風力發電塔基礎沉降監測方法研究

摘 要：沉降觀測的目的是監測風力發電塔的沉降和傾斜變形，根據其變形量及變形速率來監測風力發電塔的施工安全和運營穩定。常規的沉降觀測方法是采用閉合水準測量的方法，但這種方法影響其觀測速度和精度，為此本文提出了往返同時觀測的方法，對提高觀測速度和精度具有重要的指導意義。

關鍵詞：風力發電塔 沉降監測 傾斜變形 沉降速率

中圖分類號：P224 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）05（b）-0012-02

神華國華瑞豐風力發電場，每一個項目安裝33臺2000KW等級的REPOWER MM8型風力發電機組，每臺機組由三部分組成，基礎部分有32根抗浮管樁組成，其上設一直徑17m的圓臺型承臺，承臺的最上面有一直徑為4m、高為1m的承臺基礎。基礎之上是80m高的塔筒，塔筒頂部為40m風扇和發電機組。風力發電塔施工及運營過程中，由于受到風力、海潮和自身重量的影響，風力發電塔及基礎可能會有沉浮降傾斜變形。如果沉浮過大，可能導致風力發電塔傾斜，最終導致風力發電塔破壞。因此，為確保風力發電塔的施工和運營的安全，在施工過程中和運營期間，必須對風力發電塔及其基礎進行沉降監測。

1 風力發電塔沉降監測的方法

隨著風力發電塔施工進展，荷載不斷增加，風力發電塔及其基礎不斷下沉，風力發電塔施工完成后，在風荷載的作用下，隨著時間的增長，風力發電塔的沉降（或上浮）和傾斜也在不斷變化，通過觀測其沉降量，來監測風力發電塔的沉浮情況，及時調整施工進度，必要時采取措施，確保風力發電塔的穩定和安全。同時，根據沉降量及觀測時間的關系曲線，計算風力發電塔基礎的沉降速率；由沉降曲線，計算沉降曲率系數；并通過累積沉降量、沉降速率和沉降曲率系數，預測風力發電塔的穩定及安全情況。

目前，風力發電塔沉降觀測通常是閉合水準測量的方法，觀測每個風力發電塔基礎上對稱布置的4個觀測點的高程；通過每觀測周期的高程變化計算風力發電塔的沉降量和沉降速率；并通過直徑上2個觀測點的沉降差，來計算基礎的傾斜變形；根據沉降量及觀測時間的關系曲線，計算沉降曲率系數。并通過累積沉降量、沉降速率和沉降曲率系數，預測風力發電塔的穩定及安全情況。沉降觀測點的布置如圖1所示： 圖1 沉降觀測點布置圖

風力發電塔沉降觀測通常是采用二等閉合水準測量的方法，即國有二等水準測量觀測方法，國家二等水準測量的主要技術要求如表1所示。

二等水準測量的觀測程序為：后前前后或后后前前的觀測順序。由于臨時水準點與風力發電塔上的四個沉降觀測點相距較近，如果按照閉合水準測量的方法對四個沉降點進行觀測，最少需要觀測5個測站，其中至少有2個測站是位于相同的觀測點上，這樣的觀測程序必然導致在相同的位置重復設置測站，增加了測站數和同一個觀測點上立水準尺的次數。從而降低的閉合水準測量的觀測數度，并增加了沉降觀測的時間。為此，本文提出了往返同時觀測的水準測量的方法。

2 往返同時觀測法

往返同時觀測的水準測量法。是采用了后后前前的觀測程序，由于電子水準儀只讀取中線讀數和視距，所以不存在讀取紅黑面讀數的問題，只是在一個水準尺上讀取2次讀數，取其平均值即可，所以均為后后前前的觀測程序。往返同時觀測的沉降觀測方法，就是在電子水準儀后視工作基點時，首先讀取兩組數據為水準點上的后視讀數，記錄完數據后，接著再讀取兩組數據做為最后返測時的前視讀數。觀測順序如圖2所示。

如圖2所示，在第1站，首先讀取臨時水準點（ZH102）上的后視讀數，然后緊接著讀取本站的前視讀數，轉動儀器讀取點2（或TP1）上的前視讀書數，再讀取點4（或TP2）上的后視讀數。此時，點1作為中間點，讀取間視即可。然后搬儀器至第2站，點2做為轉點（TP1），點2上的讀數為后視讀數，4點也做為轉點（TP2），點4上的讀數為前視讀數，點3做為中間點，讀取間視即可。因此，在一個風力發電塔上，只要安置兩次儀器即可將4個沉降點全部觀測完成。如果點2和點4不能同時看到，可以將點2和點1做為轉點（或點1和點4），這樣最多三站即可完成一個風力發電塔的沉降觀測。

往返同時觀測法，即加快了一個塔的沉降觀測速度，節約觀測時間。同時，由于減少安置儀器的次數，減少了沉降觀測的測量誤差，提高了沉降觀測的精度。從觀測數據及觀測成果來看，其觀測精度高于多測站的閉合水準測量，當然此方法的理論根據是以閉合水準測量為基礎，沉降觀測的技術標準及技術要求均滿足《建筑變形測量規范》（JGJ 8—2007）之標準。

3 沉降觀測的數據處理及精度分析

國華瑞豐風力發電塔沉降觀測項目，在每期沉降觀測結束后，根據測量誤差理論及統計檢驗原理對獲取的觀測數據及時進行平差計算和處理，并計算各點的沉降量、累積沉降量、沉降速率和風力發電塔基礎傾斜量。

觀測數據的平差計算是以每個風力發電塔的工作基點（風力發電塔基礎附近輸電線塔基礎上的工作基準點）為起算點，采用清華三維平差軟件進行嚴密平差。平差前對觀測數據進行了嚴格的篩選，剔除了含有粗差的觀測數據。例如，4個沉降觀測點中，3個點的沉降量均較小，僅一個沉降量很大，這可能是由于此點破壞或人為碰撞而產生數據突變，對這樣的數據要剔除，然后進行平差計算，從而達到高精度的觀測成果。

觀測數據經過處理后，將原始觀測數據進行簡易平差計算。求得每期各沉降觀測點的高程、本期沉降量（高程差）、累積沉降量和沉降速率。同時，根據對徑方向上的兩個沉降點的沉降量之差，來計算風力發電塔基礎的傾斜量。數學模型如下：

4 結語

往返同時觀測法的觀測精度均達到國家二等水準測量的各項技術指標要求，沉降觀測程序及觀測技術要求符合《建筑變形測量規范》和《國家一、二等水準測量規范》的技術。同時，也滿足現行國家和行業標準及國華瑞豐風力發電塔基礎沉降監測技術要求。從監測數據上看，沉降觀測的最大閉合差為±0.1mm，最小閉合差為0.00mm，由于觀測站僅兩站，大部分閉合差為±0.05 mm左右，由此可見往返同時進行的水準測量方法，其觀測精度較高，觀測時間也較少，提高了觀測精度和觀測效率。同時，本觀測方法也可用于其它類似項目的沉降觀測中，對其它工程的沉降觀測具有重要的指導意義。

參考文獻

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