CN110398210A - 一种海上风机土体冲刷深度监测杆、装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种海上风机土体冲刷深度监测杆、装置及监测方法，包括设在海床内的测试杆，所述测试杆的顶部与所埋设处的海床面平齐，所述测试杆位于冲刷坑内的部分会受到水流的激励而振动，所述测试杆的顶部安装有传感器，用于采集测试杆的加速度数据，通过预先测定测试杆的自振频率与土体外自由端长度的函数关系，然后将测试杆设置在海上风机周围的海床测定点处，根据所获取的测试杆在水流激振下的自振频率，带入函数关系反推测定点处位于冲刷坑内的自由端的长度，从而实现冲刷坑深度的实时快速测取。

Description

一种海上风机土体冲刷深度监测杆、装置及监测方法

技术领域

本申请涉及土体监测领域，具体的说是一种海上风机土体冲刷深度监测杆、装置及监测方法。

背景技术

海上风机基础(如大直径单桩、三脚架)长期处于复杂恶劣的海洋环境中，运行过程中受到各种环境荷载(如风、浪、流等)的交互作用。这些复杂耦合荷载往往导致海上风机基础周围的流场十分复杂，造成海床局部剪切应力增加，将基础周围的泥沙冲走，形成冲刷坑。海上风机基础周围土体的局部冲刷减小了桩的入土深度，不但降低了基础的承载能力，还使结构的自振频率发生改变，对风电结构的动力响应特性和稳定性造成极为不利的影响。

发明人发现，目前实际工程中海上风机土体冲刷深度测量方法主要有测深杆、声呐等，但这些方法在实际工程中都存在一些局限性，如测深杆受海底地形、测量深度等因素影响；声呐等仪器易受环境扰动较大，噪音影响明显；这些方法的局限性体现在严重依赖人工、自动化不足，但是复杂恶劣的海洋环境不合适运维人员长期高频的野外作业，难以实现复杂海洋环境的海上风机土体冲刷深度的实时及快速监测。

发明内容

本申请的目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种海上风机土体冲刷深度监测杆、装置及监测方法，通过预先测定测试杆的自振频率与土体外自由端长度的函数关系，然后将测试杆设置在海上风机周围的海床测定点处，根据所获取的测试杆在水流激振下的自振频率，带入函数关系反推测定点处位于冲刷坑内的自由端的长度，从而实现冲刷坑深度的实时快速测取。

本申请的第一发明目的是提供一种海上风机土体冲刷深度监测杆，采用以下技术方案：

包括设在海床内的测试杆，所述测试杆的顶部与所埋设处的海床面平齐，所述测试杆位于冲刷坑内的部分会受到水流的激励而振动，所述测试杆的顶部安装有传感器，用于采集测试杆的加速度数据，所述传感器为光纤光栅加速度传感器。

进一步的，所述传感器连接有传输线路，所述传输线路经由测试杆顶端沿测试杆向下并从测试杆的底端引出，所述传输线路贴附在测试杆的外圆周上；所述的线路选用光纤，适用于高精度的实时监测。

进一步的，所述测试杆的底部安装有锥体形的锚固件，所述锚固件的底面与测试杆连接，尖端用于辅助测试杆插入海床内。

优选的，所述锚固件的母线面上设有多个倒钩状尖刺，所述尖刺用于限制测试杆在海床内的滑动。

进一步的，所述的测试杆选用钢化玻璃圆杆，钢化玻璃圆杆的一个端面嵌有传感器，另一个端面安装有锚固件。

本申请的第二发明目的是提供一种海上风机土体冲刷深度监测装置，采用以下技术方案：

包括上述的海上风机土体冲刷深度监测杆和数据处理模块，所述传输线路沿海上风机的数据线路将采集的数据传输到数据处理模块。

本申请的第三发明目的是提供基于上述监测装置的海上风机土体冲刷深度监测方法，采用以下技术方案：

包括以下步骤：

预先测定测试杆的自振频率与测试杆位于埋设面以上自由端长度的对应关系，建立自振频率-自由端长度的函数关系式；

将多个测试杆以锚固件尖端朝下分别插入不同测定点所在的海床中，控制插入深度使测试杆顶部与海床面平齐；

测试杆位于冲刷坑内的部分受到水流的激励而发生振动，振动中的加速度被传感器所采集；

传输线路沿现有的海上风机数据线路将采集的数据传输到陆地的数据处理模块；

数据处理模块将加速度数据处理后得到振动频率数据，并将数据代入自振频率-自由端长度的函数关系式，计算出此时测试杆位于冲刷坑内的长度；

得出此测定点处冲刷坑的深度。

进一步的，安装测试杆的具体过程为：

在测试杆的顶端加工螺纹，并对辅助钢管的内壁加工与测试杆相配合的螺纹；

将测试杆与辅助钢管通过螺纹同轴配合连接；

将测试杆和辅助钢管整体立直，使辅助钢管的锚固件尖端接触测定点的海床；

通过对辅助钢管远离测试杆的一端施加轴向推力，将测试杆逐渐压入海床中；

当测试杆顶面与海床面平齐时停止施加推力；

从测试杆上将辅助钢管拆除，完成测试杆的安装。

进一步的，所述的传输线路离开测试杆底端的部分铺设在埋设在海床面以下，最后从海面引出接入数据处理模块。

与现有技术相比，本申请具有的优点和积极效果是：

(1)设置插入海床中的测试杆，随着冲刷坑的深度裸露在冲刷坑内的测试杆自由端长度发生改变，从而自振频率发生改变，相较于其他测试方式，能够实时、精准获取冲刷坑的深度变化；

(2)将水流作为激振源，海上风机基础周围土体发生冲刷时，测试杆入土深度变小，材料的自振频率发生变化，根据材料自振频率反演土体冲刷深度；

(3)预先测定测试杆材料的自振频率与自由端长度的函数关系，埋设时将顶端与海床面平齐，在测定点实际获取测试杆的自由端的自振频率后，获取后进行函数关系的对应即可直接输出自由端长度，自由端长度即为冲刷坑的深度，以预先建立的函数关系为基础，结合现场测定数值进行对应，获取读数直接快速；

(4)能够根据监测时长和测定点的水流环境自由改变测试杆的长度，在需要进行长期监测时，适当增加测试杆的长度，避免因处于海床中的部分过短导致的锚固不稳定问题，从而避免了因锚固不稳定导致的振动数据不精确的问题，在进行短期监测时，适当缩短测试杆的长度，节省测试杆材料；

(5)将传输线路从上到下引出节段贴附在测试杆上，避免了由于水流流动造成传输线路的牵拉改变钢化玻璃振动频率的问题，从而提高了监测的精度；

(6)将传感器设置在测试杆的顶端，作为最顶部的部分会最早被暴露出来，从而在整个监测过程中能够始终保持处于自由端中，若传感器位于侧壁上只有在冲刷不断加深才能被暴露在冲刷坑内，作为自由端的一部分后才能进行监测，相较于设置在侧壁上，设置在顶端能够第一时间获取自振数据，且能够满足从浅到深的冲刷坑的监测；

(7)能够根据海上风机桩基径向方向合理布设多个监测装置，并根据不同测点的冲刷深度获取冲刷坑的形态及演化过程。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本申请实施例1的测试杆的整体结构示意图；

图2为本申请实施例1的测试杆的俯视图；

图3为本申请实施例1的锚固件的结构示意图；

图4为本申请实施例1的测试系统的整体结构示意图；

图5为本申请实施例2的测试杆的安装过程示意图。

其中：1、测试杆，2、传感器，3、传输线路，4、锚固件，5、海上风机，6、海平面，7、海床面，8、冲刷坑，9、数据处理模块，401、对接部，402、锥体部，403、尖刺。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术中所介绍的，现有技术实际工程中海上风机土体冲刷深度测量方法主要有测深杆、声呐等，但这些方法在实际工程中都存在一些局限性，如测深杆受海底地形、测量深度等因素影响；声呐等仪器易受环境扰动较大，噪音影响明显；这些方法的局限性体现在严重依赖人工、自动化不足，但是复杂恶劣的海洋环境不合适运维人员长期高频的野外作业，难以实现复杂海洋环境的海上风机土体冲刷深度的实时及快速监测，针对上述技术问题，本申请提出了一种海上风机土体冲刷深度监测杆、装置及监测方法。

实施例1

本申请的一种典型的实施方式中，如图1、图2、图3和图4所示，提出了一种海上风机土体冲刷深度的监测装置。

包括监测杆和数据处理模块9，通过传输线路3沿海上风机5的数据线路将检测杆采集的数据传输到数据处理模块；所述的监测杆包括设在海床内的测试杆1，所述测试杆的顶部与所埋设处的海床面7平齐，所述测试杆位于冲刷坑8内的部分会受到水流的激励而振动，所述测试杆的顶部安装有传感器2，用于采集测试杆的加速度数据。

在本实施例中，测试杆为实验室模型试验和数值计算已经测量标定好的高强度钢化玻璃杆，该钢化玻璃杆具有抗腐蚀、耐久性强特性；传感器选用适用于水下的光纤光栅加速度传感器，该传感器具有防水、适用于低频振动的特性；传输线路采用光纤，用于传输加速度传感器所采集的加速度信号；数据处理模块写入根据室内所建立的该材质钢化玻璃的自振频率与冲刷深度的函数关系所编写的程序，并设有数据初步处理部分，将现场所监测加速度振动信号通过傅里叶转换为振动信号，带入函数关系进行计算，最终反演出海上风机基础周围土体的冲刷深度；

能够根据监测时长和测定点的水流环境自由改变测试杆的长度，在需要进行长期监测时，适当增加测试杆的长度，避免因处于海床中的部分过短导致的锚固不稳定问题，从而避免了因锚固不稳定导致的振动数据不精确的问题，在进行短期监测时，适当缩短测试杆的长度，节省测试杆材料；优选的，在本实施例中，测试杆规格为直径为0.5m，长度为10m。

所述测试杆的底部安装有锥体形的锚固件4，所述锚固件的底面与测试杆连接，尖端用于辅助测试杆插入海床内，测试杆主要用于固定加速度传感器和接受水流激振产生加速度信号；锚固件为圆锥体形状，包括对接部401和椎体部402，对接部用于连接测试杆，其连接方式并不限定，选用螺纹配合、卡接等连接方式均可，锥体部的母线面设有多个倒钩状尖刺403，所述尖刺用于限制测试杆在海床内的滑动。

材料的自振频率只与材料本身有关，与外部环境没有关系，通过材料的振动频率变化，利用信号解析程序反演出材料的自由端长度，从而确定土体的冲刷深度；因此所述的测试杆需要在实验室内通过力学试验测量该材质钢化玻璃的密度、弹性模型和泊松比等参数，通过模型试验与数值计算标定该材质的自振频率与冲刷深度的对应关系；测试杆采用高强度钢化玻璃，具有防腐蚀、耐久性强，适用于较为恶劣的海洋环境。

将水流作为激振源，海上风机基础周围土体发生冲刷时，测试杆入土深度变小，材料的自振频率发生变化，根据材料自振频率反演土体冲刷深度。

预先测定测试杆材料的自振频率与自由端长度的函数关系，埋设时将顶端与海床面平齐，在测定点实际获取测试杆的自由端的自振频率后，获取后进行函数关系的对应即可直接输出自由端长度，自由端长度即为冲刷坑的深度。

所述的加速度传感器固定在钢化玻璃圆杆顶端，加速度传感器外侧做防水处理或直接嵌入在测试杆的端面中，用于隔离水流的侵蚀和直接冲击；加速度传感器的主要作用是是测量测试杆在水流激励下不同埋深条件下的加速度信号；入土深度发生变化时，钢化玻璃自振频率变化明显，选用低频传感器，能够敏感的感应到材料自振频率变化。

将传感器设置在测试杆的顶端，作为最顶部的部分会最早被暴露出来，从而在整个监测过程中能够始终保持处于自由端中，若传感器位于侧壁上只有在冲刷不断加深才能被暴露在冲刷坑内，作为自由端的一部分后才能进行监测，相较于设置在侧壁上，设置在顶端能够第一时间获取自振数据，且能够满足从浅到深的冲刷坑的监测。

所述的传输线路优选为光纤，光纤经过封装后具有精度高、防水、耐腐蚀特性，用于实时监测；传输线路一端连接杆端的加速度传感器，经由测试杆顶端沿测试杆向下并从测试杆的底端引出，贴附在测试杆的外圆周上，另一端连接着数据处理模块；光纤粘贴在钢化玻璃壁上，防止光纤在水下随水流来回摆动；将，避免了由于水流流动造成传输线路的牵拉改变钢化玻璃振动频率的问题，从而提高了监测的精度。

如图4所示，对于所述的海上风机，其主要工作部分位于海平面6以上，基础有一部分位于海床以下，作为桩基对整个海上风机进行支撑稳定；所述的冲刷坑位于基础的周围，随着水流的冲击不断加深，从而缩小了基础的入土深度。

所述监测装置操作简单、对安装场地没有特殊要求；只要布设在海上风机桩周围即可，不用区分海上风机基础水流上游、下游。

实施例2

本申请的另一典型实施例中，给出一种利用如实施例1监测装置的监测方法。

包括以下步骤：

预制一根钢化玻璃圆杆作为测试杆，在实验室内通过力学试验仪器测定该钢化玻璃的弹性模量、泊松比、密度等性质参数，计算建立该材质自振频率与自由端长度(在冲刷坑内受到水流激振的长度)的对应关系，从而拟合自振频率-自由端长度的函数关系式；

将加速度传感器、传输线路和锚固件对应安装在测试杆上；

将多个监测杆以锚固件尖端朝下分别插入不同测定点所在的海床中，控制插入深度使测试杆顶部与海床面平齐；

测试杆位于冲刷坑内的部分受到水流的激励而自振，振动中的加速度被传感器所采集；

传输线路沿现有的海上风机数据线路将采集的数据传输到陆地的数据处理模块；

数据处理模块将加速度数据处理后得到振动频率数据，并将数据代入自振频率-自由端长度的函数关系式，计算出此时测试杆位于冲刷坑内的长度；

得出此测定点处冲刷坑的深度。

进一步的，需要特别指出的是，如图5所示，安装测试杆的具体过程为：

在测试杆的顶端加工螺纹，并对辅助钢管的内壁加工与测试杆相配合的螺纹；将测试杆与辅助钢管通过螺纹同轴配合连接；

将测试杆和辅助钢管整体立直，使辅助钢管的锚固件尖端接触测定点的海床；通过对辅助钢管远离测试杆的一端施加轴向推力，将测试杆逐渐压入海床中；

当测试杆顶面与海床面平齐时停止施加推力；从测试杆上将辅助钢管拆除，完成测试杆的安装。

进一步的，所述的传输线路离开测试杆底端的部分铺设在埋设在海床面以下，最后从海面引出接入数据处理模块。

当然可以理解的是，所述的海上风机数据线路为建造海上风机时，用于传输风机相关的数据所建立的海底线路，通过将传输线路沿海上风机数据线路布置，能够利用现有的铺设管道和铺设路径，减少传输所占用的设施，并且埋设在海床面以下，能够避免水流的冲击干扰。

对于数据处理模块，为通用的处理器；利用MATLAB编程软件，编写信号转换程序，将加速度信号转换为振动信号，并利用模态分析法提取自振频率；将上述所拟合的自振频率-自由端长度的函数公式嵌入数据解析程序中，根据自振频率变化求解冲刷深度值。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种海上风机土体冲刷深度监测杆，其特征在于，包括设在海床内的测试杆，所述测试杆的顶部与所埋设处的海床面平齐，所述测试杆位于冲刷坑内的部分会受到水流的激励而振动，所述测试杆的顶部安装有传感器，用于采集测试杆的加速度数据。

2.如权利要求1所述的海上风机土体冲刷深度监测杆，其特征在于，所述传感器连接有传输线路，所述传输线路经由测试杆顶端沿测试杆向下并从测试杆的底端引出，所述传输线路贴附在测试杆的外圆周上。

3.如权利要求1所述的海上风机土体冲刷深度监测杆，所述测试杆的底部安装有锥体形的锚固件，所述锚固件的底面与测试杆连接，尖端用于辅助测试杆插入海床内；

优选的，所述锚固件的母线面上设有多个倒钩状尖刺，所述尖刺用于限制测试杆在海床内的滑动。

4.如权利要求3述的海上风机土体冲刷深度监测杆，其特征在于，所述的测试杆选用钢化玻璃圆杆，钢化玻璃圆杆的一个端面嵌有传感器，另一个端面安装有锚固件。

5.一种海上风机土体冲刷深度监测装置，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的海上风机土体冲刷深度监测杆。

6.如权利要求5所述的海上风机土体冲刷深度监测装置，还包括数据处理模块，所述传输线路沿海上风机的数据线路将采集的数据传输到数据处理模块。

7.基于权利要求6所述的监测装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：预先测定测试杆的自振频率与测试杆位于埋设面以上自由端长度的对应关系，建立自振频率-自由端长度的函数关系式；

将测试杆插入测定点所在的海床中，控制插入深度使测试杆顶部与海床面平齐；测试杆位于冲刷坑内的部分受到水流的激励而自振，振动中的加速度被传感器所采集；

传输线路沿现有的海上风机数据线路将采集的数据传输到陆地的数据处理模块；数据处理模块将加速度数据处理后得到振动频率数据，并将数据代入自振频率-自由端长度的函数关系式，计算出此时测试杆位于冲刷坑内的长度；

得出此测定点处冲刷坑的深度。

8.如权利要求7所述的监测方法，其特征在于，还包括，将多个测试杆以锚固件尖端朝下分别插入不同测定点所在的海床中。

9.如权利要求7所述的监测方法，其特征在于，安装测试杆的具体过程为：

在测试杆的顶端加工螺纹，并对辅助钢管的内壁加工与测试杆相配合的螺纹；

将测试杆与辅助钢管通过螺纹同轴配合连接；

将测试杆和辅助钢管整体立直，使辅助钢管的锚固件尖端接触测定点的海床；通过对辅助钢管远离测试杆的一端施加轴向推力，将测试杆逐渐压入海床中；当测试杆顶面与海床面平齐时停止施加推力；

从测试杆上将辅助钢管拆除，完成测试杆的安装。

10.如权利要求7所述的监测方法，其特征在于，所述的传输线路离开测试杆底端的部分铺设在埋设在海床面以下，最后从海面引出接入数据处理模块。