海上風電高樁承臺風機基礎安全監測技術

彭 潛，張 晗，徐 兵

(1. 上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434； 2. 福建龍源海上風力發電有限公司，福建 福州 350000)

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，已成為全球可再生能源的重要方式之一。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。且我國幅員遼闊，海岸線長達1.8萬km，可利用海域面積300多萬km2，特別是東南沿海及附近島嶼海上風能資源豐富，極具發展海上風電的天然優勢[1-2]。

根據2020-12-12日召開的氣候雄心峰會上習近平總書記親自宣布的“到2030年，中國的風電、太陽能發電總裝機容量將達到12億kW以上。”這一重大新舉措。全國新能源消納監測預警中心發布的數據顯示，截至2020年9月底，中國風電、光伏并網裝機均達到2.2億kW，合計為4.4億kW。目前距離最低要求仍有逾近7.5億kW的裝機差額，如果以此數據按10年平均計算，則意味著風、光每年的新增裝機將不低于7 500萬kW。

隨著海上風電清潔新能源技術的不斷推進，風機數量與日俱增，在風電場的建設和運行過程中，針對風機基礎及上部結構進行安全監測，以便掌握其安全狀況，可建立健全海上風機狀態監測與健康診斷系統[3-7]。本文以福建莆田南日島海上風電場工程為例，根據現場實測數據對風機基礎安全監測進行分析，為海上建筑物高樁承臺風機基礎及塔筒的安全評估、運維方案提供重要參考依據，并反饋于設計和科研。

1 工程概況

4臺樣機工程布置在福建莆田南日島海上風電場一期項目A區中東部區域，工程所處區域主要為海積海底階地地貌，海底高程-5～-17 m，地形總體呈西南高東北低態勢，地形坡度一般小于1°。場地內按行距7D(風輪直徑)，列距4D的原則，共布置單機容量4 MW的風力發電機組4臺，總裝機容量16 MW，機位平面布置如圖1所示。

圖1 風機機位平面圖

基礎型式為高樁承臺基礎，采用斜樁形式，通過樁基承受水平荷載和豎向荷載，并通過樁基頂部的承臺實現塔筒與基礎的連接，基礎形式如圖2所示。

圖2 風機基礎型式示意圖

本項目是莆田平海灣海域的第一個海上風電項目，是今后大規模開發該地區風能資源的實踐基地。為精確掌控各風機基礎結構的服役狀態，進一步積累經驗，擬對風機基礎及塔架結構進行安全監測。

2 基礎安全監測項目設置

根據設計相關要求，本工程設置的安全監測主要項目有：①承臺應力應變監測；②鋼管樁應力應變監測；③風機傾斜監測；④風機振動監測；⑤鋼管樁腐蝕電位監測。本文僅針對SY04號風機進行闡述說明。

2.1 承臺應力應變監測

承臺內力采用鋼筋計、混凝土應變計及無應力計，對承臺內的鋼筋和混凝土進行應力應變監測。承臺內力監測布置分為3個水平截面，鋼筋計12支、混凝土應變計12支、無應力計2支。承臺應力應變監測布置如圖3、圖4所示。

圖3 承臺應力應變監測立面示意圖

圖4 承臺應力應變監測平面示意圖

詳細布置如下。

1)承臺結構混凝土底面下層鋼筋及混凝土內，高程約5.14 m：①鋼筋計距離承臺中心點5.00 m處，第1支鋼筋計的方向為主風向NE22.5°，另外3支鋼筋計按照順時針方向依次呈間隔90°布置，型號為Φ36 mm，呈水平向布置，測點編號為CR2-1～CR2-4。②混凝土應變計距離承臺中心點2.80 m處，第1支應變計的方向為主風向NE22.5°，另外3支應變計按照順時針方向依次呈間隔90°布置，呈豎直向布置，測點編號為IV2-1～IV2-4。

2)承臺結構混凝土上層鋼筋及混凝土內，高程約8.80 m：①鋼筋計距離承臺中心點5.00 m處，第1支鋼筋計的方向為NE22.5°，另外3支鋼筋計按照順時針方向依次呈間隔90°布置，型號為Φ28 mm，呈水平向布置，測點編號為CR3-1～CR3-4。②混凝土應變計距離承臺中心點2.80 m處，第1組應變計的方向為主風向NE22.5°，另外3組應變計按照順時針方向依次呈間隔90°布置，每組布置1支水平向應變計和1支豎直向應變計。測點編號為IH3-1～IH3-4、IV3-1～IV3-4。

3)填芯混凝土端部縱向鋼筋及混凝土內，高程約7.00 m：①鋼筋計距離承臺中心點4.10 m處，位于填芯混凝土端部縱向鋼筋上，第1支鋼筋計的方向為NE45°處，另外3支鋼筋計按照順時針方向依次呈間隔90°布置，型號為Φ28 mm，沿鋼管樁內縱向鋼筋計布置，測點編號CR4-1～CR4-4；②無應力計布置在離開機位中心點3.90 m處，第1支無應力計的方向為主風向NE22.5°，另外1支無應力計方向為NW67.5°，無應力計均為差阻式儀器，測點編號WYL1～WYL2。

2.2 鋼管樁應力應變監測

鋼管樁的應力應變在鋼管樁表面安裝30支振弦式鋼板計進行監測，并在2號鋼管樁承臺內5.40 m高程位置安裝4支差阻式應變計進行鋼管樁及混凝土的應力應變監測。鋼管樁應力應變監測布置如圖5、圖6所示。

圖5 鋼管樁內力監測立面示意圖

圖6 鋼管樁內力監測平面示意圖

詳細布置如下。

1)承臺以下鋼管樁。在2、6號及8號鋼管樁進行應力應變監測，各設5個監測橫截面，每個橫截面上對稱布置2個鋼板計，安裝高程由下至上依次為-23.10、-18.10、-15.10、-5.80、2.90 m，同一橫截面上2支傳感器的連線為順主風向，測點編號為G2-1～G2-10、G6-1～G6-10、G8-1～G8-10。

2)2號鋼管樁。承臺上部5.40 m高程設1個監測橫截面，鋼管樁上對稱布置2個應變計，測點編號為2號IG1～2號IG2，旁側混凝土中布置2個混凝土應變計，測點編號為2號IH1～2號IH2，4支傳感器的連線為順主風向方向。

2.3 風機傾斜監測

在承臺表面9.0 m高程安裝1套傾角計，塔筒內安裝5套傾角計，沿塔架從上到下均勻分布，高程分別為89、73、57、41、25 m，由上往下依次編號為Q1～Q6。通過測量風機基礎及塔筒的傾角，推算整個風機結構的水平變位情況。風機傾斜監測布置如圖7、圖8所示。

圖7 風機傾斜和振動監測立面示意圖

圖8 風機傾斜和振動監測平面示意圖

2.4 風機振動監測

振動監測，在承臺表面9.0 m高程安裝1套拾振器，塔筒內安裝3套拾振器，沿塔架從上到下均勻分布，高程分別為90、63、36 m，由上往下依次編號為S1～S4。風機振動監測布置如圖7、圖8所示。

2.5 鋼管樁腐蝕電位監測

選取2、6號鋼管樁樁身外壁進行腐蝕電位監測點的安裝，根據犧牲陽極的安裝位置選擇5個高程焊接測試導線，安裝高程依次為-11.30、-9.30、-7.30、-5.30 m及-3.00 m，鋼管樁每個高程位置各對稱布置2個腐蝕監測點，由下往上依次編號為F2-1～F2-10，F6-1～F6-10，2根鋼管樁共安裝20個腐蝕電位監測點。

3 監測成果分析

3.1 承臺應力應變監測成果

篩選部分實測監測結果，自施工初期開始，承臺結構混凝土底面5.14 m高程處、頂面8.80 m高程處水平向鋼筋計、填芯混凝土端部7.00 m高程處縱向鋼筋的應力歷時過程線如圖9～圖11所示。

鋼筋計實測數據表明：①承臺封底混凝土內鋼筋應力測試出為較小的拉應力，監測過程中出現的拉應力最大值約為33.9 MPa，后續測值基本在零值附近。②承臺頂面CR3-1鋼筋計測試出較小拉應力，曾出現的最大拉應力約為9.7 MPa；之后鋼筋拉應力減小且向受壓轉變，其余測值平均值基本在-16.0MPa左右。③鋼管樁填芯混凝土端部豎向鋼筋計測值在零值附近變化，監測期間出現的最大拉應力約20.3 MPa；目前均表現為受壓狀態，最大壓應力約為-15.7 MPa；豎直向的鋼筋受力與過渡段以上荷重關系較大。

圖9 承臺底部鋼筋應力歷時過程線

圖10 承臺頂部鋼筋應力歷時過程線

圖11 填芯混凝土端部鋼筋應力歷時過程線

根據承臺結構混凝土底面5.14 m高程處、頂面8.80m高程處水平混凝土應變計的應變歷時過程線如圖12～圖13所示。

圖12 承臺底部混凝土應變歷時過程線

圖13 承臺頂部混凝土應變歷時過程線

應變計實測數據表明：①承臺底面應變計測試壓應變較前期有所增大；監測后期，非構造荷載出現的應變數值不大，目前最大值約為-200 με；對于無應力計將自動化監測到的數據進行應變——溫度擬合，可以得到混凝土的溫度線膨脹系數為11.15×10-6/℃，在正常范圍值4.76～12.10×10-6/℃內。②承臺頂面豎向應變計測目前最大壓應變約為400 με，水平向應變計目前壓應變約為80 με，后期測值變化平緩，趨于穩定。

3.2 鋼管樁應力應變監測成果

篩選部分實測監測結果，自施工初期開始，6號及8號鋼管樁外壁應變歷時過程線如圖14～圖15所示，2號鋼管樁承臺上部5.4 m高程樁身應變歷時過程線如圖16所示。

鋼板應變計實測數據表明：①在風機塔筒、機艙及葉片吊裝等過程中(時間點為2014-12-19日～2015-01-04日)，2根樁樁身壓應變表現為增大，但負摩阻力仍然存在；②6號樁因大型施工船舶插腿過程中樁周產生的負摩阻力基本沒有繼續增大，測值變化平緩；2根樁樁身應變計測值變化平緩。③2號鋼管樁5.4 m高程樁身應變監測成果可以看出，鋼管樁外壁和旁側的混凝土應變IG1和IH1測值基本一致，IG2和IH2相差不到50 με，變形基本協調，后期測值變形平緩。

圖14 6號鋼管樁樁身應變歷時過程線

圖15 8號鋼管樁樁身應變歷時過程線

圖16 2號鋼管樁5.4 m高程樁身應變歷時過程線

3.3 風機傾斜監測成果

通過對8～11月期間的傾斜度監測數據，診斷風機塔筒在監測期間是否存在較大的永久傾斜。分析方法為對每個月最后1 d記錄到的24 h的傾斜度數據的平均值減去月初最開始記錄到的24 h的傾斜度數據的平均值，然后對塔筒壁各測點的差值求平均值作為塔筒壁這個月的永久傾斜度變化值。塔架永久傾斜度變化值統計情況如表1所示。

表1 風機塔筒永久傾斜度統計表 (°)

上述結果表明：風機塔筒在8～11月期間的永久傾斜值累計值都未超過0.1°，最大累計值為風機塔筒東北向出現了0.089°的永久傾斜，最小累計值為風機塔筒西南向出現了0.015°的永久傾斜；風機承臺東北向出現0.055°的永久傾斜，西南向出現了0.018°的永久傾斜。上述永久傾斜累計值低于設計規范規定的0.5°閾值，初步判定風機基礎結構處于偏安全狀態。

統計8～11月期間各風機塔的最大傾斜度值幅值、有效值、報警次數等參量情況，分析日常工作狀態下各風機塔筒和承臺的擺動強度。統計結果如表2所示。

表2 風機塔筒傾斜度幅值特性統計表

上述結果表明：風機塔筒在8月份的擺動強度比較大，接近1.0°，遠大于其余月份擺動強度；風機塔筒在8月份傾斜度超過0.5°閾值報警次數為67次，遠遠大于其余月份報警次數；初步分析是8月份臺風在莆田登陸而導致風機塔強烈地擺動。

3.4 風機振動監測成果

對8～11月份期間每個月記錄到的振動數據進行篩選，篩選出10 h的數據用于風機塔振動固有頻率、阻尼比值的分析，然后對這10組數據分析結果求取平均值，作為本月風機塔架的1階固有頻率值、阻尼比值。數據采樣頻率為20 Hz，分析時，首先對數據進行了低通濾波(截止頻率為1 Hz)，然后進行自功率譜(FFT)平均分析，平均窗為20 480×64，頻率分辨率為0.000 9 Hz，基于譜細化法計算出固有頻率點的阻尼比，分析結果如表3，風機塔筒在日常工作狀態下的典型頻譜圖如圖17、典型沖擊振動時程圖如圖18所示。

表3 1階固有頻率與阻尼比統計表

圖17 風機塔筒典型振動頻譜圖

圖18 風機塔筒典型沖擊振動時程圖

根據監測數據及結果可知：①風機的1階固有頻率在8～11月之間變化非常小，如以8月份固有頻率為參考，這幾個月內的1階固有頻率測試結果差值小于1%，可以認為風機的1階固有頻率值為定值。②風機塔架1階固有頻率對應的阻尼比正常變化范圍一般為0.03～0.17，超過這個范圍結構材料特性可能發生變化。1階固有頻率對應的阻尼比在8～11月之間變化較小，如以8月阻尼比值為參考，則這幾個月內的阻尼比測試結果差值小于10%，同時由于阻尼比的測試誤差一般在10%左右，因此，可初步認為風機塔架阻尼比也為定值。③典型時間段振動時程圖可知：風機塔筒在8～11月期間的最大沖擊振動加速度幅值為8.9 m/s2，沖擊振動強度是非常劇烈的，且頻繁發生，應注意加強監測與分析。

3.5 鋼管樁腐蝕電位監測成果

選取2號鋼管樁樁身外壁的腐蝕電位監測成果進行分析，腐蝕測試數據統計如表4所示。

表4 鋼管樁腐蝕電位監測結果統計表

依據以上測試結果與相關規范[8-9]，對于“含氧環境中的鋼”，氯化銀電極的“最正值”為-0.80 V，最負值為-1.10 V，依此評價鋼管樁的受保護狀態情況。可知：①2號鋼管樁處于受保護狀態之中，鋼管樁不存在過保護和欠保護情形，均在合理區間[-1.10 V，-0.80 V]內；②測試時參比電極投入海水中的深度可導致電位測值出現較小的差異，屬正常情況。

4 結 語

1)安全監測是工程建設和運維管理的重要抓手之一，在海上風電場復雜環境下能夠有效、實時、準確地進行風機基礎及塔筒的安全監測，將為風電場的安全評估、運行檢查、全生命周期運維等提供數據支撐與重要參考。

2)海上風電安全監測設計和施工規范較少，借鑒橋梁、大壩等行業結構健康監測設計理念，對海上風電場進行安全監測的項目設置與優化，通過設備選型、安裝埋設、定期維護和測試等監測過程，以掌握風機基礎及塔筒的安全運行狀況，兼顧驗證設計與后續科研、施工等。

3)海上風電安全監測的數據處理和分析的研究與應用成果已逐步邁向相對較高的水平發展，對大數據時代的健康監測模型的建立和分析仍然需要再更新和再優化，智慧風電監測和智慧運維值得進一步深入探究。