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摘要：本文作者结合实际工作经验，对风机不均匀沉降测量进行了分析探讨，供同行参考。
关键词：风机；不均匀沉降；测量；探讨
中图分类号：TS737+.1文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
1.背景
近年来,随着能源需求持续增长、全球气候变暖和环境污染不断加重,人们把目光逐渐聚集到可替代的可再生能源-风能上。风电场的建设逐渐遍布全国地区,从草原风力发展到海上风能的利用，可见风电已逐渐走上成熟之路。截止2008年8月，中国风电装机总量已经达到700万千瓦，占中国发电总装机容量的1%，位居世界第五。2008年以来，国内风电建设的热潮达到了白热化的程度。中国风力发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展。
2.目的
风力发电机（以下简称风机）基础的施工是风机的关键之处，对整个风机的是否屹立不倒起决定作用，因而风机基础混凝土浇筑施工完成后的沉降观测便显得尤为重要。
风机属于高耸建筑物( 1.5MW风机轮毂高度在60 m 以上), 轻微的地基不均匀沉降, 将使风机产生较大的水平偏差, 在机舱、叶片风力等荷载作用下,使原先在水平方向未能保持平整度的风机更加倾斜, 给风电机组吊装及运行带来了较大的安全隐患。由于风机具有对基础不均匀沉降的较强敏感性, 对基础是否产生不均匀沉降，是否符合设计要求观测分析，便是评定定工程质量是否合格不可缺少的一部分。
目前普遍对风机沉降观测的方法是：布设基准点和风机基础观测点，将基准点和观测点联测。按照《建筑变形测量规范》 JGJB-2007第4.2.3条规定，每台风机埋设基准点不少于3个，每台风机基础均匀布设四个观测点；基准点的埋设也有要求：基准点的标石埋在基岩层或原状土层中，在基岩壁上也可埋设墙上水准标志。相邻两台风机由于距离和空间因素也不存在共用基准点，因此需要布设的基准点就是风机数量的3倍。
基准点的埋设存在以下三方面的问题：
①土地资源的占用。近年来国家注重对土地资源的保护和合理利用，风电公司对所在风场土地的征用主要是风机所在地块和风场内风机联通的道路。风机所在地块征用的是风机基础外围约1米；道路也是尽可能的利用已有的道路。按照规范埋设基准点就需要大量占用土地资源。
②埋设成本较大。按照规范要求基准点的标石需要埋在基岩层或原状土层中，一般约为距地面2米左右。基本需要动用挖掘机械，埋设基准点的成本甚至能占整个测量项目的五成以上。这对风力部门和测绘部门都是一笔不小的开支。
③基准点稳固性的不确定。每次对风机监测点观测前需要对风机基准点联测，基准点之间相对高差可能发生变化，风场所在区域较偏僻，没有稳固的水准点，只能得出基准点间相对沉降的快慢，并不能确定其中稳固的基准点。
基于以上方面的考虑，某风电公司的专家组结合其专业经验提出了一种全新的监测风机方法：不统计风机基础的绝对沉降，而仅考虑其不均匀沉降。该风电公司联合我院对其内蒙古某风场已运行数月100台风机进行不均匀沉降（即倾斜）观测。就采取仅布设观测点的方法进行测量，看能否对风机运行的安全性予以评估。
3.观测规范及要求
3.1 观测依据
水准仪和水准标尺的检验标准依照《建筑变形测量规范》 JGJB-2007 4.4.3。
水准观测作业依照《建筑变形测量规范》 JGJB-2007，《国家一二等水准测量规范》GB/T12897-2006，《工程测量规范》 GB50026-1993 要求操作。
3.2 观测要求
3.2.1观测时间和密度
第一年进行四次观测，间隔3个月观测一次。
第二年进行二次观测，间隔6个月观测一次。
第三年进行二次观测，间隔6个月观测一次。
3.2.2 观测方案
每台风机进行单独的观测，以图1中的顺序命名每台风机四个观测点，以1#观测点作为高程起算点，为保证成果的精确性，初次观测往返较差检核测量数据。
3.2.3成果精度要求
相邻观测点的中误差≤0.5mm。
水准环线闭合差≤0.3mm。（n为测站数）
检测已测高差较差≤0.4mm。（n为测站数）
由于风机相邻两观测点距离不足10米，从1#至4#仅需4站就可完成闭合水准环。但是相邻两点都是一站上点，按要求需要加入标尺零点差改正，虽然此风场测量中，对标尺零点差取精确至0.1mm，多次测量，其值为0。但后期仍应检核标尺零点差。对观测值和沉降差数据取位精确到0.1mm。
4.确保精度和提高效率的几点方法
风电场的自然条件较为恶劣，大风日较多，而且经常伴有细粒土砂。夏季阳光辐射强度大，地表温度高。为提高测量精度，确保测量成果的准确性，结合实际情况总结以下几点方法：①观测点的保护。观测点不仅受到风沙雨水的影響，还可能受到人为破坏，观测点的完好与否直接决定着观测成果的准确性。因此观测点采用不易腐蚀的白钢材质，还应有简单的保护措施，防止人为破坏。②水准仪的架设。风电场位于风力资源地区，大部分时间风速较大，降低水准仪架设高度，仪避免标尺分划线的成像跳动；当太阳辐射强度大，地表温度高时为减弱热效应的影响，应尽量提升水准仪的架设高度。③立水准尺。测区位于内蒙古草原上，观测点表面容易附着细小土砂粒，立尺前应擦拭观测点表面与尺底，保证观测点与尺底干净接触。④水准仪的设置。观测使用的是徕卡DNA03电子水准仪，其限差设置依照《建筑变形测量规范》 JGJB-2007 4.4.2二级要求设置，为减少含有粗差的观测数据，对同一尺面两次读数差（B-B/F-F）要设置限差。按照规范，风力影响较大时不能观测，但是风场内大部分时间内风速较大，受风力影响，成像跳动，造成同一尺两次读数出现较大差值，当差值造成测站高差之差超限，仪器提示剔除了超限数据；但某些时候肉眼无法判断成像跳动如：B1=1.1113，B2=1.1121, F1=0.9991，F2=0.9993，StatDiff=0.6mm,测站高差之差并未超限，但是相邻两点可能出现0.3mm的误差，在数据处理分析过程中，对出现误差的风机只能重新观测，影响工作效率。将两次读数差设为0.3mm，在观测过程中仪器就会提示出现错误数据。对含有粗差的数据应尽可能通过仪器限差设置在测量过程中淘汰。⑤数据的平差处理是将闭合差强制分配在每一站，按照1-2-3-4-1的顺序观测，4号监测点平差前后高差为闭合差的3/4,为提高测量成果精度，将闭合差控制在0.6mm内。
5.观测成果处理分析
5.1观测成果处理
四个观测点，对观测数据含有粗差的数据剔除重测，以1#点作为高程起算点，为方便计算，定为10米，采用清华三维软件对测量数据平差，计算出其他各点的高程。以初次测量所得的四个高程值构制一个虚拟水准面，以后每次测量都与第一次测量所得的高程值比较，可得到初次测量至当前测量时段内，四个点的相对累计沉降量；而相邻两次测量高程值的比较，可得到相邻两次测量间隔时间内，四个点的相对累计沉降量。以观测数据为例：
表1
第二次观测时，1#观测点存在一个未测出的沉降量△m，对应的2#，3#，4#观测点的高程值应为10.0092-△，10.0172-△，9.9961-△。相应的累计沉降量见表2
表2
其中a为第三次1#观测点未测出的沉降量与△差值，b为1#点第三次与第二次未测出的沉降量差值。表三可以看出测量时，各个观测点所在方向的风机基础面沉降快慢，其值为证，表示较1#点所在面快；其值为0，表示与1#点所在面同步；其值为负，表示较1#点所在面慢。可以算出风机038在第二次测量时其在倾斜方向1#，3#上沉降差为0.0019m。 在第三次测量时其在倾斜方向1#，3#上沉降差为0.0021.而在第二次，第三次测量间隔内，其沉降差为0.0003m。
5.2观测成果分析
对本风电场的100台风机基础按相关工序节点进行观测，已观测六次，基于现有数据进行统计分析，可得以下数值，第二次观测时，风机基础倾斜方向上最大沉降差为0.0023m，最小沉降差为0.0009m；第三次观测时，风机基础倾斜方向上最大沉降差为0.0022m，最小沉降差为0.0011m；第四次观测时，风机基础倾斜方向上最大沉降差为0.0038m，最小沉降差为0.0011m；第五次观测时，风機基础倾斜方向上最大沉降差为0.0032m,最小沉降差为0.0007m；第六次观测时，风机基础倾斜方向上最大沉降差为0.0019m，最小沉降差为0.0004m。
风机044各阶段倾斜值绘成图2，其倾斜值计算按照公式：
公式1
，为基础倾斜方向上a，b两点的沉降量，即沉降差。L为a,b两点间距离，其单位都为mm。其各阶段的沉降差为：2.3mm，2.2mm,0.4mm,0.5mm,0.5mm。L=6000mm。其他风机基础也都依照此方法计算。自第四次测量后，各风机的沉降差变化不大，风机基础也趋于稳定。
《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011第5.3.4条规定，自室外地面起算的建筑物高度≤100m,高耸结构基础的倾斜允许值为0.005。100台风机在六次观测中，最大倾斜值=3.8/6000=0.0006,也就是说此风场自初次观测之日起，所有风机的倾斜值均符合《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011第5.3.4条规定。
5.3现的问题
在观测中，有一台风机的最大沉降差在第六次出现了异常，其最大沉降差从第二次到第八次分别为：0.6,0.8,0.4，0.5,14.2,14.4,14.8。虽然最大倾斜值满足规范要求，但是由于监测点裸露在风机基础上，没有保护装置，无法避免人为破坏，无法确定是风机基础倾斜，还是由于外力作用，造成监测点下降约14mm。
6.结论
对大量的风力发电机，在不考虑其绝对沉降量的情况下，依靠风机基础的四个观测点，能够观测风机的倾斜值。通过对此风场的测量，我们可以看出不埋设基准点，对风机单独布设四个观测点也能对风机进行不均匀沉降观测，测定风机的倾斜值。其精度取决于水准测量的等级，与是否埋设基准点无关。
但是这种测量方法，仅能观测风机的倾斜值，对风机的绝对沉降量无法获得。目前普遍做法是测出某台风机在100天内的沉降速率（此风机的四个测点平均值）结合当地土质在0.01-0.04mm/d内，认为此风机的沉降进入稳定阶段。而单纯的不均匀沉降观测无法提供这方面的参考数据，仅依靠不均匀沉降观测对风机的安全运行能否评定还需要探讨。
风机发电机基础是新型设备基础，对风机的沉降测量还处于摸索阶段，相关的理论和规范还不成熟。希望广大的测绘同仁不吝指导，提出建议。
关键词：风机；不均匀沉降；测量；探讨
中图分类号：TS737+.1文献标识码：A文章编号：2095-2104（2012）
1.背景
近年来,随着能源需求持续增长、全球气候变暖和环境污染不断加重,人们把目光逐渐聚集到可替代的可再生能源-风能上。风电场的建设逐渐遍布全国地区,从草原风力发展到海上风能的利用，可见风电已逐渐走上成熟之路。截止2008年8月，中国风电装机总量已经达到700万千瓦，占中国发电总装机容量的1%，位居世界第五。2008年以来，国内风电建设的热潮达到了白热化的程度。中国风力发电行业的发展前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展。
2.目的
风力发电机（以下简称风机）基础的施工是风机的关键之处，对整个风机的是否屹立不倒起决定作用，因而风机基础混凝土浇筑施工完成后的沉降观测便显得尤为重要。
风机属于高耸建筑物( 1.5MW风机轮毂高度在60 m 以上), 轻微的地基不均匀沉降, 将使风机产生较大的水平偏差, 在机舱、叶片风力等荷载作用下,使原先在水平方向未能保持平整度的风机更加倾斜, 给风电机组吊装及运行带来了较大的安全隐患。由于风机具有对基础不均匀沉降的较强敏感性, 对基础是否产生不均匀沉降，是否符合设计要求观测分析，便是评定定工程质量是否合格不可缺少的一部分。
目前普遍对风机沉降观测的方法是：布设基准点和风机基础观测点，将基准点和观测点联测。按照《建筑变形测量规范》 JGJB-2007第4.2.3条规定，每台风机埋设基准点不少于3个，每台风机基础均匀布设四个观测点；基准点的埋设也有要求：基准点的标石埋在基岩层或原状土层中，在基岩壁上也可埋设墙上水准标志。相邻两台风机由于距离和空间因素也不存在共用基准点，因此需要布设的基准点就是风机数量的3倍。
基准点的埋设存在以下三方面的问题：
①土地资源的占用。近年来国家注重对土地资源的保护和合理利用，风电公司对所在风场土地的征用主要是风机所在地块和风场内风机联通的道路。风机所在地块征用的是风机基础外围约1米；道路也是尽可能的利用已有的道路。按照规范埋设基准点就需要大量占用土地资源。
②埋设成本较大。按照规范要求基准点的标石需要埋在基岩层或原状土层中，一般约为距地面2米左右。基本需要动用挖掘机械，埋设基准点的成本甚至能占整个测量项目的五成以上。这对风力部门和测绘部门都是一笔不小的开支。
③基准点稳固性的不确定。每次对风机监测点观测前需要对风机基准点联测，基准点之间相对高差可能发生变化，风场所在区域较偏僻，没有稳固的水准点，只能得出基准点间相对沉降的快慢，并不能确定其中稳固的基准点。
基于以上方面的考虑，某风电公司的专家组结合其专业经验提出了一种全新的监测风机方法：不统计风机基础的绝对沉降，而仅考虑其不均匀沉降。该风电公司联合我院对其内蒙古某风场已运行数月100台风机进行不均匀沉降（即倾斜）观测。就采取仅布设观测点的方法进行测量，看能否对风机运行的安全性予以评估。
3.观测规范及要求
3.1 观测依据
水准仪和水准标尺的检验标准依照《建筑变形测量规范》 JGJB-2007 4.4.3。
水准观测作业依照《建筑变形测量规范》 JGJB-2007，《国家一二等水准测量规范》GB/T12897-2006，《工程测量规范》 GB50026-1993 要求操作。
3.2 观测要求
3.2.1观测时间和密度
第一年进行四次观测，间隔3个月观测一次。
第二年进行二次观测，间隔6个月观测一次。
第三年进行二次观测，间隔6个月观测一次。
3.2.2 观测方案
每台风机进行单独的观测，以图1中的顺序命名每台风机四个观测点，以1#观测点作为高程起算点，为保证成果的精确性，初次观测往返较差检核测量数据。
3.2.3成果精度要求
相邻观测点的中误差≤0.5mm。
水准环线闭合差≤0.3mm。（n为测站数）
检测已测高差较差≤0.4mm。（n为测站数）
由于风机相邻两观测点距离不足10米，从1#至4#仅需4站就可完成闭合水准环。但是相邻两点都是一站上点，按要求需要加入标尺零点差改正，虽然此风场测量中，对标尺零点差取精确至0.1mm，多次测量，其值为0。但后期仍应检核标尺零点差。对观测值和沉降差数据取位精确到0.1mm。
4.确保精度和提高效率的几点方法
风电场的自然条件较为恶劣，大风日较多，而且经常伴有细粒土砂。夏季阳光辐射强度大，地表温度高。为提高测量精度，确保测量成果的准确性，结合实际情况总结以下几点方法：①观测点的保护。观测点不仅受到风沙雨水的影響，还可能受到人为破坏，观测点的完好与否直接决定着观测成果的准确性。因此观测点采用不易腐蚀的白钢材质，还应有简单的保护措施，防止人为破坏。②水准仪的架设。风电场位于风力资源地区，大部分时间风速较大，降低水准仪架设高度，仪避免标尺分划线的成像跳动；当太阳辐射强度大，地表温度高时为减弱热效应的影响，应尽量提升水准仪的架设高度。③立水准尺。测区位于内蒙古草原上，观测点表面容易附着细小土砂粒，立尺前应擦拭观测点表面与尺底，保证观测点与尺底干净接触。④水准仪的设置。观测使用的是徕卡DNA03电子水准仪，其限差设置依照《建筑变形测量规范》 JGJB-2007 4.4.2二级要求设置，为减少含有粗差的观测数据，对同一尺面两次读数差（B-B/F-F）要设置限差。按照规范，风力影响较大时不能观测，但是风场内大部分时间内风速较大，受风力影响，成像跳动，造成同一尺两次读数出现较大差值，当差值造成测站高差之差超限，仪器提示剔除了超限数据；但某些时候肉眼无法判断成像跳动如：B1=1.1113，B2=1.1121, F1=0.9991，F2=0.9993，StatDiff=0.6mm,测站高差之差并未超限，但是相邻两点可能出现0.3mm的误差，在数据处理分析过程中，对出现误差的风机只能重新观测，影响工作效率。将两次读数差设为0.3mm，在观测过程中仪器就会提示出现错误数据。对含有粗差的数据应尽可能通过仪器限差设置在测量过程中淘汰。⑤数据的平差处理是将闭合差强制分配在每一站，按照1-2-3-4-1的顺序观测，4号监测点平差前后高差为闭合差的3/4,为提高测量成果精度，将闭合差控制在0.6mm内。
5.观测成果处理分析
5.1观测成果处理
四个观测点，对观测数据含有粗差的数据剔除重测，以1#点作为高程起算点，为方便计算，定为10米，采用清华三维软件对测量数据平差，计算出其他各点的高程。以初次测量所得的四个高程值构制一个虚拟水准面，以后每次测量都与第一次测量所得的高程值比较，可得到初次测量至当前测量时段内，四个点的相对累计沉降量；而相邻两次测量高程值的比较，可得到相邻两次测量间隔时间内，四个点的相对累计沉降量。以观测数据为例：
表1
第二次观测时，1#观测点存在一个未测出的沉降量△m，对应的2#，3#，4#观测点的高程值应为10.0092-△，10.0172-△，9.9961-△。相应的累计沉降量见表2
表2
其中a为第三次1#观测点未测出的沉降量与△差值，b为1#点第三次与第二次未测出的沉降量差值。表三可以看出测量时，各个观测点所在方向的风机基础面沉降快慢，其值为证，表示较1#点所在面快；其值为0，表示与1#点所在面同步；其值为负，表示较1#点所在面慢。可以算出风机038在第二次测量时其在倾斜方向1#，3#上沉降差为0.0019m。 在第三次测量时其在倾斜方向1#，3#上沉降差为0.0021.而在第二次，第三次测量间隔内，其沉降差为0.0003m。
5.2观测成果分析
对本风电场的100台风机基础按相关工序节点进行观测，已观测六次，基于现有数据进行统计分析，可得以下数值，第二次观测时，风机基础倾斜方向上最大沉降差为0.0023m，最小沉降差为0.0009m；第三次观测时，风机基础倾斜方向上最大沉降差为0.0022m，最小沉降差为0.0011m；第四次观测时，风机基础倾斜方向上最大沉降差为0.0038m，最小沉降差为0.0011m；第五次观测时，风機基础倾斜方向上最大沉降差为0.0032m,最小沉降差为0.0007m；第六次观测时，风机基础倾斜方向上最大沉降差为0.0019m，最小沉降差为0.0004m。
风机044各阶段倾斜值绘成图2，其倾斜值计算按照公式：
公式1
，为基础倾斜方向上a，b两点的沉降量，即沉降差。L为a,b两点间距离，其单位都为mm。其各阶段的沉降差为：2.3mm，2.2mm,0.4mm,0.5mm,0.5mm。L=6000mm。其他风机基础也都依照此方法计算。自第四次测量后，各风机的沉降差变化不大，风机基础也趋于稳定。
《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011第5.3.4条规定，自室外地面起算的建筑物高度≤100m,高耸结构基础的倾斜允许值为0.005。100台风机在六次观测中，最大倾斜值=3.8/6000=0.0006,也就是说此风场自初次观测之日起，所有风机的倾斜值均符合《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2011第5.3.4条规定。
5.3现的问题
在观测中，有一台风机的最大沉降差在第六次出现了异常，其最大沉降差从第二次到第八次分别为：0.6,0.8,0.4，0.5,14.2,14.4,14.8。虽然最大倾斜值满足规范要求，但是由于监测点裸露在风机基础上，没有保护装置，无法避免人为破坏，无法确定是风机基础倾斜，还是由于外力作用，造成监测点下降约14mm。
6.结论
对大量的风力发电机，在不考虑其绝对沉降量的情况下，依靠风机基础的四个观测点，能够观测风机的倾斜值。通过对此风场的测量，我们可以看出不埋设基准点，对风机单独布设四个观测点也能对风机进行不均匀沉降观测，测定风机的倾斜值。其精度取决于水准测量的等级，与是否埋设基准点无关。
但是这种测量方法，仅能观测风机的倾斜值，对风机的绝对沉降量无法获得。目前普遍做法是测出某台风机在100天内的沉降速率（此风机的四个测点平均值）结合当地土质在0.01-0.04mm/d内，认为此风机的沉降进入稳定阶段。而单纯的不均匀沉降观测无法提供这方面的参考数据，仅依靠不均匀沉降观测对风机的安全运行能否评定还需要探讨。
风机发电机基础是新型设备基础，对风机的沉降测量还处于摸索阶段，相关的理论和规范还不成熟。希望广大的测绘同仁不吝指导，提出建议。