海上鋼管樁運營期分布式光纖自動化監測系統研究

孟志浩，亓 樂，賈立翔，劉鵬飛

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013；2.蘇州南智傳感科技有限公司，江蘇 蘇州 215123）

近年來，隨著海上風機數量的不斷增加，超大直徑鋼管樁基礎應用日益廣泛，海上風電工程中的鋼管樁直徑通常為4～8 m[1]，甚至已達9 m。海上鋼管樁基礎在其正常工作的年限中，主要承受來自強風荷載、波浪沖擊等水平荷載的長期周期性循環作用，其循環次數達到108次[2]。因此，研究海上鋼管樁基礎運營期的受力及變形，尤其是水平荷載下的變形狀態，就顯得尤為重要。

現階段，對于水平荷載作用下的鋼管樁基礎工作形態的研究，主要通過模型試驗與數值模擬方法。劉冰雪[3]對海上風機樁基礎的水平承載力特性進行了分析，探討了樁徑、樁周土模量及樁端土模量對單樁承載力的影響。尤漢強等[4]深入分析了風機單樁基礎土抗力及樁土脫開效應對樁土相互作用的影響；PENG J等[5]通過離心機試驗，分析了在1 g條件下，樁徑、荷載大小、循環次數和砂土密實度對模型樁側向位移發展的影響。PAN D等[6]進行了風電鋼管樁基礎的現場試驗，并將數值模擬結果與實測數據進行了對比分析。SRENSEN P H等[7]對砂土中受水平荷載的大直徑鋼管樁進行了室內試驗及數值模擬，基于室內小直徑試驗確定的參數，對直徑為3～7 m的鋼管樁進行了數值模擬。綜上所述，通過模型試驗與數值模擬的方式，可對大直徑鋼管樁的受力特性、樁土作用等進行分析，但是模型試驗較難營造實際地層、風浪環境，也很難模擬成千上萬次的水平循環荷載。

近年來，分布式光纖傳感技術在樁基、隧道、基坑等基礎工程中的應用越來越廣泛。葉仲韜等[8]將分布式光纖應用于風力電機樁基承載能力測試中，獲得了沿樁長方向連續的荷載應力分布曲線；石振明等[9]根據BOTDRBOTDR（Brillouin Optical Timedomain Reflectometer）和FBGFBG（Fiber Bragg Grating）技術測試出樁身軸向應變及樁周應力的分布規律；劉釗等[10]基于布里淵散射光頻域分析的分布式光纖感測技術，通過靜載測試，實現了大直徑風電鋼管樁的側摩阻力分布監測。針對海上鋼管樁，雖有較多應用，但都局限于靜載過程檢測，尚未有運營期監測應用。本文圍繞實現海上風電鋼管樁的運營期在線監測，開發了一套基于密集分布式的監測系統，并在實際工程中進行了應用探索。

1 自動化監測系統

1.1 技術類型

目前，海上鋼管樁應用的主要光纖技術主要為三類：一是基于布里淵的分布式光纖感測技術，二是基于波分復用的光纖光柵感測技術，三是基于弱光柵的密集分布式技術。其中，分布式技術單次采集時間通常為5～10 min，無法滿足鋼管樁基礎在風浪環境下的實時監測，光纖光柵仍屬于點式監測的范疇。密集分布式技術結合了分布式及光纖光柵的優勢，能夠實現高精度分布式實時監測，且成本適中，各類技術對比見表1。因此，本文所述系統為基于密集分布式技術開發。

表1 光纖技術對比表

密集分布式技術與常規光纖光柵技術的測量原理一致，都是利用光纖材料的光敏性，在纖芯內形成空間相位光柵，從而改變和控制光在其中的傳播行為。當寬帶光進入光纖后，滿足特定條件波長的入射光在光柵處被耦合反射，其余波長的光會全部通過而不受影響，反射光譜在FBG中心波長λB處出現峰值，如圖1所示。

圖1 技術原理圖

FBG反射特定波長的光，該波長滿足以下條件。

式中，λB為反射光的中心波長；neff為纖芯的有效折射率；Λ為光纖光柵折射率調制的空間周期。

外界應力和溫度變化會引起折射率和柵距的變化，導致FBG波長λB的移位，滿足線性關系式（2）。

式中，△λ為FBG波長變化量；ε為光纖軸向應變；△T為溫度變化；Pe為光纖光彈系數；α為光纖熱膨脹系數；ζ為光纖熱光系數。

兩者的主要區別在于，常規光纖光柵采用的波分復用技術，即通過波長的差異區分點位，解調設備帶寬通常為40 nm，因此單通道可負載的光柵測點有限；密集分布式技術采用時分復用技術，即通過光信號依次經過光柵的時間區分不同點位，該方式可采用相同波長的光柵，單通道可負載上千個測點，真正實現準分布式測量。密集分布式光纖感測技術在海上風電鋼管樁監測應用中的優勢主要體現在以下幾方面：①分布式監測，實現鋼管樁全長度覆蓋監測；②長期性監測，光纖本質為二氧化硅，光纜采用高密度聚乙烯、碳纖維等材料封裝，無彈簧、梁等器件，實現建設、運營長期監測；③自動化監測，密集分布式設備成本大大降低，使項目自動化監測成為可能；④集成化監測，采用光纜連續布設，施工便捷，避免太多線纜，集成度高。

1.2 系統構架

海上鋼管樁自動化監測系統主要包括感知層、采集層、傳輸層及展示層，如圖2所示，感知層為密集分布式傳感光纜，感知應變及溫度信息；采集層為光纖解調儀，獲取傳感光纜監測數據；傳輸層表現為光纖解調儀對外傳輸數據的方式，可分為有線及無線傳輸；展示層為數據展示及預警系統，是最終監測結果的呈現。在鋼管樁安裝傳感光纜后，光纖解調儀獲取數據，并通過4G無線網絡將數據輸出到云服務器，云服務器將數據進行分析處理后下發到后端監測平臺，從而組成一套穩定、快捷的樁基自動化在線監測系統，其自動化主要體現為以下幾方面。

圖2 自動化監測系統架構

（1）數據采集自動化。傳感光纜感知變化信息，光纖解調儀自動獲取原始數據。

（2）數據分析自動化。系統內嵌分布式數據的分析算法，可實現原始數據的自動化處理，獲得具體監測物理量。

（3）成果展現自動化。應變分布、軸力分布等監測成果配置好后，自動化呈現。

（4）預警信息自動化。可設置多級預警機制，根據事先設定的預警值進行報警，可實現平臺、短信、現場聲光報警器等方式。

1.3 傳感光纜

系統選用傳感光纜為密集分布式碳纖維復合光纜，其基本結構為：在同一光纖上，每隔1 m刻寫一個測點，刻好后將纖芯過塑形成緊包護套光纜，將光纜植入碳纖維布中，形成碳纖維復合基光纜。該光纜特點如下。

（1）具有一定的寬度，可以獲得更多的接觸面積以提升耦合性及變形傳遞性。

（2）重量輕，質軟，增加布設簡便性且不易脫落，使傳感器工作更可靠。

（3）傳感光纖上下面都有高強度的工程織布保護，提高傳感光纖應用時的成活率。

（4）彈性模量與鋼結構相近，容易與鋼結構協調變形。

選取一段植入碳纖維前的緊包護套光纜進行標定測試：光纜（長度2.44 m）兩端固定，按照2.44 mm（1 000με）梯度逐級拉伸，采集每一級的波長量，如圖3所示；作應變—波長曲線，得到光纜的應變系數為0.833με/pm，線性擬合度高于0.999 9，結果如圖4所示。

圖3 光纜測試裝置

圖4 光纜測試結果

1.4 解調設備

系統選用解調設備為密集分布式光纖解調儀，該設備可實現數據無線傳輸，解調速度快（1 Hz），實時性高，可同時采集上千個測點，系統集成度高（16通道），其解調原理如圖5所示。可調諧激光器掃描輸出不同波長的連續光，經過脈沖調制和放大的脈沖光進入刻有全同弱光纖光柵陣列的光纖中。脈沖光在各光柵點會產生反射，中心波長發生改變，實現對各物理量的感知，通過測量脈沖光從起點發出到各柵點反射光返回的時間，即可得到各柵點的位置。光路中環形器的作用是利用其單向光傳輸的原理，將發射光與反射光分離。光電轉換模塊將光路反射回來的光信號轉換為電壓信號，并傳送給采集模塊，數據采集模塊進行高速采集，得到的數字信號同步傳輸給工控板進行分析處理。

圖5 解調設備原理圖

將該設備置于高低溫試驗箱內，進行變溫環境下的穩定性測試：所有標準檢測光柵放置在恒溫水浴槽中，恒溫水浴槽設定溫度定值（20℃），穩定1 h。高低溫試驗箱溫度設置遵循：室溫—低溫—室溫—高溫—室溫，為一個溫度試驗循環原則，具體溫度見表2，測試裝置見圖6。

圖6 設備測試裝置

表2 溫度變化值

測試結果如圖7所示，在-5～45℃溫度環境下，密集分布式解調設備波長重復性在±3 pm（±2.4με）以內。

圖7 測試結果

1.5 軟件系統

鋼管樁光纖自動化監測軟件系統，如圖8所示，是基于云計算、物聯網、地理信息技術、大數據等技術和巖土工程相關理論開發的，進行信息集中展示與管理的平臺。系統具備安全監測、GIS系統展示、人工巡檢錄入、項目與設備管理、信息匯總、結果預警、數據分析、云數據庫存儲、歷史查詢、數據API接口服務、用戶管理、日志管理、多層級管理服務等功能，主要描述如下。

（1）監測首頁為基于GIS地圖的項目信息總覽，如圖8（a）所示，圖中展示圓點表示所在位置，圓點顏色表示項目報警狀態（紅色、橙色、黃色、綠色分別表示一級報警、二級報警、三級報警和無報警）。

圖8 軟件系統界面

（2）平臺可對各個樁基項目進行分開配置和統一管理，編輯樁基實施的監測內容類型、監測設備類型、相關算法、樁基位置等。

（3）實時數據展示應變、軸力、撓度等監測內容的監測結果值，分為時間域數據和空間域數據，如圖8（b）；對于歷史數據，可根據測點名稱、時間區間、時間間隔等不同篩選條件要求，查詢并導出對應監測結果。

2 工程應用

2.1 工程概況

山東半島南3號海上風電項目場址離岸距離36～40 km，水深28～33 m，規劃占海面積約80 km2，風電場一期裝機規模300 MW，擬安裝58臺風電機組，場區內配套建設一座220 kV海上升壓站。本工程風電場位置如圖9所示。

圖9 工程地點

結合半島南3號海上風電場項目，對重點監測機位的A14、A41、A45三臺風機在樁廠提前布設光纜，待沉樁完成后進行相關線路集成，并接入風機環網傳輸至升壓站后接入設備進行監測，監測數據通過海纜傳輸至半島南3號陸上集控中心服務器，實現海上風電樁基礎的監測設備遠程控制和風電樁基礎變形實時自動化監測。

2.2 傳感光纜布設

傳感光纜在樁廠內布設完成，具體工藝如下。

（1）打磨除塵：沿樁身對稱面打磨，去除鐵銹，焊縫位置磨平。

（2）底膠涂覆：在傳感光纜布設路徑上涂刷一層底膠粘結劑，以提高光纜粘合度，如圖10（a）所示。

（3）光纜布設：在底膠區域平直布設傳感光纜，避免光纜彎曲；布設完成后，在傳感光纜上部再刷一層面膠粘結劑，使光纜與樁身充分貼合，如圖10（b）所示。

（4）表層防護：待面膠粘結劑固化強度達到50%以上后，在其表面粘貼一層防火材料，如鋁箔紙、石棉材料等，防止后期焊渣灼損。

（5）焊接保護：在樁最底部焊接一段槽鋼對傳感光纜進行保護，槽鋼長度5 m，底部需斜口密封，并加肋板進行加強保護，如圖10（c）所示。

圖10 安裝工藝

（6）引線保護：在樁頂部分，傳感光纜接入引線，穿鋼絲軟管進行保護，所有引線通過內平臺環板圓孔時采用定制配件進行固定保護。

2.3 系統集成調試

對重點監測機位的A14、A41、A45三臺風機單樁線路進行了線路集成。在內平臺上方將傳感光纜集成至主光纜，并接入風機環網預留接口，通過風機環網傳輸至升壓站后接入監測設備，如圖11（a）所示。監測設備安裝在升壓站監測機柜中，并用光纖跳線將升壓站接口與設備連接。在陸上集控中心安裝設備解調控制軟件和監測軟件，實現對升壓站設備的遠程調試和實時在線監測，如圖11（b）所示。

圖11 集成與調試

2.4 結果與分析

目前，本項目剛完成大直徑鋼管樁的安裝，選擇A45單樁基礎監測數據進行分析，基本參數如圖12所示。

圖12 樁基參數

2.4.1 樁身應變分布

選取2022年1月25日16∶00至1月26日5∶00測試數據，以1月25日16∶00測試值為初值，形成樁身對稱兩側傳感光纜的應變分布曲線，如圖13所示。由圖可知，海平面、泥水界面清晰，在水平荷載作用下，一側呈現拉應變，一側呈現壓應變，且應變量值基本相等。海水中，樁身應變受變徑影響稍有差異，基本呈平穩分布；入泥后，應變值隨深度逐步減小，水平荷載作用尚未影響到樁底。樁身應變最大約為100με，而鋼結構屈服應變通常大于1 500με，因此，從應變角度分析，該鋼管樁基礎處于安全范圍內。

圖13 樁身應變分布

2.4.2 軸向應變分布

埋置于土體中的樁基，在豎向荷載作用下傳遞規律為：樁身的上部首先受到壓縮而發生相對于土的向下位移，于是樁側摩阻力和樁端阻力逐漸被調動起來。荷載沿樁身向下傳遞的過程就是不斷克服側摩阻力并通過它向土中擴散的過程，因而樁身軸力（軸向應變）沿著深度而逐漸減小。

設ε1（z）和ε2（z）分別為測試得到的樁體在深度z處的沿水平荷載方向上對稱部位的應變測試值，樁身一側受拉一側受壓。則軸向應變εa（z）和彎曲應變εm（z）值如下[11]。

根據式（3），得到鋼管樁軸向應變分布，如圖14所示。由圖可知，樁身豎向應變在±5με范圍內波動，-56 m以下波動范圍降低至±2με，而數據分析時間段內，上部結構無變化，結合上述豎向荷載傳遞規律，可以認為該管樁沒有豎向附加荷載影響，監測數據所呈現出的應變波動，分析是由于樁體自身擺動引起，影響深度約為樁頭往下56 m。

圖14 樁身軸向應變分布

2.4.3 水平應力及變形

水平承載樁的工作性狀是樁—土相互作用的問題，樁受水平荷載作用下發生彎曲，從而在樁身產生水平位移和彎曲應力。對于相對剛度較低的柔性長樁來說，當樁的入土深度超過一定數值時，樁身的下段可視為嵌固于土中而不能轉動。在水平荷載作用下樁身將發生撓曲變形，其值由樁身截面抗拒和土抗力來承擔，當變形增大到樁的水平極限荷載或樁周土失去穩定時，樁—土體系便趨于破壞。

超長鋼管樁為柔性長樁，在水平荷載作用下，樁端變形很小，因此，假設樁端不發生位移，并對撓度進行積分，則得到撓度的積分通解方程，如式（5）所示[12]。

式中，H為樁的埋深；y（z）為位置z處對稱布設光纜間距；C、D為積分常數，這些積分常數可以通過位移邊界條件和變形連續條件來確定。

根據式（4）和式（5），可得到樁身的彎曲應變及撓度分布，如圖15所示，其中由于該樁為變直徑樁，保守取最小直徑6 000 mm代入計算。由圖15可知，入泥后，鋼管樁彎曲應變逐步降低，樁底至-56 m標高位置樁身水平位移小于0.5 mm，基本沒有變形，即在既有水平荷載作用下，樁身入泥26 m左右被完全約束，該結果與豎向應變分布規律一致。

圖15 彎曲應變及水平位移分布

在多數情況下，鋼管樁失穩（樁—土體系破壞）前勢必將影響上部風機的運轉，因此，對于風電鋼管樁的安全評價應以不影響風機運轉為原則。當樁身轉角超過0.5°，可能就會造成風力發電機無法正常運作[13]，按照變形段50 m長度計算，最大水平位移為435 mm。本項目測試鋼管樁最大水平位移46 mm，遠小于最大位移量。圖16為最大水平位移時程曲線及當地潮位時間曲線，可知測試時間段內，最大位移發生在25號23點，為當日潮位的最低點，鋼管樁水平位移與潮位基本呈負相關，由于水平位移是基于彎曲應變計算得到，即對稱兩側應變差值的平均值，認為樁身對稱兩側溫度一致，通過做差可排除溫度的影響。因此，推測該現象是由于水位降低，管樁出露部分增加，受外部風荷載影響增加，查閱對應時間的風力數據，如圖17所示，風速與鋼管樁最大水平位移呈正相關，可知測試時間段內，鋼管樁的變形趨勢主要是由風速變化引起。

圖16 潮位及水平位移時程曲線

圖17 風速時程曲線

2.4.4 樁身擺動狀態

為獲取鋼管樁在風、浪荷載下的擺動狀態，對5 min內密集采集的數據進行分析，圖18為不同深度處樁身彎曲應變的時程曲線。可知，泥水面以上（-15.4 m）位置擺動產生的應變量為-3.8～0.9με，泥水面以下2 m（-33.4 m）應變變化量為-1.2～2.5με，泥水面以下11 m（-42.4 m）為-3.0～0.5με，基本呈逐步減小的趨勢，但差別不大；至-56.4 m位置，樁身應變在±0.5με以內，樁身基本不受外部荷載的作用，處于穩定狀態。測試時間段內，包含了兩個相對完整的擺動周期，時間分別為2 min 16 s及1 min 16 s，擺動周期的差異推測與風浪相關。

圖18 樁身應變時程曲線

3 結 論

本文介紹了一套基于密集分布式光纖的自動化監測系統，能夠實現海上鋼管樁基礎的分布式、自動化監測，并將該系統應用于實際工程項目中，獲得了運營鋼管樁的樁身應變、豎向應力、水平應力及撓度分布式規律，根據應變極限值及偏轉角度值對樁基狀態進行評價，認為該樁基屬于安全范圍內，并對鋼管樁的擺動狀態進行了簡要分析。

相較于前人將分布式光纖技術應用于靜載、沉樁監測應用，本文更進一步克服了傳感光纜布設、系統集成的困難，真正實現了運營期鋼管樁內力及變形的自動化監測。目前，本文只對管樁一天內受風浪影響程度進行了分析，所述系統將持續進行監測，獲取風電建設期、長期運營條件下的鋼管樁受力狀態，并對系統的長期穩定性進行進一步的驗證。