风机基础沉降监测系统应用研究

风机基础沉降监测系统应用研究

罗 赵

45232419821129**** ，广西 桂林 541300

摘要:为提高对风机基础沉降计算的准确性并有效控制基础沉降，提出基于Duncan-Chang本构模型的风电场风机基础沉降测量及有效控制方法。利用风机传感器节点分布模块、传感网络模块、通信模块、上位机监测模块构建风机基础沉降监测系统，采集基础沉降信息数据并对异常情况进行实时报警；利用上述采集到的风机沉降数据，引入Duncan-Chang本构模型，结合分层总和法计算风电场风机基础沉降量。在此基础上，分别从强化风机框架整体刚度、积极开展沉降监测、选用科学施工方案三方面给出沉降控制对策。实验结果表明所提方法的测量结果与实际值拟合度较高，证明该方法具有较强的实用性，能够有效控制风电场风机基础沉降。

关键词:风电场风机;沉降量测量;Duncan-Chang本构模型;沉降控制

1 引言

风机的使用寿命以及风机安全在很大程度上取决于风机结构的稳定性。基础在承受风机上层结构的附加荷载后会产生变形，导致基础表面下沉，即产生沉降。若风机上层结构载荷较大或基础软土层厚度不均匀，极有可能造成基础的大幅度沉降。基础沉降会导致风机使用寿命缩短，同时也会严重影响风机结构的稳定性和安全性。城市化的推进使得城市用地愈发紧张，因此，风机数量越来越多。对基础沉降进行观测并计算其沉降量，根据测算结果提出相应控制对策是保证风机安全的有效手段，该领域的研究也引起了相关人员的重点关注。在现有研究的基础上，为更好地解决风机基础沉降计算与控制等相关问题，本研究提出基于Duncan-Chang本构模型的风电场风机基础沉降测量方法，并提出相关控制测量。本研究的创新点和创新内容如下：综合考虑基点选取及分布、基础沉降监测、监测数据传输和管理等内容，利用WSN技术构建风机基础沉降监测系统，为沉降测量计算及高效控制奠定基础。引入Duncan-Chang本构模型，根据监测采集到的数据实现风机基础沉降测量，并提出控制方案。

2 风电场风机基础沉降实时动态监测

在融合风电场风机的基础沉降基本需求与短距离通信特征的基础上，利用WSN技术构建风电场风机基础沉降实时动态监测系统。检测系统主要包括以下4部分：风机传感器节点分布模块、传感网络模块、通信模块和上位机监测模块。其中，传感器网络主要对基础沉降位移数据进行采集，同时将数据打包传送到协调器的串口位置，然后传输到上位机模块。串口通信的中间件能够识别信息有效与否，并对其中有效且可利用的信息进行解析，之后传输并存储到数据库中。上位机监测模块能够实现远程节点信息的管控、历史信息检索、数据曲线可视化展示以及动态预警等。在风机基础沉降实时动态监测过程中，定义当监测误差控制在50mm之内时沉降测量是有效的。因此，系统采用准确度为0.1mm的位移传感器，其运行原理为：在因位移造成传感器被压缩的过程中，缠绕电阻丝的电阻出现一系列变化，以此使电压也产生变化，通过电压变化值推测位移量。

在基点处向下挖3m。三角形支架安装并固定在墙体沉降监测位置，位移传感器一端固定基点上，另一端和三角挡板相接触。其中，A、B、C三点为电压监测点，A点是监视、控制和调整电压的母线，即电压中枢点；B点为输出电压参考点；C点为接地点，一旦基础出现沉降，墙体也会随之向下产生位移，三角挡板和传感器会产生挤压情况，此时传感器被压缩，A点和B点、B点和C点间的电压会产生一定变化，分别测量A-B段、B-C段的电压变化值，从而得到基础沉降相关数据。在沉降监测点相应位置设置位移传感器，并在风机周围设置多个位移传感监测点。

路由节点主要负责中继监测点信息数据，从而保障所有监测点在整个通信范围内均能够高效将数据发送至协调器位置。协调器主要负责将所有ZigBee网络数据信息汇聚起来，同时实现网络的开启或者关闭。上位机软件采用的是B/S模式，具备的最大优势是能够在协调器的网关中实现数据存储和实时动态监测，同时能够利用网络远程查询位移信息数据以及预警情况。协调器和系统上位机间的通信利用网关实现。通信网关对数据流进行检测，并实时接收来源于串口的数据流量包，同时解析数据，再将其保存到相应数据库。一旦存在传感器位移超限的情况，则将超限信息数据保存到预警信息表。客户端可利用互联网络浏览查看系统实测数据和曲线图以及风机预警情况。

3 风机基础沉降控制对策

与普通风机相比，风机的质量大、基础深，风机施工技术也会相对更为复杂。因此，在风机的基础沉降问题上更应予以重视。在风电场风机基础沉降控制方面，现提出如下对策：

1)强化风机框架整体刚度

在构筑风机结构框架过程中，首先需设置好圈梁结构，在此基础上设置好沉降缝，并对风电场风机长高比进行高效控制，在额定范围之内尽量减少风机不均匀沉降量。

2)积极开展沉降监测

在设置风电场风机基础沉降的监测点时，每间隔8~12m就设置一个监测点，在风机山墙的适当位置一定要设置监测点。一些超的风机基础沉降监测点布局设置还需要征求相关单位的意见。

3)选用科学施工方案

在风机施工过程中，需要按照实际施工图的详细要求和风机行业相关标准开展对应工作。相关施工单位要做好相应的复查工作，特别要注意材料编写的准确性，同时对材料进行分类归档，方便日后开展工程质量的检查过工作。

2 实验结果与分析

为验证所提的基于Duncan-Chang本构模型的风电场风机基础沉降测量方法的有效性，利用实例测量对所提方法进行验证。选择某市风电场风机作为实验对象。该风电场风机占地面积为44m×21m，整体为剪刀墙结构，在软土基础的处理过程中使用的是钻孔灌注桩。该风电场风机的东侧与南侧都与街道相邻，北侧的多层风机较多，西侧和一即将开建的风机相邻。该风机场地是拆除之后重建的，因此场地比较平坦，其中地面的相对高差大致为1.4m，且地貌隶属黄土梁洼地。风机建设的上覆地层主要包含黄土和古土壤，在下覆地层，主要是粉质黏土及砂土。实验中共设置6个监测点，在Matlab平台上加载所提方法，监测并获取风机基础沉降的相关数据，通过与实际数值进行对比判断所提方法测量结果的精确性。其中，K1~K6分别为6个检测点。分析图4可知，沉降等值线分布形式以实验风电场风机的中间部分向两边逐渐展开，构成等沉降闭合形式的曲线，该等值线反映出了风机基底应力的迭代所产生的沉降量最大，两侧相对较小。

不同时间段内，基于Duncan-Chang本构模型的风机沉降测量方法的计算结果与实际沉降值间的拟合度始终接近1，证明两者之间的拟合度较高，因此可以说明所提方法能够有效对地基沉降进行计算。这是因为在所提方法中，建筑地基沉降信息数据采集模块由高精确性的位移传感器以及ZigBee网络设备构成，可有效提升沉降测量计算过程中所用数据的精确性，在一定程度上提高了沉降计算精度。同时，所提方法在沉降监测基础上，利用Duncan-Chang本构模型和分层总和法相互结合，规范了修正表达式，使计算结果更加准确。

结束语

风机基础沉降监测和控制始终是风机行业的重点课题。针对风机基础沉降监测，本研究提出基于Duncan-Chang本构模型的风电场风机基础沉降测量及有效控制方法。设计并构建风机基础沉降监测系统，结合Duncan-Chang本构模型与分层总和法对基础沉降进行计算，并提出了相应的控制策略。

参考文献：

[1]杨光华,李俊,贾恺,等.改进的基础沉降计算的工程方法[J].岩石力学与工程学报,2017,36(S2):4229-4234.

[2]艾智勇,刘文杰,任广鹏,等.基于解析层元法的成层半平面基础移动荷载动力响应研究[J].岩土工程学报,2018,40(2):237-242.

[3]郭树荣,丛旭辉.基于灰色组合模型的基坑周边风电场风机沉降预测[J].风机科学,2016,32(3):89-93.

[4]叶观宝,许言,张振,等.基于广义Gibson模型的大面积荷载下基础沉降计算方法[J].施工技术,2016,45(19):61-65.