海上风电工程结构监测技术应用

陈 刚

(上海新地海洋工程技术有限公司，上海 200083)

陆地经济可开发的风资源越来越少，全球风电场建设已出现从陆地向近海发展的趋势，与陆地风电相比，海上风电具有风能资源的能量效益比陆地风电场高20%～40%，海上风湍流强度小，风切变小，风电场建设受噪音、景观、鸟类、电磁波等问题限制少[1]，且不占用宝贵的土地资源等优势，因此，海上风电已经成为未来风电开发的主战场。我国海上风能资源丰富，具备大规模发展海上风电的资源条件，据国家气象局风能资源详查初步成果，我国5～25m水深线以内近海区域海平面以上50m高度风电可装机容量2亿kW，可见我国在海上风电能源发展前景较为广阔。

在风电场运营阶段，如何对海上风电机组进行有效维护，特别是在恶劣天气下如何准确判断风机等海上建筑物及机电设备的运行状况，需要在风电场建设阶段设置针对桩基础及上部结构的安全监测项目，埋设合适的电测传感器，根据海上建筑物的实际运行状态进行针对性的维护，达到事半功倍的有效运维策略，因此，对海上风电工程的监测技术进行分析和研究，有利于准确了解结构运行期内部与外部的变形，进而为结构优化提供参考数据。在风电风机基础结构领域，国内外部分科研单位已有研究[2- 4]，张永利、周勇[5]等以东海大桥风电场为例，针对外部因素及基础设计对基础的影响进行了研究；曹淑刚、孙小钎[6]等以某海上风电项目为例对高桩承台基础内力进行了监测与分析。本文对某风电场的桩基基础的监测数据进行了分析，旨在为类似工程的基础结构设计优化提供参考依据。

1 工程监测的必要性

海上风电工程结构承受强风、大浪、海流、浮冰等复杂的海洋环境荷载及海上盐雾、潮寒、台风等恶劣天气影响，且风、浪荷载具有交变性和随机性，在这些复杂荷载联合作用下结构可能会产生整体倾覆、断裂失效、屈曲失稳、振动疲劳损伤、地基冲刷、液化和弱化等破坏或风险，严重影响和威胁海上风电工程的安全性和耐久性。

我国现阶段海上风电场运行监控和状态评价主要参考陆上风机，只进行风机的运行状态监测，仅在试验风机的基础和塔筒的少量部位进行了应力应变监测，远未实现针对海上风电场结构体系的状态监测，不能满足对海上风电场结构体系进行状态评价的要求。通过振动监测数据分析，海上风机在风、浪等海洋环境荷载以及风机运行振动作用下，会出现明显的结构振动，因此对包括结构振动、受力特性和位移变形等在内的海上风机结构体系的运行状态进行监测非常重要。

对于近海高承台桩风机运行期的安全监测国内外尚无系统的数据分析。为了监控风机运行期桩基础、基础承台的应力应变、塔筒过渡段的倾斜情况及塔筒的振动状态。通过对风机桩基础及承台的应力状态、塔筒倾斜及振动分析，可以得出施工期及运行期风机基础的受力状态及运行期风机塔筒振动情况对基础承台的影响。

2 监测项目设置

本文以多桩承台基础的风电场监测项目为例设置监测项目，其它基础型式和构筑物可参考设置监测项目。

2.1 差异沉降监测

一般布置在混凝土承台顶部，均匀布置4个监测点，其中一对监测点布置在主风向上。人工监测通常采用高精度的几何水准测量法，自动化监测通常安装静力水准仪，将传感器纳入自动化监测系统。

2.2 倾斜监测

一般布置在混凝土承台顶部、每节塔筒顶部及机舱内，监测仪器采用双向倾角仪，其中一个测试方向为顺主风向，另一个测试方向为垂直于主风向。

2.3 振动监测

一般布置在混凝土承台顶部、每节塔筒顶部及机舱内，与倾角仪配套布置，监测仪器采用二向加速度计，其中一个测试方向为顺主风向，另一个测试方向为垂直于主风向，机舱内的加速度计可考虑采用三向加速度计。

2.4 应力、应变监测

一般布置在应力计算值较大、结构复杂、薄弱和易损伤的部位，主要有桩基础、承台、过渡段及塔筒。监测仪器根据监测对象和安装位置确定，分别是钢板应变计、钢筋计、混凝土应变计等。

2.5 腐蚀监测

一般是在浪溅区、水位变动区和水下区选择具有代表性的位置，在钢结构和混凝土承台中布置相应的监测仪器。

2.6 环境量监测

主要是监测影响海上建筑物安全的外因，如风向、风速、气温、湿度、海浪波高、海浪波周期、海浪冲击力、水下地形、冰压力等，根据研究或管理的需要选择有代表性的位置布置监测点。风向、风速监测，一般是采用风速风向仪，安装部位通常在风机机舱顶部；气温及海浪等监测，一般是采用海洋水文综合观测系统。

2.7 自动化监测系统

在海上塔筒过渡段内设置自动化采集设备，在岸上集控中心内设置采集计算机，自动化采集设备与采集计算机之间利用海底光缆进行通讯。自动化采集设备，根据传感器原理与信号分类，不同类型的传感器采用不同的自动化采集设备。

各传感器根据仪器类型接入相应的自动化采集设备，采集计算机内安装采集软件，对各自动化采集设备进行控制与管理，如需对监测数据进一步整理、分析或共享，可开发监测管理软件，或将监测成果纳入到风电场SCADA系统中。

3 监测成果

笔者在几个海上风电工程安装埋设了一定数量的电测传感器，获取了风机基础及上部结构的变形、振动、倾斜成果，并对部分实测数据进行了分析研究。

3.1 差异沉降监测

观测时，以测点1为基准点，观测其他3个监测点的相对于测点1的高差，后续工况所观测高差与初始高差之差即为测点1、2、3相对测点的差异沉降。如图1所示，风机自吊装完成后，各测点的差异沉降量较小，基本在±2.0mm之内；从测值过程线上看，未发现不均匀沉降量在某一方向有持续增大的趋势。

图1 差异沉降测值过程线

3.2 风机倾斜及振动监测

通过2015年8～11月期间的倾斜度监测数据诊断风机塔筒在该月是否存在较大的倾斜变化。当日倾斜度为记录的24h平均值，当月倾斜度变化值为月末日倾斜度与月初倾斜度之差值。见表1，风机塔筒在2015年8～11月期间的永久倾斜值累计值，最大为0.055°。

为分析日常工作状态下各风机塔的振动强度，统计了2015年8～11月期间的最大加速度幅值、有效值、振动烈度、报警次数等参量情况，统计结果见表2。

此风机塔筒在2015年8～11月期间的振动比较大，如图2所示。最大振动加速度接近或超过了3.5m/s2，每月超过8°的烈度报警次数较多，8月的报警次数达到了3098次，主要因8月份台风频次高，风机塔筒振动明显。

表1 风机塔永久倾斜度统计表 单位：(°)

表2 典型风机塔振动强度特性统计表

图2 典型风机塔筒振动烈度趋势图

3.3 结构应力、应变监测

某多桩承台风机在钢管桩、钢管桩填芯混凝土、承台内钢筋及混凝土、过渡段塔筒等位置均设置了监测点，分类说明监测成果。

(1)钢管桩桩身纵向应变

顺主风向的6#及8#钢管桩上分层设置了桩身纵向应变监测点，自桩基施工初期开始，6#及8#钢管桩外壁应变测值过程线如图3所示。

受风机塔筒、机舱及叶片吊装等上部荷载作用，桩身压应变逐渐增长，至桩身位移相对周侧土体位移为零后，桩身压应变基本稳定；6#桩因施工船插腿施工桩周产生一定的负摩阻力，-15.10m高程处压应变有明显减小，后期测值相对平稳；末期两根桩桩身应变计测值过程线平缓。

图3 钢管桩外壁应变测值过程线

(2)钢管桩填芯混凝土应变

6#与8#顺主风向，2#垂直于主风向，自施工初期开始，2#、6#及8#钢管桩填芯混凝土的应变测值过程线如图4所示。

3根钢管桩的应变监测成果基本较为合理，全部表现为受压状态，末期2#桩填芯混凝土应变大部分在-100～-200με左右，6#桩填芯混凝土应变大部分在-90～-175με左右；8#桩填芯混凝土应变大部分在-120～-160με左右；各钢管桩内混凝土应变表现出测值随季节变化(气温)而变化的趋势；综合风机振动成果可以看出，填芯混凝土钢管桩具有较大的刚度，在强风荷载作用下混凝土并未表现出拉应变，说明填芯混凝土钢管桩抗拔效果较好，桩基础在风荷载作用下较为稳定。

应变计的安装条件要求较为苛刻，填芯混凝土内的应变计变形受钢管桩及钢筋笼的约束较大；另外填芯混凝土内的应变计受温度、湿度及自生体积变形等非构造荷载的影响也较大，由于无法成功安装应力计，导致非构造荷载影响产生的应变量受安装条件制约不能进行剔除。

图4 钢管桩填芯混凝土应变测值过程线

(3)承台底面混凝土应力、应变监测

受上部塔筒、风机及风叶荷载影响，承台混凝土底面钢筋应力初期表现为较小的拉应力，后随上部荷载增长而增长，过程中出现的拉应力最大值约为21.1MPa；当桩身位移基本完成后，桩顶对承台底部形成一定约束，承台底部钢筋应力逐渐减小，达到平衡后逐渐稳定，末期测值基本在零值附近。

应变计所测压应变较前期有所增长；监测后期，非构造荷载出现的应变数值不大，最大值约为-100με，如图5所示。

将无应力计自动化监测到的数据进行应变-温度拟合，得到混凝土的温度线膨胀系数为8.14×10-6/℃，对所测承台混凝土底面钢筋应力进行了修正，扣除了非外部荷载应变对钢筋应力测值影响。

图5 承台底部应力及应变测值过程线

(4)承台顶面混凝土应力应变监测

风机吊装前，承台顶面水平向钢筋拉应力不大，测值大部分在15.6MPa以下，该工况承台钢筋应力主要受外部温度影响，浇筑时环境温度高，随着温度减低表现出混凝土收缩产生的拉应力，如图6所示，1#CR3-3曾经出现的最大拉应力约为31.5MPa，测值不合理，可能与埋设工艺不当有关；后续钢筋拉应力减小且趋于平稳，末期测值基本在-10～10MPa之间；顶面竖向应变计测值继续增大，末期最大压应变约为400με；水平向应变出现减小趋势，末期压应变约为100με。

图6 承台结构混凝土顶面应力、应变测值过程线

(5)承台结构混凝土内管桩外壁及旁侧混凝土应力应变监测

钢管桩外壁和旁侧混凝土初期受压，主要由自重荷载作用所致，后续压应变的变化表现出季节特性，冬季收缩压应变增大，夏季膨胀压应变减小，自重荷载的压应变大致在-100～-200με之间，其余部位为温度应变。钢管桩外壁和旁侧的混凝土应变相差不大，变形基本协调，末期环境温度降低，压应变处于增长状态，如图7所示。

图7 承台结构混凝土内管桩外壁及旁侧混凝土的应变测值过程线

(6)风机过渡段塔筒应变

对于过渡段顶部，一条连线上(1#G2-2、1#G2-3)出现明显的压应变情形，压应变约为230με；另外一条连线上(1#G2-1、1#G2-4)应变值基本在零值附近，估计监测时段出现的风向主要为E向所致。

对于过渡段底部，一条连线上(1#G3-1、1#G2-3，顺主导方向风向NNE)应变值基本在零值附近，另外一条连线上的1#G2-4(垂直于主导方向NE)应变值在监测后期出现明显的压应变情形，估计与基础顶面对过渡段的约束有关。

监测时段内塔筒振动烈度多次出现报警现象，但过渡段塔筒顶部与底部基本表现为压应变，说明过渡段塔筒应变主要由自重荷载影响，风荷载影响甚微，过渡段塔筒在混凝土约束下自身具有较大的刚度，如图8所示。

图8 过渡段应变测值过程线

4 结论

(1)安全监测是工程建设和运营管理的重要手段之一，为风电场的运行状态检查、安全评估、运维方案的制订与实施等提供重要参考。通过对含风机机舱、塔筒及基础在内的整个风机结构的安全状况进行监测，可以实时了解风电场结构的运行状态及安全状况，制订针对性的运维方案，事半功倍。

(2)安全监测系统在设计和施工时，应以掌握海上建筑物和机电设备的安全状况为主，相关项目统筹安排，配合布置。监测系统应力求简单、可靠，各监测设施安装位置应方便检修或更换，集控中心的监测管理软件应能自动检查故障、初步分析故障原因，以降低人工巡检的工作量。

(3)随着海上风电场建设和管理经验的不断丰富，安全监测系统应逐渐成为风电场建设时的标配，使之成为风电场运维人员不可或缺的助手，为风电场的高效及智能化管理提供重要支撑。

[1] 李晓燕, 余志. 海上风力发电进展[J]. 太阳能学报, 2004, 25(01): 78- 84.

[2] 朱斌, 姜英伟, 陈仁朋, 等. 海上风电机组群桩基础关键问题的初步研究[J]. 岩土工程学报, 2011, 33(增刊1): 91- 96.

[3] 黄维平, 刘建军, 赵战华, 等. 海上风电基础结构研究现状及发展趋势[J]. 海洋工程, 2009, 27(02): 130- 133.

[4] 李炜, 郑永明, 陆飞. 海上风电基础结构动力分析[J]. 海洋通报, 2012, 31(01): 67- 73.

[5] 张永利, 周勇, 李杰. 东海大桥海上风电场基础设计与分析[J]. 四川建筑科学研究, 2010, 36(05): 188- 191.

[6] 曹淑刚, 孙小钎, 张秋生, 等. 海上风电高桩承台基础内力监测与分析[J]. 风力发电, 2017(04): 12- 17.