导管架脚靴与钢管桩之间竖向错动位移监测及成果分析
戚建功李大营

国家电投集团江苏海上风力发电有限公司,江苏盐城 224000

摘要：对于海上升压站脚靴式导管架基础，桩和套筒间的灌浆强度对基础的稳定性至关重要，但受到空间和施工工序的影响，没有较为有效的手段直接对灌浆体进行相关强度、密实度等性能进行监测。为了解该部位的稳定性，在某风电场海上升压站脚靴式导管架基础上采用测缝计监测桩和套筒之间竖向错动位移的方式，间接分析灌浆体的强度，结果表明桩与套筒之间无明显错动位移，验证了脚靴式导管架基础结构的稳定性，为该种基础结构形式进一步扩大应用奠定了基础，同时也为其他脚靴式导管架稳定性监测提供参考与借鉴。

关键词：脚靴式导管架；竖向错动位移；测缝计

中图分类号：TU

1 概述

近几年，我国海上风电发展迅猛，截止2021年8月，国内已建成60余座海上升压站，所采用的基础型式主要有单桩式基础^[1]、四桩导管架基础^[2]、多桩混凝土承台基础^[3]以及四桩脚靴式导管架基础^[4]型式等几类，其中脚靴式导管架基础具有适用施工难度小、适用水深更深、更具经济性等优点，已在江苏、福建、广东、山东、辽宁等区域的海上风电项目海上升压站设计中均有较为广泛的应用，诸如：国家电投滨海南区H3#300MW海上风电项目、三峡长乐外海海上风电场A区项目、国家电投揭阳神泉一300MW海上风电项目、国家电投山东半岛南3号海上风电项目以及华能大连市庄河海上风电场址Ⅳ(350MW)项目等海上风电项目。与传统四桩导管架基础相比，脚靴式导管架基础的区别主要在于导管架底部有四个脚靴，钢管桩从脚靴中部插入并打桩至设计标高，脚靴与钢管桩之间采用水下灌浆进行连接，升压站上部组块的荷载通过导管架传递至脚靴，再通过脚靴与钢管桩之间的灌浆体传递至钢管桩。由于存在水下灌浆的质量控制和检查较为困难，脚靴与钢管桩之间的间隙狭小不便于直接安装监测传感器等问题，为验证脚靴与钢管桩之间的连接强度满足设计要求，在某风电场海上升压站导管架脚靴与钢管桩之间采用安装测缝计的方式，以通过监测脚靴与钢管桩之间的竖向错动位移来判断灌浆体的连接强度，该监测手段为国内首创，为今后工程实践具有一定的借鉴意义。

图1 脚靴式导管架结构示意图^[5]

图2 脚靴式导管架照片

2 测缝计的原理、选型与安装

2.1 测缝计的工作原理

测缝计根据其工作原理可分为差阻式、振弦式、电容式、电位器式以及差阻变压器式等五大类，其中，振弦式测缝计具有抗干扰、耐腐蚀、耐久性好、精度高等特点，在水利水电工程中应用较为广泛。

振弦式测缝计主要由钢弦、受力弹簧、拉杆、线圈等组成^[6]。测缝计的两端随结构物的位移或接缝的开合产生相对位移，该位移通过受力弹簧传递给钢弦，引起钢弦应力变化，从而改变钢弦的固有频率。测量仪表输出的脉冲信号通过线圈激振钢弦并检测出线圈所感应信号的频率，经换算即可得到被测结构物相对位移的变化量，其基本原理及结构示意如图3所示：

图3 振弦式测缝计原理及结构示意图^[6]

安装在导管架脚靴部位的测缝计两端均是固定在钢结构上，因此，温度变化所引起的测值变化可以忽略，即测值可以不考虑温度修正，则测缝计所测的变形量L与输出的频率模数ΔF具有如下的线性关系^[7]：

L=k×ΔF (1)

ΔF=F-F0 (2)

上式中：L为测缝计的测量值，mm；k为测缝计的测量灵敏度，mm/kHz²；ΔF为测缝计实时输出的频率模数相对于基准值的变化量，kHz²；F为测缝计实时输出的频率模数，kHz²；F0为安装完成时初始输出的频率模数，kHz²。

2.2 测缝计的选型

为满足现场监测需求并结合现场安装的水深环境，测缝计在选型时需主要从量程、精度和耐水压等三方面进行考虑。量程，量程是指传感器能够监测到的最大位移范围。根据实际需求确定脚靴与钢管桩之间竖向错动位移的预估范围，并选择具有适当量程覆盖该范围内位移值的测缝计。精度，精度是指测缝计输出值与实际位移之间的误差。在本研究中，选择了具有高精度的测缝计，以确保能够准确监测到脚靴与钢管桩之间竖向错动位移的微小变化。耐水压，由于脚靴式导管架基础安装在海底环境中，需要选择具有足够耐水压能力的测缝计。根据实际水深情况确定所需耐水压等级，并选择相应型号的测缝计。

最终所选择的传感器为水利部南京水利水文自动化研究所研发的SXF-100型测缝计，其量程为100mm，精度为±0.1%F.S，耐水压0.5MPa，可满足水深50m以内的安装环境。

图4 振弦式测缝计外观示意图

2.3 测缝计的安装

测缝计的正确安装是确保监测数据准确可靠的关键步骤。在脚靴式导管架基础中，由于脚靴式导管架的施工工序为先安放导管架，再将钢管桩插入导管架脚靴并打桩至设计高程后将脚靴与钢管桩之间的空隙回填灌浆，因此不能提前在脚靴和钢管桩上预先焊接传感器安装所需要的生根件，也无法在导管架建造期间预先进行传感器的安装，而必须等待导管架施工完毕后再进行水下安装。为此，根据脚靴和钢管桩的设计尺寸，研制了一种特殊的测缝计安装夹具，采用螺栓连接固定于脚靴和钢管桩之间，避免了水下焊接带来的诸多不便。

图5 测缝计安装结构示意图

测缝计的安装步骤如下：

(1)安装前准备。在导管架制作期间，首先需要预先埋设和保护好测缝计信号传输线缆，并将其牵引至导管架基础顶部，以便后期连接到自动化监测系统。此外，在进行实际安装之前，还需获取钢管桩和导管架的实际高程，并分析钢管桩桩顶高程与导管架脚靴顶高程之间的高差。

(2)待导管架施工完毕后，获取钢管桩和导管架的实际高程，分析钢管桩桩顶高程与导管架脚靴顶高程的高差，根据高差及桩壁与脚靴之间的间距等几何尺寸进行安装夹具设计与定制。测缝计的安装夹具主要包括可移动安装的上部夹具、下部夹具以及连接螺栓等部件。其中上部夹具由两块弧形钢板组成，竖截面为圆弧形，夹持在上部组块导管架管壁外端；下部夹具同样由两块弧形钢板组成，竖截面为圆弧形，夹持在钢管桩管壁外端；在上、下夹具内侧弧形钢板焊接角钢，并在角钢适当部位设置安装孔用于安装测缝计。

(3)安装技术交底与预演练。在进行实际安装之前，需要组织潜水作业人员进行安装技术交底和传感器安装的预演练。这包括对整个安装过程进行详细说明和示范，并确保潜水作业人员熟悉操作步骤和注意事项。同时还需做好船机和设备物资的准备工作。

(4)潜水作业人员下水进行安装位置的确认，并清理安装部位的附着海生物，随后进行夹具的组装和测缝计的安装。为确保测缝计能够监测到相对位移的正负变化量，需要在安装时进行一定程度的预拉。同时，在导管架顶部设置专人负责传感器数据的实时读取，以确保传感器被正确地预拉到位。

(5)测缝计安装完毕后，对夹具所有紧固螺栓进行一次复紧固，确保传感器安装结构的稳固。

(6)电缆接入与在线监测。完成测缝计的安装后，将传感器电缆接入自动化数据采集模块，并进行在线监测。这样可以实时获取并记录脚靴与钢管桩之间竖向错动位移的变化情况。

3 监测数据分析

某风电项目海上升压站脚靴式导管架在其脚靴与钢管桩之间共布置有4支测缝计，每个脚靴布置有1支，对应的测缝计编号分别为J1～J4。现场于2020年10月15日完成安装水下安装工作，并接入自动化系统进行在线监测。目前，经过近10个月的运行，4支测缝计测值过程线如图6～图8所示。

图6 测缝计J1测值过程线图

图7 测缝计J2测值过程线图

图8 测缝计J3测值过程线图

图9 测缝计J4测值过程线图

从4支测缝计的监测数据来看：

(1)脚靴与钢管桩之间的竖向错动位移总体上在±0.5mm之间变化，位移变化较小。

(2)由于受到测缝计精度（±0.1mm）及海底涌浪、潮汐、波浪等外部环境的影响，测值有一定的波动。

此外，为监测结构的稳定性，在该升压站上部组块的四个主立柱上布置有静力水准仪以监测导管架基础不均匀沉降变化情况，静力水准仪的测值过程线如图10所示：

图10 静力水准仪测值过程线图

结合静力水准仪和测缝计的监测数据，可以判断导管架脚靴与钢管桩之间的灌浆体强度满足设计要求，未发生破坏。

4 未来发展方向

尽管本研究对海上升压站脚靴式导管架基础进行了竖向错动位移监测，并验证了其结构稳定性，但仍有一些潜在的改进和发展方向值得探索。下面提出几点建议供参考：

4.1 灌浆质量控制技术的优化

目前，在海底环境中进行灌浆质量控制和检查仍然存在一定困难。因此，需要进一步研究和开发更先进、更可靠的灌浆质量控制技术。例如，可以考虑引入无损检测技术，如超声波或电磁波检测方法，以实时监测灌浆体的强度、密实度等性能指标。

4.2 监测系统智能化与自动化

当前，在线监测系统已经应用于海上升压站脚靴式导管架基础中，并取得了良好效果。然而，为了进一步提高监测的准确性和效率，可以考虑将监测系统智能化与自动化。通过引入人工智能、大数据分析等技术，可以实现对监测数据的实时处理、异常报警和预测分析，从而更好地保障结构的安全稳定运行。

4.3 结构优化设计

尽管脚靴式导管架基础已经在海上风电项目中得到广泛应用，并展示了其施工难度小、适用水深更深、经济性等优点，但仍有改进空间。未来的研究可以探索如何进一步优化该结构的设计，以提高其承载能力和抗风荷载能力。例如，可以通过改变脚靴形状或增加支撑件来增强结构的稳定性和刚度。

4.4 多参数综合监测

除了竖向错动位移之外，还有许多其他参数可能对脚靴式导管架基础的稳定性产生影响。因此，在今后的研究中可以考虑引入多参数综合监测方法。例如，可以同时监测水平位移、倾斜角度、应力变化等参数，并将这些数据与竖向错动位移数据进行综合分析，以全面评估结构的稳定性和安全性。

5 结语

目前，国内尚无针对脚靴式导管架基础灌浆连接段监测方法的研究，本文通过设计套用于监测导管架脚靴与钢管桩之间竖向错动位移的测缝计安装结构，并成功应用于江苏某风电场海上升压站脚靴式导管架基础，经过近一年的在线实时监测，得出如下结论和建议：

（1）桩靴式导管架结构受力稳定，该种结构型式具备进一步扩大应用的条件，尤其是近年来海上风电抢装潮形势下，可充分发挥其施工难度小、适用水深更深、更具经济性等优点。

(2)针对脚靴式导管架灌浆体所设计的测缝计安装方式具有安装简便，避免水下焊接作业的特点，具有较好的工程应用效果。

(3)在做好脚靴与钢管桩之间灌浆质量控制的情况下，脚靴式导管架灌浆连接段的受力可满足设计要求。

(4)在今后工程项目实践应用中，可选择小量程、高精度的测缝计，并加装扰流保护结构，以提高监测精度和稳定性。

参考文献

[1]王淼,吴云青,苏萌,赵婧.单桩式基础应用于我国海上风电的可行性探讨[J],2013,34(4):63-66.

[2]崇高.海上风电多桩导管架式基础导管架优化[J],科技风,2017,(1):128-129.

[3]周茂强,陈前,陈金钟.海上升压站平移安装过程中高桩承台基础稳定性数值分析[J],水力发电,2021,47(6):112-114.

[4]王永发,孙震洲,汤群益,陈杰峰.脚靴式海上升压站灌浆连接段强度分析研究[J],海洋工程,2020,38(5):107-115.

[5]赵生校,周永,戚海峰,王淡善,等.用于海上升压站的脚靴式导管架结构[P],中国专利:CN201621304165.9,2017-7-4.

[6]DL/T1043-2007,钢弦式测缝计[S],北京:中国电力出版社,2007.

[7]GB/T3410.2-2008,大坝监测仪器测缝计第2部分:振弦式测缝计[S],北京:中国标准出版社,2008.

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