山地風(fēng)電場塔筒傾斜監(jiān)測綜述

張有興，楊大凡，鄒挺

（中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650033）

1 工程概況及研究背景

將軍山風(fēng)電場位于云南省境內(nèi)，風(fēng)場海拔在2350～2750m，共安裝44 臺(tái)單機(jī)容量為2.0MW 的風(fēng)電機(jī)組，裝機(jī)規(guī)模為88MW。風(fēng)電場于2014 年12 月31 日獲得了云南省發(fā)改委核準(zhǔn)。2015 年4 月開工籌建，于2016 年9 月8 日首批機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，于2017 年2 月10 日所有44 臺(tái)機(jī)組全部并網(wǎng)發(fā)電。電場裝機(jī)容量為88MW，年平均上網(wǎng)電量21655 萬kW·h，年等效滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)為2549h，靜態(tài)總投資為76369.28 萬元。項(xiàng)目由44 臺(tái)2000kW 風(fēng)機(jī)、44 臺(tái)箱式變壓器、新建一座110kV 升壓站、35kV 集電線路、進(jìn)場及場內(nèi)道路組成風(fēng)能作為我國能源結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，在能源結(jié)構(gòu)中的比重越來越大，也是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和宏偉目標(biāo)的重要能源支柱，風(fēng)電場能否安全運(yùn)行就顯得尤為重要。在風(fēng)電場數(shù)量龐大的各類設(shè)備中，風(fēng)機(jī)塔筒的安全尤為重要。風(fēng)機(jī)塔筒最大的危險(xiǎn)就是傾斜甚至倒塌，為了避免倒塌事故出現(xiàn)，必須對(duì)塔筒進(jìn)行傾斜監(jiān)測，第一時(shí)間了解風(fēng)機(jī)塔筒安全狀況，及時(shí)預(yù)警，及時(shí)排除病害。風(fēng)機(jī)塔筒傾斜監(jiān)測目前國內(nèi)使用的主要方法有精密水準(zhǔn)測量法、靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化測量法、全站儀配反射片或免棱鏡測量法等，此處主要介紹最常規(guī)、最可靠、最容易實(shí)施的精密水準(zhǔn)測量法。

2 方法介紹

風(fēng)機(jī)塔筒與混凝土基礎(chǔ)通過高強(qiáng)度螺栓緊密相連為一個(gè)整體，新建的風(fēng)電場塔筒最容易發(fā)生傾斜的情況是基礎(chǔ)不均勻沉降傾斜導(dǎo)致塔筒傾斜，運(yùn)行時(shí)間較長的塔筒不排除塔筒自身其他缺陷導(dǎo)致的傾斜，但是新建風(fēng)電場中非常少見，此處介紹暫不考慮此種情況，因?yàn)樗沧陨砣毕荩ê附尤毕?、厚度不足、防腐缺陷、安裝缺陷等），可以在施工期通過其他技術(shù)檢測手段和管理手段給予避免和消除。通過在塔筒混凝土基礎(chǔ)邊緣埋設(shè)精密水準(zhǔn)觀測點(diǎn)，周期觀測水準(zhǔn)點(diǎn)沉降高差，基于建筑物沉降觀測結(jié)果作適當(dāng)計(jì)算即可獲取建筑物傾斜值，已知建筑物基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上相鄰的兩點(diǎn)A、B（距離b 可量測），通過水準(zhǔn)測量得到點(diǎn)A、V 的沉降值ΔSA、ΔSB后，進(jìn)行建筑物傾斜計(jì)算，如圖1 所示。

圖1 建(構(gòu))筑物傾斜計(jì)算示意圖

θ角即為所求建筑物產(chǎn)生的傾斜角。塔筒高度已知，傾斜角度已知，就可以根據(jù)實(shí)際需要計(jì)算出各個(gè)高度的傾斜位移值，進(jìn)而判斷風(fēng)機(jī)塔筒的運(yùn)行安全狀況。

3 點(diǎn)位布置與埋設(shè)

該山地風(fēng)電場絕大部分為巖石地貌，植被稀疏，基礎(chǔ)穩(wěn)定，非常有利于選埋通視良好且穩(wěn)定可靠的水準(zhǔn)基點(diǎn)基巖標(biāo)。為了便于實(shí)施，節(jié)約成本，保證達(dá)到預(yù)期監(jiān)測效果的前提下，沉降觀測采用獨(dú)立假設(shè)高程系觀測相對(duì)高程變化的方案，每臺(tái)風(fēng)機(jī)周圍布置2 個(gè)水準(zhǔn)工作基點(diǎn)，相互之間進(jìn)行校核，確保工作基點(diǎn)的可靠性。水準(zhǔn)工作基點(diǎn)選埋在變形影響范圍以外且穩(wěn)定、易于長期保存的地方。水準(zhǔn)工作基點(diǎn)間距離一般為30 ～40m，根據(jù)各風(fēng)機(jī)塔筒基礎(chǔ)周邊實(shí)際情況酌情選擇、調(diào)整間距，工作基點(diǎn)盡量布置在穩(wěn)定基巖上，采用混凝土標(biāo)石；在風(fēng)機(jī)周圍沒有基巖出露時(shí)，采用挖坑澆筑基巖標(biāo)。每臺(tái)風(fēng)機(jī)塔筒混凝土基礎(chǔ)邊緣布置4 個(gè)水準(zhǔn)觀測點(diǎn)，觀測點(diǎn)編號(hào)定義為：風(fēng)機(jī)編號(hào)-B1、B2、B3、B4，測點(diǎn)布置于風(fēng)機(jī)基座混凝土邊緣10cm 處。

4 觀測

4.1 觀測儀器

采用Leica（徠卡）DNA03 電子水準(zhǔn)儀配銦鋼條碼尺進(jìn)行測量，該儀器具有自動(dòng)識(shí)別和照準(zhǔn)目標(biāo)、自動(dòng)觀測記錄、自動(dòng)檢測各項(xiàng)限差等功能，每千米高差測量偶然中誤差≤±0.3mm。DNA03 技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 DNA03 技術(shù)參數(shù)

4.2 觀測精度

觀測過程中執(zhí)行《建筑變形測量規(guī)范》JGJ8-2016和《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》（GB/T16818）中的相關(guān)規(guī)定，建筑變形測量中二等測量的適用范圍“地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為甲、乙級(jí)的建筑物的變形測量；重要場地的邊坡監(jiān)測；重要的基坑監(jiān)測”，本項(xiàng)目沉降監(jiān)測的等級(jí)定為二等。水準(zhǔn)觀測的視線長度、前后視距差和視線高度應(yīng)符合表2、表3 的規(guī)定。

表2 水準(zhǔn)觀測的技術(shù)指標(biāo)

表3 水準(zhǔn)觀測的限差(mm)

4.3 觀測方法

觀測采用DAN03 精密電子水準(zhǔn)儀內(nèi)置的線路水準(zhǔn)觀測程序進(jìn)行觀測，觀測時(shí)嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)置限差，單站前后視距差≤1m，累計(jì)視距差≤3m，尺端最大最小讀數(shù)≥0.55m。線路水準(zhǔn)測量偶數(shù)站上點(diǎn)，觀測采用：后→前→前→后、前→后→后→前的觀測順序進(jìn)行。最大限度消除i 角誤差。按規(guī)范要求，每天出工前在內(nèi)置程序控制下檢定i 角，對(duì)儀器和標(biāo)尺外觀、水準(zhǔn)氣泡等進(jìn)行檢查，無任何問題才進(jìn)行本天的外業(yè)觀測作業(yè)。水準(zhǔn)儀及條碼銦鋼尺經(jīng)有關(guān)檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)檢定，并在有效期內(nèi)。觀測時(shí)遵循以下技術(shù)要求：

（1）參照《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》的劃分標(biāo)準(zhǔn)，垂直位移監(jiān)測網(wǎng)等級(jí)為一等，每公里水準(zhǔn)測量的偶然中誤差為±0.45mm/km，每公里水準(zhǔn)測量的全中誤差為±1.0mm/km。（2）觀測前提前晾置儀器，使儀器與外界溫度一致。（3）水準(zhǔn)測量選擇有利的觀測天氣和觀測時(shí)機(jī)，觀測在標(biāo)尺呈像清晰而穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行，過橋時(shí)停止一切交通活動(dòng)，工作人員做到輕步慢進(jìn)。不得在日出后或日落前約半小時(shí)、太陽中天前后、風(fēng)力大于四級(jí)、氣溫突變時(shí)以及標(biāo)尺分劃線的成像跳動(dòng)而難以照準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行觀測，陰天可全天觀測。（4）每測段的往測和返測的測站數(shù)為偶數(shù)。（5）工作間歇點(diǎn)選擇穩(wěn)定可靠、不易破壞、便于放置尺子的固定點(diǎn)，上間歇點(diǎn)時(shí)，測站數(shù)為偶數(shù)。（6）往測時(shí)，奇數(shù)站按后—前—前—后順序操作，偶數(shù)站按前—后—后—前順序操作。（7）返測時(shí)，互換前、后水準(zhǔn)標(biāo)尺。操作程序與往測相反。

5 成果計(jì)算分析

高程系統(tǒng)：獨(dú)立高程系。將軍山風(fēng)電場監(jiān)測項(xiàng)目每臺(tái)風(fēng)機(jī)均假定1 號(hào)水準(zhǔn)基點(diǎn)（例如，1-A1）的高程，該點(diǎn)高程為相應(yīng)風(fēng)機(jī)近似埋設(shè)高程，建立一個(gè)獨(dú)立高程系，以水準(zhǔn)閉合環(huán)的方式觀測。相距風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)的一個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)為1 號(hào)水準(zhǔn)基點(diǎn)，現(xiàn)場觀測墩有標(biāo)示。水準(zhǔn)測量結(jié)束后，對(duì)外業(yè)觀測記錄進(jìn)行嚴(yán)格檢查，并進(jìn)行外業(yè)觀測數(shù)據(jù)檢驗(yàn)。檢查合格后的觀測數(shù)據(jù)通過通用測量平差軟件進(jìn)行精密平差計(jì)算后得到精確高程值，進(jìn)而得到精確沉降差，利用沉降差計(jì)算塔筒傾斜值。經(jīng)過平差后的觀測精度為：單位權(quán)中誤差M0=0.01mm；最弱點(diǎn)高程中誤差：0.025mm。1#、2#塔筒傾斜值換算成果表如表4。

表4 1#、2#塔筒傾斜值換算成果表

通過精密水準(zhǔn)觀測沉降差換算出的風(fēng)機(jī)塔筒傾斜角度值，能較直觀地判斷塔筒的傾斜情況，也能了解塔筒基礎(chǔ)的整體沉降情況。通過沉降和傾斜綜合判斷風(fēng)機(jī)運(yùn)行的安全性，具有很高的參考價(jià)值。從本次相鄰兩期的監(jiān)測變化量來看，44 臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)平均沉降量都在2.0mm 以內(nèi)，絕大部分小于1.0mm，分析認(rèn)為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沒有大的變形。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)最大偏差（不均勻沉降）值普遍在1.0mm 以內(nèi)，僅有21#風(fēng)機(jī)為1.25mm，換算成傾斜角僅有0°0′44.4″，其余43 臺(tái)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)傾斜角在0°0′0″～0°0′39.9″之間。從監(jiān)測數(shù)據(jù)看，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)未出現(xiàn)危及運(yùn)行安全級(jí)別的傾斜，現(xiàn)有的不均勻沉降值主要為觀測時(shí)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)引起基礎(chǔ)輕微隨機(jī)震動(dòng)引起的。

6 結(jié)語

為保障風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)營，通過測量技術(shù)手段對(duì)風(fēng)機(jī)塔筒的傾斜情況進(jìn)行監(jiān)測具有重大的意義。塔筒傾斜監(jiān)測是一個(gè)長期的持續(xù)的過程，從成本及技術(shù)門檻等多方面綜合考慮，精密水準(zhǔn)測量是相對(duì)較為經(jīng)濟(jì)和技術(shù)門檻較低且測量精度高的一種有效的方法，也是目前大部分風(fēng)電場采用的方法。該方法用到的設(shè)備都是通用設(shè)備，購買維護(hù)和檢定都有非常成熟的渠道和廣泛的具備資質(zhì)的機(jī)構(gòu)，非常便利。作業(yè)人員可以是風(fēng)電場的普通職工，經(jīng)簡單培訓(xùn)后即可實(shí)施，無須高薪配備專門的技術(shù)人員進(jìn)行，利于控制運(yùn)行成本。經(jīng)過多年的實(shí)際使用情況來看，也存在不足，首先，是無法實(shí)現(xiàn)全天候24h 實(shí)時(shí)采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，作業(yè)時(shí)對(duì)天氣環(huán)境要求較高，需要人工判讀數(shù)據(jù)后綜合分析給出結(jié)論。如果對(duì)于運(yùn)行年限較長的風(fēng)電場風(fēng)機(jī)塔筒，本身安全性能衰減較大，需要全天候監(jiān)測和預(yù)警的情況，就需要考慮使用成本相對(duì)較高的電測類自動(dòng)化監(jiān)測手段來滿足。