巖及以下設計為嵌巖樁樁基。

2 風機基礎不均勻沉降監測

擬對該區一期項目試驗風場中風機的高樁承臺進行安全監測，主要設置項目有：不均勻沉降監測、傾斜振動監測、結構應力監測及鋼管樁腐蝕電位監測等，本文僅選取其中5臺風機基礎的不均勻沉降監測進行分析。

2.1 不均勻沉降測點布置

每臺風機基礎頂部(10.00 m)邊緣均勻布置4個不銹鋼水準測點進行風機基礎不均勻沉降監測，其中兩個測點LD1和LD3的連線沿主風向NNE并通過承臺中心，另外兩個測點LD2和LD4的連線垂直于主風向NNE并通過承臺中心，不均勻沉降測點布置見圖1。

圖1 不均勻沉降測點布置圖

水準測點材質為316L型不銹鋼標點，在承臺鋼筋綁扎后、混凝土澆筑前，按照圖紙定位后將標點焊接在測點鋼筋上，保證與被測結構物牢固連接，一般標點頂部露出混凝土面約5 mm，現場預埋布置見圖2。

圖2 不均勻沉降測點現場安裝圖

2.2 不均勻沉降監測方法及控制原則

根據《工程測量規范》(GB50026-2007)等[6-7]相關測量規范分本工程不均勻沉降觀測的作業要求，風機基礎不均勻沉降觀測采用二等水準測量，觀測點測站高差中誤差小于±0.15 mm，各沉降點高程中誤差小于±0.5 mm。

進行不均勻沉降觀測時，以每個承臺上每組測點其中的一個測點(LD1/LD2)為基準點，分別觀測該組另外一個水準點(LD3/LD4)的相對高程。

首次觀測時連續、獨立觀測2次，合格后取其平均值作為各測點的基準值，此后所測高差的變化量，即為該測點的不均勻沉降量d。

每臺風機應進行單獨觀測，初始基準值選取之后，除每月都進行常規沉降監測外，還應在混凝土承臺澆筑后、風機機組吊裝前后等重要時間節點進行監測，當觀測結果異常時，應加密監測。

海上風電場的不均勻沉降觀測目前暫無專門的設計規范，風機不均勻沉降觀測控制值可參考《風電機組地基基礎設計規定》(試行，FD003-2007)[8]中對地基變形要求如表1。

表1 地基變形允許值

本工程輪轂高度為85～100 m，確定本工程風機基礎允許值≤150 mm，基礎頂部傾斜率允許值0.004。

《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)[9]規定，傾斜指基礎傾斜方向兩端點的沉降差與其距離的比值。即以測點LD1和LD3(連線通過塔筒圓心)為一組，LD2和LD4為一組進行不均勻沉降量的計算，風機基礎的傾斜值可按下式計算。

aij=dij/Li(i=3,4,j=2,3,4…)

式中：aij為基礎傾斜值，‰；dij為第j次觀測時測點i(測點LD3和LD4)分別相對基準點(LD1和LD2)的不均勻沉降量，mm；Li為測點i(測點LD3和LD4)分別與基準點(LD1和LD2)的距離，m。

因4個沉降測點均勻布置，則測點(LD3/LD4)與基準點(LD1/LD2)的距離為：

Li=L3=L4=2×(R-2.5)=2×(9.0-2.5)=13.0 m

因此，風機不均勻沉降量允許值為：

[d]=13.0×0.004×1 000=52 mm

3 監測數據分析

對本工程風電場選取其中5臺風機按照相關工序節點進行不均勻沉降觀測與分析，每臺風機均以其上的測點LD1、LD2為基準點分別獨立觀測測點LD3、LD4，并取每臺風機首次觀測的結果為基準值，計算各測點(測點LD3、LD4)相對基準點(測點LD1、LD2)的累計沉降量。繪制各風機測點的累計不均勻沉降變化曲線如圖3～圖7所示。

圖3 1號風機累計不均勻沉降變化曲線

圖4 2號風機累計不均勻沉降變化曲線

圖5 3號風機累計不均勻沉降變化曲線

圖6 4號風機累計不均勻沉降變化曲線

圖7 5號風機累計不均勻沉降變化曲線

圖3～圖7實測數據表明：

1)自基準日期開始，各風機承臺實測累計不均勻沉降量均較小，多數風機測值小于2 mm，遠小于不均勻沉降量允許值52 mm。

2)各承臺測點測值過程線無明顯的異常測值，自首次觀測開始、風機吊裝前后至風機運行中，各測點未呈現出明顯的向某一方向發展的趨勢，說明目前風機未出現傾斜的異常變化。

3)絕大多數風機承臺測點不均勻沉降變化過程線較為平緩，1號風機吊裝后(2017年10月21日吊裝完成)，基礎承臺向LD3測點傾斜，實測累計不均勻沉降量由0.9 mm增加2 mm，最后逐漸穩定在2 mm左右，屬合理范圍內；5號風機承臺測點不均勻沉降變化過程線在2018年5、6月份呈現變大趨勢，但在合理范圍內，無明顯的向某一方向發展的趨勢。測值變化可能主要是由于觀測時受風力、海流、風機運行等因素影響，導致部分測次觀測誤差相對加大所致，后續針對5號風機承臺加強監測頻次。

上述幾何水準不均勻沉降變化過程線表明，目前各風機基礎未出現明顯傾斜的異常變化。各風機基礎不均勻沉降測值、變幅均不大，均在合理范圍之內。

4 結 語

1)輕微的基礎不均勻沉降，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，從而使風機傾斜，嚴重時將導致法蘭破壞、塔筒折斷，帶來較大安全隱患。為防患于未然，對風機承臺進行不均勻沉降監測顯得尤為重要。

2)通過對東南沿海某海上風電場工程的承臺基礎實測不均勻沉降數據進行分析，目前各風機不均勻沉降測值、變幅均不大，均在合理范圍之內，各風機均未出現明顯傾斜的異常變化。既驗證了設計及施工的合理性，又為二期項目開展提供寶貴監測數據。

3)為提高觀測精度，筆者根據現場監測經驗有以下建議：①按照規范觀測要求，儀器、設備、觀測人員、觀測路線及方法等要固定。②根據該海域風力情況，當風力達到4-5級及以上時，應停止觀測，減少風力對觀測的影響。③盡量選擇1 m銦瓦水準標尺進行觀測，能較好保證標尺直立及穩定，減小立尺誤差；同時便于監測人員上下風機承臺工作，消除和減少安全隱患。