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DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2104-5640-5570
摘 要：在我国新能源大发展背景下，海上风电发展突飞猛进，吸力筒基础具有安装快速、便于拆装等优点，在海上风电建设中引入使用。本文以海上风电建设中吸力桶沉放为例，在桶基础沉放过程中，对桶基础内外压差、实时空间位置、贯入深度（速度）、倾斜度监测，并为吸力桶基础吊装等施工人员提供实时监测数据。采用高精度GPS、倾斜仪、测深仪、压力计和流量计组合进行风电吸力桶沉放过程数据实时监测。
关键词：海上风电 吸力桶基础 沉放 监测
中图分类号：TM614 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（a）-0033-03
Application of Suction Bucket Foundation Installation Monitoring Technology in Offshore Wind Power Construction
ZHAO Yang
（Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering Co.， Ltd.， Tianjin， 300456 China）
Abstract： Under the background of the great development of new energy in China， offshore wind power is developing rapidly. Suction tube foundation has the advantages of fast installation and easy disassembly， which is introduced into the construction of offshore wind power. In this paper， the suction bucket sinking in offshore wind power construction is taken as an example. In the process of bucket foundation sinking， the internal and external pressure difference， real-time spatial position， penetration depth （velocity） and inclination of the bucket foundation are monitored， and the real-time monitoring data are provided for the construction personnel of suction bucket foundation lifting. The combination of high-precision GPS， inclinometer， depth sounder， pressure gauge and flowmeter is used for real-time monitoring of wind power suction bucket sinking process data.
Key Words： Offshore wind power; Suction bucket foundation; Sinking; Monitoring
在我國新能源大发展背景下，海上风电发展突飞猛进，我国风电行业迎来了安装热潮。2020年，中国海上风电新增装机3.06GW，同时在中国沿海（包括台湾）有约5.12GW海上风电正在施工建设[1]。
吸力筒基础是近年发展起来适用于浅覆盖层海床地质的一种基础形式，凭借环境友好、安装快速、便于拆装等优点，2020年在国内海上风电领域投入使用，相对于传统的固定式桩基础安装作业，建设成本相对较低，安装时间短，应用范围广 ，具有广阔的应用前景。但海上风电基础需要克服来自风电机组和环境荷载25年的循环载荷作用，而且海上风电基础的平整度要求更高，因此施工过程中的沉放姿态监测、桶基础精准就位等多个阶段都离不开实时监测数据的支持[2]。本文从吸力筒基础安装监测参数、传感器选配集成、施工监测等方面入手，结合作业实践，探讨了吸力桶基础应用于海上风电安装过程中监测的方法。
1 风电吸力桶基础施工监测
1.1 吸力桶基础施工监测
1.1.1 吸力桶施工监测步骤
如图1所示，吸力桶基础施工监测步骤为：（1）沉放区域海底状况扫测，工区整平;（2）主施工船、驳船进场;（3）桶基础吊装及沉放安装监测;（4）安装后结果复测;（5）施工船舶转场。
1.1.2 吸力桶施工监测内容
吸力筒基础安装监测是本文主要研究部分，通过对该部分工作环节进一步细化，主要包括筒体憋气、筒底触泥、自沉入泥、抽水入泥、安装复核等环节[3]。
（1）筒体憋气。筒基础入水后通过GPS、全转仪实时监测导管架水平度、绝对位置、方位角，与设计位置偏差较大，则通过浮吊船移船或起落变幅进行调整。
（2）筒底触泥。通过测深仪监测筒入水深度判断筒底是否接触泥面，当筒底接触泥面时，甲板操作人员同时打开四个气管的阀门，筒内被压缩的气体将被快速释放，起重指挥人员控制吊钩配合下放，确保水平度满足要求[4]。 （3）自沉入泥。触泥后，吸力筒导管架通过自重下沉入泥。整个下沉过程中，采用倾斜仪实时监测导管架水平度，若水平度偏差过大，则适当通过不同起落不同钩头来调整水平度，直至导管架自沉停止。在下沉阶段，当筒体贯入到不同土层时，需要不同的贯入速度，因此需要对筒体贯入速度进行监测。
（4）吸力入泥。当自重无法保证吸力筒继续下沉时，筒基础上水泵开始抽水，产生吸力。吸力筒继续下沉，整个下沉过程与之前过程类似，测量设备实时监测导管架水平度，若水平度偏差过大，则通过控制水泵不同频率达到流量不同的目的以对水平度进行调整，直至基础下沉至设计标高。
（5）复核监测。吸力筒导管架基本安装到位后，对基础的水平度（含法兰水平度）、绝对位置、方位角及高程等数据的进行符合监测。
1.2 桶基础施工监测设备选配
根据对筒基础安装监测环节分析，筒基础在安装期间主要监测内容包括5个方面：筒内外压差、实时空间位置、贯入深度（速度）、倾斜度、周围土力学参数[5]。
实时空间地理位置采用能在海上获得高精度的GPS接收机，平台倾斜度采用高灵敏度的倾斜仪，贯入深度采用测深仪或高度计，筒内外压差采用压力传感器监测，同时采用流量计监测筒内抽水量，分析水头变化，在筒基础周边土体贯入孔压传感器等土力学监测设备，筒基础安装期间周围土层力学性质变化，使用全站仪获得了各传感器在吸力筒基础的安装位置。
1.3 桶基礎监测系统
对监测所涉及的传感器进行数据格式和通讯协议解析，位置传感器主要包括卫星定位系统、姿态仪、计程仪、测深仪等，主要用于提供吸力筒基础位置信息;施工环境传感器主要包括压力计、流量计、土孔压传感器等[6]，主要提供施工过程中周围环境的各种信息。采用C#编程语言和WPF界面引擎对软件系统进行了开发，通过施工局域网络构建，实现数据实时显示。
2 应用实例分析
本文结合某工程实践——吸力桶导管架安装监测工程，对吸力桶基础定位定向、姿态监测、筒内外压差、下沉深度、水泵排水量等实时监测，并对安装施工完成后，导管架的最终位置、艏向和平整度进行了检测。主要仪器包括8套压力传感器、5套流量计、4台测深仪、1台倾斜仪和1套卫星差分全球定位系统（DGPS）。本次监测吸力桶导管架中心的绝对位置允许偏差≤±200mm;高程允许偏差0～-500mm;调平后吸力桶导管架顶部法兰水平度偏差≤±3‰;吸力桶导管架整体方位角允许偏差≤±2.5°;安装结束后，须进行位置、水平度、法兰顶高程的复核。
作业中根据前期标定GPS位置与导管架中心及桩腿的相对位置关系，通过GPS获取位置信息可以推算出导管架中心位置即艏向。通过GPS及导管架姿态数据，实时计算导管架基础平台各点位高程值。使用筒外压力传感器，测量压力传感器至水面的距离;使用测深仪，实时测量测深仪至海底的距离。根据压力传感器、测深仪、吸力桶相对位置关系，推算该吸力筒处实时水深数据（见图2）。
根据每个吸力筒上测深仪实时测量得出吸力筒顶面距离海底距离，根据距离变化计算得出吸力筒下沉速度。通过筒内外压力传感器实时计算吸力筒内外压差。流量计负责计算抽水流量。在导管架沉放过程中，通过安装于导管架顶部姿态传感器实时测量导管架姿态值。
吸力筒基础安装后进行位置复测，吸力筒基础整体偏东南约0.18m，满足业主安装精度要求，吸力筒基础实际安装艏向误差小于±2.5°，符合设计精度要求;吸力筒基础法兰面实测1985高程比设计低0.08m，符合设计精度要求。
吸力筒基础安装后水平度复测，根据实际测量值，吸力筒基础法兰面最大值和最小值差为5mm，中心法兰外径6.5m，水平度为0.8‰，满足安装精度（小于±3‰）的要求。
3 结语
吸力筒在线监测技术，实现吸力筒基础安装过程中的各项监测参数实时数据显示，相对于传统的固定式桩基础安装作业工期，有效缩短海上风电基础安装时间，且部分传感器在筒基础安装结束后可进行拆除转移，实现了设备的多次重复利用。经实践检验，该技术对吸力桶基础沉放有较高的适用性，能为风电吸力桶基础施工提供图形及数字信息。
参考文献
[1] 郭新杰，黄炳南.海上风电钢管桩斜桩基础嵌岩施工技术[J].中国港湾建设，2020，40（8）：63-67.
[2] AhmadIshfaq（伊法）.吸力筒多筒基础优化设计数值模拟研究[D].南京：东南大学，2019.
[3] 全球首例：8MW风机采用吸力筒型基础结构[J].电力勘测设计，2017（2）：71.
[4] 高本金，郝军.吸力筒型基础海上拆除技术[J].中国港湾建设，2017，37（1）：50-53.
[5] 范荣山，张健.深水导管架在海上风电项目的施工方法探讨[J].水电与新能源，2020，34（9）：32-35.
[6] 王晓强.桩-筒组合基础水平承载机理及风机模态数值模拟研究[D].杭州：浙江工 业大学，2020.
摘 要：在我国新能源大发展背景下，海上风电发展突飞猛进，吸力筒基础具有安装快速、便于拆装等优点，在海上风电建设中引入使用。本文以海上风电建设中吸力桶沉放为例，在桶基础沉放过程中，对桶基础内外压差、实时空间位置、贯入深度（速度）、倾斜度监测，并为吸力桶基础吊装等施工人员提供实时监测数据。采用高精度GPS、倾斜仪、测深仪、压力计和流量计组合进行风电吸力桶沉放过程数据实时监测。
关键词：海上风电 吸力桶基础 沉放 监测
中图分类号：TM614 文献标识码：A文章编号：1674-098X（2021）05（a）-0033-03
Application of Suction Bucket Foundation Installation Monitoring Technology in Offshore Wind Power Construction
ZHAO Yang
（Tianjin Survey and Design Institute for Water Transport Engineering Co.， Ltd.， Tianjin， 300456 China）
Abstract： Under the background of the great development of new energy in China， offshore wind power is developing rapidly. Suction tube foundation has the advantages of fast installation and easy disassembly， which is introduced into the construction of offshore wind power. In this paper， the suction bucket sinking in offshore wind power construction is taken as an example. In the process of bucket foundation sinking， the internal and external pressure difference， real-time spatial position， penetration depth （velocity） and inclination of the bucket foundation are monitored， and the real-time monitoring data are provided for the construction personnel of suction bucket foundation lifting. The combination of high-precision GPS， inclinometer， depth sounder， pressure gauge and flowmeter is used for real-time monitoring of wind power suction bucket sinking process data.
Key Words： Offshore wind power; Suction bucket foundation; Sinking; Monitoring
在我國新能源大发展背景下，海上风电发展突飞猛进，我国风电行业迎来了安装热潮。2020年，中国海上风电新增装机3.06GW，同时在中国沿海（包括台湾）有约5.12GW海上风电正在施工建设[1]。
吸力筒基础是近年发展起来适用于浅覆盖层海床地质的一种基础形式，凭借环境友好、安装快速、便于拆装等优点，2020年在国内海上风电领域投入使用，相对于传统的固定式桩基础安装作业，建设成本相对较低，安装时间短，应用范围广 ，具有广阔的应用前景。但海上风电基础需要克服来自风电机组和环境荷载25年的循环载荷作用，而且海上风电基础的平整度要求更高，因此施工过程中的沉放姿态监测、桶基础精准就位等多个阶段都离不开实时监测数据的支持[2]。本文从吸力筒基础安装监测参数、传感器选配集成、施工监测等方面入手，结合作业实践，探讨了吸力桶基础应用于海上风电安装过程中监测的方法。
1 风电吸力桶基础施工监测
1.1 吸力桶基础施工监测
1.1.1 吸力桶施工监测步骤
如图1所示，吸力桶基础施工监测步骤为：（1）沉放区域海底状况扫测，工区整平;（2）主施工船、驳船进场;（3）桶基础吊装及沉放安装监测;（4）安装后结果复测;（5）施工船舶转场。
1.1.2 吸力桶施工监测内容
吸力筒基础安装监测是本文主要研究部分，通过对该部分工作环节进一步细化，主要包括筒体憋气、筒底触泥、自沉入泥、抽水入泥、安装复核等环节[3]。
（1）筒体憋气。筒基础入水后通过GPS、全转仪实时监测导管架水平度、绝对位置、方位角，与设计位置偏差较大，则通过浮吊船移船或起落变幅进行调整。
（2）筒底触泥。通过测深仪监测筒入水深度判断筒底是否接触泥面，当筒底接触泥面时，甲板操作人员同时打开四个气管的阀门，筒内被压缩的气体将被快速释放，起重指挥人员控制吊钩配合下放，确保水平度满足要求[4]。 （3）自沉入泥。触泥后，吸力筒导管架通过自重下沉入泥。整个下沉过程中，采用倾斜仪实时监测导管架水平度，若水平度偏差过大，则适当通过不同起落不同钩头来调整水平度，直至导管架自沉停止。在下沉阶段，当筒体贯入到不同土层时，需要不同的贯入速度，因此需要对筒体贯入速度进行监测。
（4）吸力入泥。当自重无法保证吸力筒继续下沉时，筒基础上水泵开始抽水，产生吸力。吸力筒继续下沉，整个下沉过程与之前过程类似，测量设备实时监测导管架水平度，若水平度偏差过大，则通过控制水泵不同频率达到流量不同的目的以对水平度进行调整，直至基础下沉至设计标高。
（5）复核监测。吸力筒导管架基本安装到位后，对基础的水平度（含法兰水平度）、绝对位置、方位角及高程等数据的进行符合监测。
1.2 桶基础施工监测设备选配
根据对筒基础安装监测环节分析，筒基础在安装期间主要监测内容包括5个方面：筒内外压差、实时空间位置、贯入深度（速度）、倾斜度、周围土力学参数[5]。
实时空间地理位置采用能在海上获得高精度的GPS接收机，平台倾斜度采用高灵敏度的倾斜仪，贯入深度采用测深仪或高度计，筒内外压差采用压力传感器监测，同时采用流量计监测筒内抽水量，分析水头变化，在筒基础周边土体贯入孔压传感器等土力学监测设备，筒基础安装期间周围土层力学性质变化，使用全站仪获得了各传感器在吸力筒基础的安装位置。
1.3 桶基礎监测系统
对监测所涉及的传感器进行数据格式和通讯协议解析，位置传感器主要包括卫星定位系统、姿态仪、计程仪、测深仪等，主要用于提供吸力筒基础位置信息;施工环境传感器主要包括压力计、流量计、土孔压传感器等[6]，主要提供施工过程中周围环境的各种信息。采用C#编程语言和WPF界面引擎对软件系统进行了开发，通过施工局域网络构建，实现数据实时显示。
2 应用实例分析
本文结合某工程实践——吸力桶导管架安装监测工程，对吸力桶基础定位定向、姿态监测、筒内外压差、下沉深度、水泵排水量等实时监测，并对安装施工完成后，导管架的最终位置、艏向和平整度进行了检测。主要仪器包括8套压力传感器、5套流量计、4台测深仪、1台倾斜仪和1套卫星差分全球定位系统（DGPS）。本次监测吸力桶导管架中心的绝对位置允许偏差≤±200mm;高程允许偏差0～-500mm;调平后吸力桶导管架顶部法兰水平度偏差≤±3‰;吸力桶导管架整体方位角允许偏差≤±2.5°;安装结束后，须进行位置、水平度、法兰顶高程的复核。
作业中根据前期标定GPS位置与导管架中心及桩腿的相对位置关系，通过GPS获取位置信息可以推算出导管架中心位置即艏向。通过GPS及导管架姿态数据，实时计算导管架基础平台各点位高程值。使用筒外压力传感器，测量压力传感器至水面的距离;使用测深仪，实时测量测深仪至海底的距离。根据压力传感器、测深仪、吸力桶相对位置关系，推算该吸力筒处实时水深数据（见图2）。
根据每个吸力筒上测深仪实时测量得出吸力筒顶面距离海底距离，根据距离变化计算得出吸力筒下沉速度。通过筒内外压力传感器实时计算吸力筒内外压差。流量计负责计算抽水流量。在导管架沉放过程中，通过安装于导管架顶部姿态传感器实时测量导管架姿态值。
吸力筒基础安装后进行位置复测，吸力筒基础整体偏东南约0.18m，满足业主安装精度要求，吸力筒基础实际安装艏向误差小于±2.5°，符合设计精度要求;吸力筒基础法兰面实测1985高程比设计低0.08m，符合设计精度要求。
吸力筒基础安装后水平度复测，根据实际测量值，吸力筒基础法兰面最大值和最小值差为5mm，中心法兰外径6.5m，水平度为0.8‰，满足安装精度（小于±3‰）的要求。
3 结语
吸力筒在线监测技术，实现吸力筒基础安装过程中的各项监测参数实时数据显示，相对于传统的固定式桩基础安装作业工期，有效缩短海上风电基础安装时间，且部分传感器在筒基础安装结束后可进行拆除转移，实现了设备的多次重复利用。经实践检验，该技术对吸力桶基础沉放有较高的适用性，能为风电吸力桶基础施工提供图形及数字信息。
参考文献
[1] 郭新杰，黄炳南.海上风电钢管桩斜桩基础嵌岩施工技术[J].中国港湾建设，2020，40（8）：63-67.
[2] AhmadIshfaq（伊法）.吸力筒多筒基础优化设计数值模拟研究[D].南京：东南大学，2019.
[3] 全球首例：8MW风机采用吸力筒型基础结构[J].电力勘测设计，2017（2）：71.
[4] 高本金，郝军.吸力筒型基础海上拆除技术[J].中国港湾建设，2017，37（1）：50-53.
[5] 范荣山，张健.深水导管架在海上风电项目的施工方法探讨[J].水电与新能源，2020，34（9）：32-35.
[6] 王晓强.桩-筒组合基础水平承载机理及风机模态数值模拟研究[D].杭州：浙江工 业大学，2020.