风力发电塔基础沉降监测方法研究

徐枪声，边卓伟，和海涛，郭霖涛，李高盛

（1.国电投河南新能源有限公司，河南 郑州 450001；2.国家电投集团科学技术研究院有限公司，北京 102209）

1 前言

风力发电站的塔体在施工及正常运营运行过程中，由于塔体受到当地风力、海潮和自身整体重量的不同影响，风力发电的主塔及其他基础设施可能会出现有塔体沉浮高度降低或倾斜等。如果塔体沉浮过大，可能直接导致整个风力发电站主塔发生倾斜，最终可能导致整个风力发电塔受到破坏。因此，为有效确保整个风力发电站主塔的集中施工和正常运营的安全，在保证施工运营过程的集中和正常运营期间，必须对整个风力发电站主塔塔体及其主要基础设施进行整体沉降程度监测。

2 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，计算整个郑州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，根据基础沉降的测量及每个观测周期时间的比例关系形成曲线，计算基础沉降量和曲率相关系数。并通过数据累积统计沉降高度量、沉降高度速率和累积沉降高度曲率三个系数，预测我国风力发电高压塔的稳定及安全运行情况。

风力发电机用变压塔进行塔体土层沉降闭合深度水准观测，通常所采用的方法是直接测试采用二等以下塔体闭合土层深度进行水准测量的一种技术标准方法，即目前在我国有二等以下闭合深度水准测量主要深度观测方法技术标准方法，国家二等以下闭合深度水准测量的主要深度观测方法技术标准及其要求具体如表1所示。

表1 二等水准测量的主要技术要求

二等以上单位高度水准测量的具体测试观测操作程序一般为:后前前后或后后前前的单位水准测量观测具体测量操作顺序。由于临时闭合沉降测站水准测试观测坐标点与郑州国家风力发电总站中心塔上的四个临时闭合沉降水准测试分站坐标观测点的坐标设定点之间位置相距较近，如果按照临时空间闭合立式沉降测站水准测量的基本设计观测方法，对四个临时闭合沉降观测点分别依次进行临时闭合观测，最少最多可能需要同时重复观测5个临时沉降水准测试分站，其中至少最多需要设置有2个临时沉降水准测试分站基本要求是完全同时位于相同的临时沉降水准观测点上，这样的临时沉降测站观测坐标设置操作程序必然就可能会直接导致在相同的沉降观测坐标位置之间需要多次重复同时观测设置多个沉降测站，增加了同时设置多个测站的重复次数和同一个临时沉降水准观测点上两个立体式沉降水准尺的重复移动观测次数。从而大幅度地降低的一次大型闭合水体沉降深度水准测量的平均深度观测值的持续时间数度，并大大幅度增加了一次闭合水体沉降深度水准测量观测的平均持续时间。为此，本文主要研究提出了一种可以多日往返同时多地进行温度观测的新型地球温度水准测量的主要方法。

3 往返同时观测法

往返是进行气象观测的一种方法，也是水准测量的一种方法。是否都完全可能采用了后后前前的两个反复连续观测操作程序，由于一个新的新型电子测量射线应用光学工程测量电子水准仪只需要反复连续分别读取一次两个中线上的一次反复读数和一个夹在观测者的平均视距，所以不一定完全可能存在反复连续分别读取一次夹在红面和一个夹在黑面中的光线上各一次读数的种种观测可能性和安全问题，只是在一个新的新型电子射线光学测量水准尺上反复连续分别读取2次两个中线上的一次读数，取其中的一个作为平均值一次反复读取读数即可，所以均为后后前前的两个反复连续观测操作程序。

往返同时进行返回基点观测的这种电子沉降沉升后视沉升观测数据工作记录方法，就是在同时使用两台电子后视沉降沉升水准仪同时进行沉降后视沈升沉降观测工作时在进入两个基点时，首先分别返回读取两组沉升后视沉降数据为记录电子沉降水准仪进入基点上的电子沉降沉升后视观测工作数据读数，记录后视观测工作完沉升后视沉降数据后，接着，再同时返回读取两组沉升后视沉降数据，即可用来分别作为最后一次同时返回基点观测时的电子沉降前视观测工作数据读数。从理论观测结果数据及理论观测技术成果分析来看，其理论观测结果精度远远高于多数观测站的沉降闭合技术水准测量，当然，此观测方法的主要理论观测根据仍然是以沉降闭合技术水准测量要求为理论基础，沉降技术观测的闭合技术标准及沉降技术测量要求均必须满足《建筑变形测量规范》(jgj8—2007)的技术标准。

4 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。

平差前对主要节点观测目标对象质量数据中的质量信息进行了严格的超高精度数据筛选，剔除了一些可能含有粗差的主要节点观测目标对象质量数据。例如，4个观测点为综合沉降观测点的整体观测点中，3个点为观测点的平均综合沉降整体观测点数量均较小，仅一个观测点的整体沉降平均观测点数量很大，这些点可能主要是由于此点受到破坏或人为上的碰撞而直接产生一些数据上的突变，对这样的突变数据就需要进行剔除，然后重新进行高水平差值的计算，从而可以达到高中低精度的沉降观测处理成果。观测到的数据经过优化处理后，将原始方法观测到的数据整合进行简易的电平差分析计算。

5 结语

往返同时同地进行沉降观测法的沉降沉升法，各项沉降观测操作技术指标，精度均基本能够达到国家二级一等级和国家水准测量的各项沉降观测操作技术指标，基本符合要求。从两站沉降水准监测数据上传下来分析来看，沉降量和水准测量观测的最大两站沉降平均闭合差大约为±0.1mm，最小两站沉降平均闭合差大约为0.00mm，由于同时进行观测的一站仅两站，大部分两站沉降平均闭合差大约为±0.05mm左右，由此可见，这是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。