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风力发电塔基础沉降监测方法研究
作者：王岩
来源：《科技创新导报》2013年第14期
摘 要：沉降观测的目的是监测风力发电塔的沉降和倾斜变形，根据其变形量及变形速率来监测风力发电塔的施工安全和运营稳定。常规的沉降观测方法是采用闭合水准测量的方法，但这种方法影响其观测速度和精度，为此本文提出了往返同时观测的方法，对提高观测速度和精度具有重要的指导意义。
关键词：风力发电塔 沉降监测 倾斜变形 沉降速率
中图分类号：P224 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（b）-0012-02 神华国华瑞丰风力发电场，每一个项目安装33台2000KW等级的REPOWER MM8型风力发电机组，每台机组由三部分组成，基础部分有32根抗浮管桩组成，其上设一直径17m的圆台型承台，承台的最上面有一直径为4m、高为1m的承台基础。基础之上是80m高的塔筒，塔筒顶部为40m风扇和发电机组。风力发电塔施工及运营过程中，由于受到风力、海潮和自身重量的影响，风力发电塔及基础可能会有沉浮降倾斜变形。如果沉浮过大，可能导致风力发电塔倾斜，最终导致风力发电塔破坏。因此，为确保风力发电塔的施工和运营的安全，在施工过程中和运营期间，必须对风力发电塔及其基础进行沉降监测。 1 风力发电塔沉降监测的方法
随着风力发电塔施工进展，荷载不断增加，风力发电塔及其基础不断下沉，风力发电塔施工完成后，在风荷载的作用下，随着时间的增长，风力发电塔的沉降（或上浮）和倾斜也在不断变化，通过观测其沉降量，来监测风力发电塔的沉浮情况，及时调整施工进度，必要时采取措施，确保风力发电塔的稳定和安全。同时，根据沉降量及观测时间的关系曲线，计算风力发电塔基础的沉降速率；由沉降曲线，计算沉降曲率系数；并通过累积沉降量、沉降速率和沉降曲率系数，预测风力发电塔的稳定及安全情况。
目前，风力发电塔沉降观测通常是闭合水准测量的方法，观测每个风力发电塔基础上对称布置的4个观测点的高程；通过每观测周期的高程变化计算风力发电塔的沉降量和沉降速率；并通过直径上2个观测点的沉降差，来计算基础的倾斜变形；根据沉降量及观测时间的关系曲线，计算沉降曲率系数。并通过累积沉降量、沉降速率和沉降曲率系数，预测风力发电塔的稳定及安全情况。沉降观测点的布置如图1所示： 图1 沉降观测点布置图
风力发电塔沉降观测通常是采用二等闭合水准测量的方法，即国有二等水准测量观测方法，国家二等水准测量的主要技术要求如表1所示。
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二等水准测量的观测程序为：后前前后或后后前前的观测顺序。由于临时水准点与风力发电塔上的四个沉降观测点相距较近，如果按照闭合水准测量的方法对四个沉降点进行观测，最少需要观测5个测站，其中至少有2个测站是位于相同的观测点上，这样的观测程序必然导致在相同的位置重复设置测站，增加了测站数和同一个观测点上立水准尺的次数。从而降低的闭合水准测量的观测数度，并增加了沉降观测的时间。为此，本文提出了往返同时观测的水准测量的方法。
2 往返同时观测法
往返同时观测的水准测量法。是采用了后后前前的观测程序，由于电子水准仪只读取中线读数和视距，所以不存在读取红黑面读数的问题，只是在一个水准尺上读取2次读数，取其平均值即可，所以均为后后前前的观测程序。往返同时观测的沉降观测方法，就是在电子水准仪后视工作基点时，首先读取两组数据为水准点上的后视读数，记录完数据后，接着再读取两组数据做为最后返测时的前视读数。观测顺序如图2所示。
如图2所示，在第1站，首先读取临时水准点（ZH102）上的后视读数，然后紧接着读取本站的前视读数，转动仪器读取点2（或TP1）上的前视读书数，再读取点4（或TP2）上的后视读数。此时，点1作为中间点，读取间视即可。然后搬仪器至第2站，点2做为转点（TP1），点2上的读数为后视读数，4点也做为转点（TP2），点4上的读数为前视读数，点3做为中间点，读取间视即可。因此，在一个风力发电塔上，只要安置两次仪器即可将4个沉降点全部观测完成。如果点2和点4不能同时看到，可以将点2和点1做为转点（或点1和点4），这样最多三站即可完成一个风力发电塔的沉降观测。
往返同时观测法，即加快了一个塔的沉降观测速度，节约观测时间。同时，由于减少安置仪器的次数，减少了沉降观测的测量误差，提高了沉降观测的精度。从观测数据及观测成果来看，其观测精度高于多测站的闭合水准测量，当然此方法的理论根据是以闭合水准测量为基础，沉降观测的技术标准及技术要求均满足《建筑变形测量规范》（JGJ 8—2007）之标准。 3 沉降观测的数据处理及精度分析
国华瑞丰风力发电塔沉降观测项目，在每期沉降观测结束后，根据测量误差理论及统计检验原理对获取的观测数据及时进行平差计算和处理，并计算各点的沉降量、累积沉降量、沉降速率和风力发电塔基础倾斜量。
观测数据的平差计算是以每个风力发电塔的工作基点（风力发电塔基础附近输电线塔基础上的工作基准点）为起算点，采用清华三维平差软件进行严密平差。平差前对观测数据进行了严格的筛选，剔除了含有粗差的观测数据。例如，4个沉降观测点中，3个点的沉降量均较小，仅一个沉降量很大，这可能是由于此点破坏或人为碰撞而产生数据突变，对这样的数据要剔除，然后进行平差计算，从而达到高精度的观测成果。
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观测数据经过处理后，将原始观测数据进行简易平差计算。求得每期各沉降观测点的高程、本期沉降量（高程差）、累积沉降量和沉降速率。同时，根据对径方向上的两个沉降点的沉降量之差，来计算风力发电塔基础的倾斜量。数学模型如下： 4 结语
往返同时观测法的观测精度均达到国家二等水准测量的各项技术指标要求，沉降观测程序及观测技术要求符合《建筑变形测量规范》和《国家一、二等水准测量规范》的技术。同时，也满足现行国家和行业标准及国华瑞丰风力发电塔基础沉降监测技术要求。从监测数据上看，沉降观测的最大闭合差为±0.1mm，最小闭合差为0.00mm，由于观测站仅两站，大部分闭合差为±0.05 mm左右，由此可见往返同时进行的水准测量方法，其观测精度较高，观测时间也较少，提高了观测精度和观测效率。同时，本观测方法也可用于其它类似项目的沉降观测中，对其它工程的沉降观测具有重要的指导意义。 参考文献
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