基于指数曲线模型的风机基础沉降监测及预警

■张康

（宁夏回族自治区矿产地质调查院 宁夏 银川750021）

基于指数曲线模型的风机基础沉降监测及预警

■张康

（宁夏回族自治区矿产地质调查院 宁夏 银川750021）

为了准确获得风机基础在风机吊装过程与运行过程的沉降量，结合盐池县凯迪中盈新能源风电场风机基础沉降观测数据，利用指数曲线模型对该项目风机沉降量进行长期性预测，结果反映了风机基础在运行过程中与实际沉降量相似，该方法可以应用到相似的风电工程当中。

风机基础沉降观测指数曲线模型沉降预测

0 引言

随着我国经济的飞速发展和科技水平的不断提高，风电产业也在持续快速发展。截至目前，我国已经成为全球的风电装机规模第一大国，整体发展事态良好。如今，风电场的建设逐渐遍布全国各地区，从草原风力发展到海上风能的利用，可见风电已逐步走上成熟之路。风机基础的施工是风机的关键之处，对整个风机是否屹立不倒起决定的作用，因而风机基础混凝土浇筑施工完成后的沉降观测便显得尤为重要。而风机属于高耸建筑物，轻微的地基不均匀沉降，将使风机产生较大的水平偏差，在机舱、叶片风力等荷载作用下，产生较大偏心弯矩，从而使原先在水平方向未能保持平整度的风机更加倾斜，给风电机组运行带来较大的安全隐患。当前，随着风机功率和轮毂高度的增加，风机荷载和运行环境变得更为复杂，对风机基础的受力、变形及稳定性提出了更高的要求．风机基础不仅要承受较大的水平力和倾覆力矩，而且力的大小和方向也时刻变化，这导致了风机基础的受力状态远比其他高耸结构基础复杂[1]。为了保证风机基础的施工和运营安全，必须根据已有基础沉降监测数据建立一个合理的基础沉降预测模型，以及时、准确地预报风机基础的变形[2]。

针对以上问题，结合宁夏盐池县凯迪风电场工程，对风机基础沉降监测数据进行分析，利用指数曲线模型对风机基础的长期沉降量进行预测，并依据实例对该预测模型的精度和适应性进行了校核。

1 工程概况

盐池县凯迪中盈新能源风电场位于宁夏回族自治区吴忠市盐池县王乐井乡境内，一期项目共建设33台风电机组，总装机容量49.5MW。沉降观测分别在每台风机基础布设3个基准点，在风机地基基础承台顶部分别设置4个相互垂直的沉降观测点，为了能反应风机基础存在的不均匀沉降，观测点选取位于风机基础横轴、纵轴方向均匀对称的位置。

项目区主要为低山丘陵，缓坡丘陵及黄土梁峁，范围内普遍存在有厚1米至10米以上的粉砂岩地层，此种地层自下而上绝大部分为疏松的浅红色粉砂，胶结不良但可以成团粒，其上表有0.2?0.6米的紫红色板结砂岩或粉砂岩层，或露地表，或被流沙、黄土和红土所叠压。根据埋设点的地层情况采取不同的测量标志。砂土、疏松粉砂地区基准点埋设需铺设防水膜，然后在垫层上用混凝土浇筑固定普通标石；砂砾层地区埋设水泥标桩的办法设置基准点。沉降观测采用二等水准的测量方法，并严格按照《国家一二等水准测量规范》（GB／T12897-2006）及《建筑变形测量规范》（JGJ8－2007）等规范要求的相关精度及限差执行。

自2012年8月底开始实施第一次观测，风机机组安装完成每隔七天观测一次。2013年度每三个月观测一次，2014年度每隔四个月观测一次，2015年1月底进行第十五次观测，观测周期结束。

2 观测数据处理

风机基础的沉降变形主要是由于地质条件、上部荷载、机组运行等综合因素造成其各个部位不均匀沉降引起，因此本次测量采取沉降观测的方法来判断各观测点随时间、不同的运行阶段的变化的过程，根据沉降的数据来判断风机基础不均匀沉降，并根据基础的不均匀沉降值计算基础的倾斜度。当最后lOOd的沉降速率小于0．01-0.04mm／d时可认为已进入稳定阶段。从各观测点累计沉降量、沉降速率统计表的数值可以判断风机基础是否沉降均匀、是否入稳定阶段。本项目观测期间各风机沉降均匀，个别风机沉降量相对较大，但不存在安全隐患。

2.1 沉降量过程曲线图

相邻两期观测值的差值即为风机基础的单次变化量，在某一阶段内风机基础观测点的累计沉降值与观测天数比值即为沉降速率，单位为mm/d。根据每周期观测数据得出周期内沉降值，累计沉降值，沉降速率等数值，绘制沉降曲线。以沉降量s为纵轴，以时间t为横轴，构成直角坐标系。将每次累积沉降量值为纵坐标，以每次观测日期为横坐标，标出沉降观测点的位置并连接成线。以10号风机为例:

图1 10#风机沉降过程曲线图

2.2 各观测点沉降量、相对倾斜值基础相对倾斜值的计算公式

式中ΔSAB－相对倾斜值；SA、SB－倾斜段两端观测点A、B的沉降量（mm）；L－A、B间的水平距离（mm）；

其中SA-SB(沉降差)单位为毫米，将各观测点直线距离化为毫米。根据沉降差与观测点直线距离的比值得出相对倾斜值。10#风机各观测点累计沉降量、相对倾斜值统计表见表1，从数据可以看出基础最大相对倾斜为-0.00015毫米，在各个方向的相对倾斜度都小于4/1000的一般规定，沉降差都小于0.002L的规定，说明各个风机基础不存在不均匀沉降,基础安全稳定，不存在安全隐患。

表1 10#风机各观测点累计沉降量、相对倾斜值统计表

3 指数曲线模型[3]

指数曲线预测模型的基本方程为：

式（1）中，St为第t时刻的沉降预测值；t为沉降观测日期；a，b为待定系数。选择3个时间点t1、t2、t3，使得t2-t1=t3-t2=t，且使t尽可能的大，S1、S2、S3分别为对应时间的沉降值，求解上式可得：

选取2013年3月12日、2013年6月15日、2013年9月18日三次观测数据作为基础数据，利用式（1）和式（2）计算得出预测模型方程为：

利用该模型方程和数学计算软件可以得到表2的结果。

表2 预测模型计算结果表

4 模型计算值分析

根据观测成果数据、统计数据图表分析可得出下述结论：

（1）指数曲线预测模型的前期预测能力较差，中后期的预测能力较好。所以指数曲线预测模型比较适合于中长期的沉降量预测。当预测模型样本点的波动性较大时，应该利用带有残差的预测模型进行修正，减少外界不利因素对模型的影响。

（2）风机机组安装期间，受上部荷载的影响基础有微量的沉降。当机组安装完成，第七次（2012年12月）与第八次（2013年3月）观测周期之间有较大沉降量，自第九次观测（2013年6月）之后，风机基础沉降量逐渐变小，最后一次观测风机沉降量基本在毫米以内，且趋于稳定。通过数据得出风机基础沉降均匀、稳定，机组运行正常，设备安全，不存在安全隐患。

（3）沉降观测数据反映观测点假设高程的变化值，根据观测点的考虑到外界因素例如天气、温度、风力、风振等导致风机细微倾斜，数据在限差允许范围内，属于正常现象。

（4）观测周期共历时700多天，沉降速率较小，沉降均匀稳定，且在规范允许值内。说明机组运行安全，对基础的影响较小，基础稳定，设备安全。

5 结语

（1）凯迪风电场所处的丘陵缓坡地层为残坡积层，在该地区建设风电场易产生地基失稳。因此，风机吊装完成后与运行初期，对基础沉降进行观测是非常必要的，可及时了解风机的沉降情况，确保风机将来的安全运行。

（2）残坡积地层的风电场，由于风机整体结构的受力特点、会使地层在主风向风力作用下沿节理面错动，可能会导致风机基础较大沉降及不均匀沉降，通过及时的监测与反馈，为地基处理提供依据。基于指数曲线模型可以运用到此类风机基础沉降的预测预警当中。

（3）受场地与发电时间的限制，在运行过程中长期监测一般难以做到，采用指数曲线模型预测方法能合理地预测风机在运行过程中沉降量，为风机基础的长期沉降量提供参考，为风电机组安全运行提供依据。

[1]邓宗伟,彭文春等.风力机扩展基础基底压力测试与平面度分析 [J].岩土力学,2015,36 (9):2659-2664

[2]彭文春,周炎明.桥市风电场风机基础沉降观测及预测分析.湖南城市学院学报 (自然科学版),2014,23(3):24-26

[3]熊春宝，李法超.指数曲线模型预测基坑周边地面沉降.测绘与空间地理信息,2011,34 (4):4-6

F407.1[文献码]B

1000-405X（2016）-12-184-2