CN107386342B - 海上风电单桩基础桩监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上风电单桩基础桩监测装置，包括单桩、设于所述单桩的监测装置，所述监测装置包括：数据采集装置，用于采集监测数据并传输至陆上服务器；动态倾角仪，设于所述单桩的桩顶和风机顶部；振动加速度仪，设于所述单桩顶部的桩体内壁；倾角仪，多个所述倾角仪沿主风向分别布置在不同高程的塔筒或桩基内侧；土压力计与渗压计，沿主风向方向以配对的方式安装在所述单桩外壁上距离泥面的不同高程处。该装置通过对钢管桩基础的应力应变特性、桩土周抗力与孔隙水压力及导管架钢加速度、塔筒倾斜、屈曲变形、及断裂、基础不均匀沉降、钢结构腐蚀等故障隐患监控，并在出现上述隐患时能自动预警，从而为安全运行提供可靠的技术支撑。

Description

海上风电单桩基础桩监测装置

技术领域

本发明涉及海上风电基础桩技术领域，特别是海上风电单桩基础桩的监测装置。

背景技术

大直径单桩基础作为我国沿海地区新兴的广泛使用的风电基础形式，尤其是建成使用的风场屈指可数，大直径单桩基础在工作荷载作用下的工作性状、受力变形特性以及与周围土体的相互作用等重要问题，目前并没有大量具体和有效的监测数据进行参考。

对此，国内外经常使用p-y曲线法，这种方法在分析静力荷载作用下的桩基变形问题方面，与实测结果吻合很好，但在动力荷载方面与实测结果相差较大，往往会严重低估桩基的侧向变形；其次，单桩基础的水平向承载能力通常以桩顶水平变位作为控制条件，而目前在海洋工程中普遍采用API规范规定的p-y曲线法计算桩基的水平变位，但规范中的p-y曲线是基于直径2m以下小直径柔性桩的试验资料得到的，对于大直径钢管桩的适用性有待研究；复次，上述循环p-y曲线仅从试验现象对桩的工作性状加以描述，并未引入循环荷载下黏土的力学行为，有待进一步改进；又次，以往大多研究小周数(10～20次)水平循环荷载下单桩基础的循环荷载-位移曲线，对于海上风电桩基而言，更为重要的则是较大周数长期循环荷载作用下桩基的循环弱化特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种海上风电单桩基础桩监测装置。该装置通过对钢管桩基础的应力应变特性、桩土周抗力与孔隙水压力及导管架钢加速度、塔筒倾斜、屈曲变形、及断裂、基础不均匀沉降、钢结构腐蚀等故障隐患监控，并在出现上述隐患时能自动预警，从而为安全运行提供可靠的技术支撑。

为实现上述目的，本发明提供的海上风电单桩基础桩监测装置，包括单桩、设于所述单桩的监测装置，所述监测装置包括：

数据采集装置，用于采集监测数据并传输至陆上服务器；

动态倾角仪，设于所述单桩的桩顶和风机顶部，以监测所述单桩的动态倾角；

振动加速度仪，设于所述单桩顶部的桩体内壁，以监测所述单桩的振动加速度；

倾角仪，所述单桩的基础内平台均匀布置有多个几何水准点，多个所述倾角仪沿主风向分别布置在不同高程的塔筒或桩基内侧，以测量塔筒、桩基在风力作用下的倾角；

土压力计与渗压计，沿主风向方向以配对的方式安装在所述单桩外壁上距离泥面的不同高程处，以监测在风机荷载作用下桩侧土体对单桩基础的动力响应；

所述动态倾角仪、振动加速度仪、倾角仪、土压力计与渗压计均连接于所述数据采集装置。

优选地，所述土压力计通过防护装置安装于所述单桩下沉段的桩壁外侧，所述防护装置包括支撑座和下部锥形体；所述支撑座与所述单桩下沉段固定连接，所述土压力计安装于所述支撑座的侧向开口中；所述土压力计位于所述支撑座内部，其受力面平行于所述单桩下沉段的桩壁且垂直于下部支撑平台；所述下部锥形体设于所述支撑座的底部，其锥角沿纵向方向指向下方。

优选地，所述防护装置进一步包括上部锥形体，所述上部锥形体设于所述支撑座的顶部，其锥角沿纵向方向指向上方。

优选地，所述支撑座呈横向布置的套筒形状，其一端与所述单桩下沉段的桩壁外表面固定连接，另一端上形成用于安装所述侧土压力监测单元的侧向开口。

优选地，所述渗压计通过防护装置安装于所述单桩下沉段的桩壁外侧，所述防护装置包括保护套和下部锥形体；所述保护套的内壁上在不同高程处设有渗压计腔，各所述渗压计分别设于相应的渗压计腔；所述渗压计腔的侧壁上开设有透水孔，所述渗压计的监测线缆向上引出。

优选地，各所述渗压计腔与所述单桩的外壁之间具有间隙以形成过线通道，各所述渗压计的监测线缆均穿过其上方的过线通道并在汇总后引入所述单桩内部，然后从所述单桩内部向上引出。

优选地，所述渗压计腔的内部设有细沙层和封堵层，所述渗压计由土工布包裹后埋设于所述细沙层。

优选地，所述保护套在对应于各所述渗压计腔顶部的位置设有用于在后期进行封堵的侧向预留安装口。

优选地，所述单桩的内侧沿主风向布置有测斜管，以通过人工观测的方式监测所述单桩的扰度。

优选地，所述单桩在极端低潮位±5m的高程处布置有腐蚀电位测点。

本发明提供的监测装置在风机塔筒、单桩基础顶部以及单桩基础桩身内壁等关键部位布置适量的监测设备，主要用于监测风机在正常使用过程中的工作性状确保风机的安全运行。如监测塔筒、基础结构在风力作用下的倾角，钢管桩的桩身挠度、桩身钢管的应力变化情况，观察单桩基础在使用过程中的变形特性、监测风机各点的振动加速度，从而推算风机整体振动频率，同时，在主风向表层桩周土体处布置有土压力计与渗压计，并在对应的桩壁处安置应力计，可监测在风机安全运行期间单桩基础的受力性状监测与桩周土体的应力应变特性，实测获得桩身变形与桩身弯矩及桩侧土压力与孔隙水压力，揭示水平向循环荷载作用下桩土相互作用规律及桩基水平位移和桩身弯矩发展规律。

在一种优选方案中，将侧土压力监测单元通过支撑座安装在单桩下沉段的桩壁外侧，使侧土压力监测单元整体位于支撑座的内部，仅受力面能通过支撑座的侧向开口与外部土体有效接触，同时，在支撑座的底部设有下部锥形体，且下部锥形体的锥角指向下方。

这样，由于侧土压力监测单元位于支撑座内部，支撑座可有效保护侧土压力监测单元，避免侧土压力监测单元在打桩、下沉和使用过程中被损坏，下部锥形体能减小沉桩土阻力，减小对外壁局部凸起的防护装置的冲击力，而且，下部锥形体能够使得单桩在下沉过程中由防护装置冲开的破坏土体能够快速回填，紧密的包围侧土压力监测单元的受力面，从而保证监测性能和精度，以便为大直径单桩基础的设计、设计优化以及使用提供重要的监测数据。

附图说明

图1为本发明所提供海上风电单桩基础桩监测装置的电气原理图；

图2为土压力计的一种安装结构示意图；

图3为土压力计的另一种安装结构示意图；

图4为底段渗压计的安装结构示意图；

图5为中段渗压计的安装结构示意图；

图6为上段渗压计的安装结构示意图。

图中：

1.单桩 2.土压力计 21.监测线缆 3、3’.防护装置 31.支撑座 32、32’.下部锥形体 33.上部锥形体 34、34’.保护套 4.橡胶密封圈 5.渗压计 6.渗压计腔 7.透水孔 8.细沙层 9.封堵层 10.土工布 11.预留安装口 12.应变计

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

在本文中，“上、下、内、外”等用语是基于附图所示的位置关系而确立的，根据附图所示产品方位的不同，相应的方向和位置关系也有可能随之发生变化，因此，并不能将其理解为对保护范围的绝对限定。而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

请参考图1，图1为本发明所提供海上风电单桩基础桩监测装置的电气原理图。

如图所示，在一种具体实施方式中，本发明提供的海上风电单桩基础桩监测装置，包括单桩、设于所述单桩的监测装置，所述监测装置包括数据采集装置、动态倾角仪、振动加速度仪、倾角仪以及土压力计与渗压计，动态倾角仪、振动加速度仪、倾角仪、土压力计与渗压计均连接于数据采集装置，通过数据采集装置，实现数据的自动化采集并传输至陆上服务器，同一风机、海上升压站的各数据采集装置采取总线串联，并最终连接到风机，形成对振动加速度、塔筒垂直度、塔筒实时摆动位移量、同轴度、基础不均匀沉降量等项目实时监控、预警。

具体地，在单桩的桩顶和风机顶部(可选择在基础内平台略上的桩体内壁上)，各布置一台双向动态倾角仪(水平X、Y向，互成90°)以监测单桩的动态倾角，通过监测单桩的动态倾角，推算出单桩刚度的变化及相对不均匀沉降。

在风机基础顶部桩体内壁(内平台位置略上)布置一台振动加速度仪，监测风机基础的振动加速度情况。

在每根单桩的基础内平台均匀布置四个几何水准点以监测基础的不均匀沉降，在60m高程、30m高程、11m高程以及2m高程的塔筒或桩基内侧沿主风向各布置一个倾角仪，测量塔筒、基础结构在风力作用下的倾角，根据测量的倾角推算结构的变位值以及基础不均匀沉降情况。此外，还可以在单桩内侧沿主风向布置两根测斜管，采用人工观测的方式监测单桩的扰度。

在单桩主风向方向的桩侧外壁上距离泥面1m、4m、9m与13m，不同高程安装配对的土压力计与渗压计(即孔隙水压力计)，用以监测在风机荷载作用下桩侧土体对单桩基础的动力响应，其监测结果可以与有限元计算的桩周土体抗力进行对比。

为了进行阴极防护系统的腐蚀电位监测，可在风机基础布置一个腐蚀电位测点，具体可布置在单桩在极端低潮位±5m的高程处。

请参考图2，图2为土压力计的一种安装结构示意图；

如图所示，土压力计2通过防护装置3安装于单桩1下沉段的桩壁外侧。这里需要说明的是，由于单桩1直径较大，通常在1m左右，为了清楚地显示防护装置3的结构，图中只示出了单桩1一侧的桩壁，未示出单桩1另一侧的桩壁。

防护装置3的支撑座31呈横向布置的套筒形状，其一端与单桩1下沉段的桩壁外表面固定连接，另一端上形成用于安装土压力计2的侧向开口，从截面形状来讲，支撑座31既可以是圆形套筒，也可以是倒圆角的方形或长方形套筒，具体可以根据土压力计2的实际形状灵活设计，只要能够稳定地安装土压力计2即可，这里不做具体的限定。

土压力计2安装于支撑座31的侧向开口中，其受力面平行于单桩1下沉段的桩壁且垂直于下部支撑平台，并且可以在支撑座31与土压力计2形成的空隙中填充硬性材料，通过填充硬性材料不仅可以给土压力计2提供稳定的支撑力，还可以调整由于桩壁曲面给土压力计2垂直程度带来的偏差，同时，在对应的桩壁处还安置有应变计12，以监测单桩1的钢板应力变化情况。

防护装置3的下部锥形体32固定在支撑座31的底部，其锥角沿纵向方向指向下方，下部锥形体32呈半锥形，其顶部与支撑座31的底部固定连接，一侧与单桩1下沉段的桩壁固定连接，且顶部的形状与支撑座31底部的形状趋于一致，以便两者能够圆滑地过渡连接，使防护装置3在整体上具有流线型的外表面，减少下沉阻力。当然，下部锥形体32也可以呈全锥形，其顶部与支撑座31的底部固定连接，同样可以实现本发明目的。

防护装置3的上部锥形体33固定在支撑座31的顶部，其锥角沿纵向方向指向上方，上部锥形体33呈半锥形，其顶部与支撑座31的顶部固定连接，一侧与单桩1下沉段的桩壁固定连接，且底部的形状与支撑座31顶部的形状趋于一致，以便两者能够圆滑地过渡连接，使防护装置3在整体上具有流线型的外表面，从而减少下沉阻力。当然，上部锥形体33也可以呈全锥形，其底部与支撑座31的顶部固定连接，同样可以实现本发明目的。

支撑座31、下部锥形体32和上部锥形体33与单桩1相接触的一侧具有与单桩1下沉段的桩壁外表面相一致的弧度，并且与桩壁的结合方式为焊接连接。

单桩1下沉段的桩壁上开设有位于支撑座31内部的通孔，土压力计2的监测线缆21穿过通孔从单桩1内部向上引出，以连接位于上部的数据采集装置(图中未示出)，通孔处可用橡胶密封圈4进行密封，橡胶密封圈4不仅可以保护监测线缆21不与单桩1摩擦，而且可以防止水流入单桩1内部。将监测线缆21引入桩身内部向上引出，方便接入桩身内部的监测平台，并且可以避免桩外侧的不明物体撞击或拉扯造成线缆破坏。

在本实施例中，由于土压力计2位于支撑座31内部，因此支撑座31可有效保护土压力计2，避免土压力计2在打桩、下沉和使用过程中被损坏，上部锥形体33和下部锥形体32能减小沉桩土阻力，减小对外壁凸起的防护装置3的冲击力，而且，上部锥形体33和下部锥形体32能够使得单桩1在下沉过程中由防护装置3冲开的破坏土体能快速回填，紧密的包围土压力计2的受力面，从而保证监测性能和精度，以便为大直径单桩基础的设计、设计优化以及使用提供重要的监测数据。

请参考图3，图3为土压力计的另一种安装结构示意图。

如图所示，在本实施例中，土压力计2通过防护装置3安装于单桩1下沉段的桩壁外侧。这里需要说明的是，由于单桩1直径较大，通常在1m左右，为了清楚地显示防护装置3的结构，图中只示出了单桩1左侧的桩壁，未示出单桩1右侧的桩壁。

防护装置3的支撑座31呈横向布置的套筒形状，其一端与单桩1下沉段的桩壁外表面固定连接，另一端上形成用于安装土压力计2的侧向开口，从截面形状来讲，支撑座31既可以是圆形套筒，也可以是倒圆角的方形或长方形套筒，具体可以根据土压力计2的实际形状灵活设计，只要能够稳定地安装土压力计2即可，这里不做具体的限定。

土压力计2安装于支撑座31的侧向开口中，其受力面平行于单桩1下沉段的桩壁且垂直于下部支撑平台，并且可以在支撑座31与土压力计2形成的空隙中填充硬性材料，通过填充硬性材料不仅可以给土压力计2提供稳定的支撑力，还可以调整由于桩壁曲面给土压力计2垂直程度带来的偏差。

防护装置3的下部锥形体32固定在支撑座31的底部，其锥角沿纵向方向指向下方，下部锥形体32呈半锥形，其顶部与支撑座31的底部固定连接，一侧与单桩1下沉段的桩壁固定连接，且顶部的形状与支撑座31底部的形状趋于一致，以便两者能够圆滑地过渡连接，使防护装置3在整体上具有流线型的外表面，减少下沉阻力。当然，下部锥形体32也可以呈全锥形，其顶部与支撑座31的底部固定连接，同样可以实现本发明目的。

支撑座31和下部锥形体32与单桩1相接触的一侧具有与单桩1下沉段的桩壁外表面相一致的弧度，并且与桩壁的结合方式为焊接连接。

支撑座31的顶部设有纵向延伸并且与单桩1的桩壁外侧固定连接的保护套34，保护套34的内部形成过线通道；支撑座31的顶部开设有通孔，土压力计2的监测线缆21穿过通孔从过线通道向上引出，以连接位于上部的数据采集设备(图中未示出)。将监测线缆21引入过线通道向上引出，方便与监测平台连接，并且可以避免桩外侧的不明物体撞击或拉扯造成线缆破坏。

在本实施例中，由于土压力计2位于支撑座31内部，因此支撑座31可有效保护土压力计2，避免土压力计2在打桩、下沉和使用过程中被损坏，下部锥形体32能减小沉桩土阻力，减小对外壁凸起装置的冲击力，而且，下部锥形体32能够使得单桩1在下沉过程中由防护装置3冲开的破坏土体能快速回填，紧密的包围土压力计2的受力面，从而保证监测性能和精度，以便为大直径单桩基础的设计、设计优化以及使用提供重要的监测数据。

请参考图4、图5、图6，图4为底段渗压计的安装结构示意图；图5为中段渗压计的安装结构示意图；图6为上段渗压计的安装结构示意图。

如图所示，渗压计5通过防护装置3’安装于单桩1下沉段的桩壁外侧，防护装置3’包括保护套34’和下部锥形体32’；保护套34’的内壁上在不同高程处设有渗压计腔6，各渗压计5分别设于相应的渗压计腔6，渗压计6的侧壁上开设有透水孔7，渗压计6的监测线缆向上引出。

各渗压计腔6与单桩1的外壁之间具有间隙以形成过线通道，各渗压计5的监测线缆均穿过其上方的过线通道并在汇总后引入单桩1内部，然后从单桩1内部向上引出。

渗压计腔6的内部设有细沙层8和封堵层9，渗压计5由土工布10包裹后埋设于细沙层8中。这样，单桩1相对于土压力计2另一侧的水压可通过透水孔7和细沙层的空隙作用于渗压计5，从而监测出底、中、高处的孔隙水压力。

保护套34’在对应于各渗压计腔6顶部的位置设有侧向预留安装口11，此预留安装口11用于装入渗压计5、细沙层8和封堵层9，待封堵层9填装完毕后，再在后期进行封堵。

本发明提供的监测装置在风机塔筒、单桩基础顶部以及单桩基础桩身内壁等关键部位布置适量的监测设备，主要用于监测风机在正常使用过程中的工作性状确保风机的安全运行。如监测塔筒、基础结构在风力作用下的倾角，钢管桩的桩身挠度、桩身钢管的应力变化情况，观察单桩基础在使用过程中的变形特性、监测风机各点的振动加速度，从而推算风机整体振动频率，同时，在主风向表层桩周土体处布置有土压力计与渗压计，并在对应的桩壁处安置应力计，可监测在风机安全运行期间单桩基础的受力性状监测与桩周土体的应力应变特性，实测获得桩身变形与桩身弯矩及桩侧土压力与孔隙水压力，揭示水平向循环荷载作用下桩土相互作用规律及桩基水平位移和桩身弯矩发展规律。具有如下有益效果：

其一，通过数据采集装置，实现数据的自动化采集并传输至陆上服务器，同一风机、海上升压站的各数据采集装置采取总线串联，并最终连接到风机，形成对振动加速度、塔筒垂直度、塔筒实时摆动位移量、同轴度、基础不均匀沉降量等项目实时监控、预警。

其二，监测数据对于大直径单桩基础的设计优化、施工方法、后期安全评估等工作有着非常重要的意义，实际监测数据可以与设计数据进行对比，从而分析现有的安全余量，对设计风险偏高的单桩基础进行设计参数分析进而提高安全余量，而对设计风险较低的单桩基础可以进行优化工作节约制造成本。

其三，通过增加长期监测的内容，还可以监测冲刷深度从而查看防冲刷保护的防护效果，可以保确保单桩运行期间的安全，为之后的防冲刷保护措施的设计提供经验。

其四，上述监测数据有非常重要的科学研究意义与创新意义，不仅能促进大直径单桩基础的理论研究与设计水平，也能推进大直径单桩基础的广泛应用。

上述实施例仅是本发明的优选方案，具体并不局限于此，在此基础上可根据实际需要作出具有针对性的调整，从而得到不同的实施方式。例如，将支撑座31设计成其他形状，或者，上部锥形体33和下部锥形体32除了是空心结构，也可以是实心结构，等等。由于可能实现的方式较多，这里就不再一一举例说明。

以上对本发明所提供的海上风电单桩基础桩监测装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.海上风电单桩基础桩监测装置，包括单桩、设于所述单桩的监测装置，其特征在于，所述监测装置包括：

数据采集装置，用于采集监测数据并传输至陆上服务器；

动态倾角仪，设于所述单桩的桩顶和风机顶部，以监测所述单桩的动态倾角；

振动加速度仪，设于所述单桩顶部的桩体内壁，以监测所述单桩的振动加速度；

倾角仪，所述单桩的基础内平台均匀布置有多个几何水准点，多个所述倾角仪沿主风向分别布置在不同高程的塔筒或桩基内侧，以测量塔筒、桩基在风力作用下的倾角；

土压力计与渗压计，沿主风向方向以配对的方式安装在所述单桩外壁上距离泥面的不同高程处，以监测在风机荷载作用下桩侧土体对单桩基础的动力响应；

所述动态倾角仪、振动加速度仪、倾角仪、土压力计与渗压计均连接于所述数据采集装置；

所述土压力计通过防护装置安装于所述单桩下沉段的桩壁外侧，所述防护装置包括支撑座和下部锥形体；所述支撑座与所述单桩下沉段固定连接，所述土压力计安装于所述支撑座的侧向开口中；所述土压力计位于所述支撑座内部，其受力面平行于所述单桩下沉段的桩壁且垂直于下部支撑平台；所述下部锥形体设于所述支撑座的底部，其锥角沿纵向方向指向下方；

所述防护装置进一步包括上部锥形体，所述上部锥形体设于所述支撑座的顶部，其锥角沿纵向方向指向上方；

所述渗压计通过防护装置安装于所述单桩下沉段的桩壁外侧，所述防护装置包括保护套和下部锥形体；所述保护套的内壁上在不同高程处设有渗压计腔，各所述渗压计分别设于相应的渗压计腔；所述渗压计腔的侧壁上开设有透水孔，所述渗压计的监测线缆向上引出。

2.根据权利要求1所述的海上风电单桩基础桩监测装置，其特征在于，所述支撑座呈横向布置的套筒形状，其一端与所述单桩下沉段的桩壁外表面固定连接，另一端上形成用于安装所述土压力计与渗压计的侧向开口。

3.根据权利要求1所述的海上风电单桩基础桩监测装置，其特征在于，各所述渗压计腔与所述单桩的外壁之间具有间隙以形成过线通道，各所述渗压计的监测线缆均穿过其上方的过线通道并在汇总后引入所述单桩内部，然后从所述单桩内部向上引出。

4.根据权利要求3所述的海上风电单桩基础桩监测装置，其特征在于，所述渗压计腔的内部设有细沙层和封堵层，所述渗压计由土工布包裹后埋设于所述细沙层。

5.根据权利要求4所述的海上风电单桩基础桩监测装置，其特征在于，所述保护套在对应于各所述渗压计腔顶部的位置设有用于在后期进行封堵的侧向预留安装口。

6.根据权利要求1至5任一项所述的海上风电单桩基础桩监测装置，其特征在于，所述单桩的内侧沿主风向布置有测斜管，以通过人工观测的方式监测所述单桩的扰度。

7.根据权利要求6所述的海上风电单桩基础桩监测装置，其特征在于，所述单桩在极端低潮位±5m的高程处布置有腐蚀电位测点。