风力发电塔基础沉降监测方法研究

引言：近年来，随着经济发展，能源需求不断增加，石油和天然气等传统能源带来的环境挑战日益突出，人们越来越重视新能源，特别是清洁能源目前，中国风力发电规模居世界第一，风力发电园区建设在全国范围内逐步普及。

1 风力发电塔沉降监测的方法

随着近年来风力发电站侧塔主体施工工程进展，荷载不断变化增加，风力发电站侧塔塔身及其主体基础不断发生下沉，风力发电站侧塔主体施工工程完成后，在水和风荷载的双重作用下，随着施工时间的不断增长，风力发电站主塔的整体沉降 ( 或整体上浮 ) 和整体倾斜也在不断发生变化，通过实时观测其整体沉降倾斜量，来实时监测整个风力发电站主塔的整体沉浮倾斜情况，及时组织调整整体施工进度，必要时可以采取措施，确保整个风力发电站主塔的稳定和安全。同时，根据整体累计爬升沉降物体积数量及整体累计沉降观测爬升沉降观察时间的相互关系三个基本曲线，计算整个风力发电站以沉降塔数数量为计算基础的整体累计爬升沉降观测时间曲线速率，根据累计爬升沉降观测时间速度曲线，计算整体累积爬升沉降观测时间速度曲率三个基本系数，并通过系数计算确定累积沉降累计观测沉降物体积数量、沉降观测时间曲线速率和计算累计累积沉降观测时间速度曲率三个基本系数，预测整个风力发电站主塔的稳定及安全运行情况。目前，风力发电站分塔基础沉降高程观测通常认为是采用闭合测和水准测量的一种方法，观测每个点在风力发电站分塔主体基础上对称方向布置的 4 个不同观测点的基础高程，通过每个点观测一个周期的基础高程高度变化量来计算每个风力发电站主塔的基础沉降倾斜量和基础沉降移动速率，并通过计算直径上 2 个不同观测点的基础沉降差，来准确计算每个基础的沉降倾斜度和变形。

2 马氏距离的风力发电塔筒在线监测

据统计，中国的风力发电储量为 32.26 亿千瓦，适合发展约 13.3 亿千瓦。风能是中国最大的新能源之一，目前中国的总发电量超过 210 千兆瓦，居世界前列。大多数风力发电厂位于内陆高山、戈壁和沿海地区等风力资源丰富的地区，但这些地区的服务条件对风力发电厂来说很困难，有时会发生重大的安全事故，如登陆艇、飞天车和火灾，从而造成塔作为风力发电机组的支撑结构，在确保机组安全可靠地运行方面发挥着关键作用。目前，并非所有管道供应商都配备了在线监测和诊断设备，有效运作主要取决于检查员的定期检查。由于制造、不合格安装、设备检查、运行检查和维修检查等诸多因素，塔故障造成了倒塔事故频发，造成了巨大的经济损失塔内有很多类型的断层，根据多年的行业经验，最常见的断层类型包括塔基础的不均匀沉降或剥离、塔体的异常弯曲和倾斜、法兰螺栓的疲劳等。该研究采用了在风塔顶部和塔基同时测量的两轴坡度检测技术。利用两组坡度数据构造迭代的马距，并以马距中心为基准，通过计算塔木马距离中心与原点之间的距离作为基准指标，对圆柱体地面沉降进行监测；计算塔顶距离中心与肯塔基州距离中心之间的距离，并将此参数用作倾斜和弯曲管的参考指示器；柱的累积影响测量是根据柱倾斜统计数据计算的，柱的健康状况是根据柱的服务年数和历史的累积影响计算的，剩余部分的使用寿命也是估计的。

3 风力发电塔筒螺栓监测前沿技术

3.1 振动- 应力复合传感技术

使用时，整个传感器安装在螺栓附近的法兰上，励磁线圈受一定频率的正弦波影响，振动梁与底座之间的传感器气体集中产生变压器磁场，下部法兰产生回转磁场和感应磁场风塔振动时，振动梁产生变形，从而改变传感器的空气间隔磁场；磁敏感元件能感觉磁场变化，转换成输出电压变化；传感器下方法兰上的应力变化时，电导率也可能稍有变化，从而引起涡流场和感应磁场的变化，磁敏感元件也能感受到这种变化，并转化为输出电压的变化。当螺栓处于运动状态时，螺栓孔周围的压力应力将显著降低，从而导致材料强度 ( 压力阻力效应 ) 增加，电导率降低。因此，本实施例中的气动圆柱法兰螺栓监控约束复合振动传感器既可以监控风力发电机的振动 ( 螺栓脱附的来源 )，也可以监控螺栓脱附的程度 ( 当螺母转动不明显时可以观察到 )，从而有助于由于振动信号是动态的，并且应力变化几乎是静态的，因此可以通过对传感器输出信号进行光谱分析来区分振动和应力。

3.2 智能螺栓

智能螺栓的紧固件主体包括变形部分和连接部分，由于变形部分连接到测量单元，因此安装紧固件时，连接部分会使变形部分变形，从而移动测量单位以生成位移量。一种智能紧固件的监控系统也是如此。本发明的智能螺栓可通过测量单位测量的位移量得到变形部分的形状变量，因此预热力可以手动计算，也可以通过预定公式计算，与预应力指示螺栓相比具有精度高、结果数字化的优点。

4 各荷载作用效应方向与地基土最大竖向沉降量对应关系

仿真结果表明，在极限荷载情况下，当荷载作用方向接近 270( 即边界线垂直线的方向 ) 时，地基地面部分的最大垂直沉降量为 44.46mm ，地基土地基的最大沉降方向为 261 至 269，基地的最大沉降方向为其他荷载作用方向，主要为 261 至 269，但荷载作用方向 180 至 315 除外。因此，延伸地基的最大沉降方向不是基础模型中土层厚度最大的方向，而是接近岩石的垂直分界线，水平荷载方向和水平力矩作用方向的变化对地基土的最大沉降方向的影响小于对沉降方向的影响可以清楚地看到，在埋地岩石组合基础上存在差异沉降，地基部分沉降曲线接近直线，基岩质量部分沉降几乎为零，沉降率可视为等于边坡坡度值所以可以得到正常荷载作用下地基沉降( 倾斜变形) 的坡度为0.0044。

5 沉降观测的数据处理及精度分析

风力发电站主塔各点沉降平差观测检验项目，在每期各点沉降平差观测项目结束后，根据测量误差计算理论及测量统计数据检验方法原理对当期获取的沉降观测误差数据及时分析进行沉降平差差值计算和错误处理，并及时计算各点的平均沉降移动量、累积后的沉降移动量、沉降移动速率和对于风力发电站主塔内部基础结构倾斜的测量。观测基点平差数据的计算基点工作平差曲线数据计算基点方法主要是以每个工作基点或者风力发电机系统在风力塔的一个基点工作平差曲线计算基点 ( 即一个风力涡轮发电机在塔一个工作曲线基础上附近或者风力电机输电输送线路在塔一个工作曲线基础上的一个基点工作平差曲线计算基准点 ) 为观测平差数据起算点，采用清华三维工作曲线基点平差数据计算系统软件对该系统可以进行严密精确计算基点平差。

结束语

针对全年往返同时两站沉降进行的平均沉降量和水准测量两种计算方法，其中对沉降水准观测站的测量工作精度较高，观测站的持续时间也相对较少，提高了沉降水准测量观测站的测量工作精度和沉降水准观测测量工作效率。同时，本文的观测分析方法也广泛应用于其他类似工程项目的水体沉降测量观测中，对其他类似工程的水体沉降测量观测工作具有重要的技术指导意义。

参考文献：

[1] 胡正文 , 程冯宇 , 庞成鑫 , 桑杰 , 焦莉平 , 邵嘉 . 基于变电站沉降监测的光纤光栅传感器 [J]. 现代电子技术 ,2018,41(01) ：143-146