海上钢管桩运营期分布式光纤自动化监测系统研究
时间：2023-02-16 21:05:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
孟志浩，亓 乐，贾立翔，刘鹏飞
（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013；
2.苏州南智传感科技有限公司，江苏 苏州 215123）
近年来，随着海上风机数量的不断增加，超大直径钢管桩基础应用日益广泛，海上风电工程中的钢管桩直径通常为4～8 m[1]，甚至已达9 m。海上钢管桩基础在其正常工作的年限中，主要承受来自强风荷载、波浪冲击等水平荷载的长期周期性循环作用，其循环次数达到108次[2]。因此，研究海上钢管桩基础运营期的受力及变形，尤其是水平荷载下的变形状态，就显得尤为重要。
现阶段，对于水平荷载作用下的钢管桩基础工作形态的研究，主要通过模型试验与数值模拟方法。刘冰雪[3]对海上风机桩基础的水平承载力特性进行了分析，探讨了桩径、桩周土模量及桩端土模量对单桩承载力的影响。尤汉强等[4]深入分析了风机单桩基础土抗力及桩土脱开效应对桩土相互作用的影响；
PENG J等[5]通过离心机试验，分析了在1 g条件下，桩径、荷载大小、循环次数和砂土密实度对模型桩侧向位移发展的影响。PAN D等[6]进行了风电钢管桩基础的现场试验，并将数值模拟结果与实测数据进行了对比分析。SRENSEN P H等[7]对砂土中受水平荷载的大直径钢管桩进行了室内试验及数值模拟，基于室内小直径试验确定的参数，对直径为3～7 m的钢管桩进行了数值模拟。综上所述，通过模型试验与数值模拟的方式，可对大直径钢管桩的受力特性、桩土作用等进行分析，但是模型试验较难营造实际地层、风浪环境，也很难模拟成千上万次的水平循环荷载。
近年来，分布式光纤传感技术在桩基、隧道、基坑等基础工程中的应用越来越广泛。叶仲韬等[8]将分布式光纤应用于风力电机桩基承载能力测试中，获得了沿桩长方向连续的荷载应力分布曲线；
石振明等[9]根据BOTDRBOTDR（Brillouin Optical Timedomain Reflectometer）和FBGFBG（Fiber Bragg Grating）技术测试出桩身轴向应变及桩周应力的分布规律；
刘钊等[10]基于布里渊散射光频域分析的分布式光纤感测技术，通过静载测试，实现了大直径风电钢管桩的侧摩阻力分布监测。针对海上钢管桩，虽有较多应用，但都局限于静载过程检测，尚未有运营期监测应用。本文围绕实现海上风电钢管桩的运营期在线监测，开发了一套基于密集分布式的监测系统，并在实际工程中进行了应用探索。
1.1 技术类型
目前，海上钢管桩应用的主要光纤技术主要为三类：一是基于布里渊的分布式光纤感测技术，二是基于波分复用的光纤光栅感测技术，三是基于弱光栅的密集分布式技术。其中，分布式技术单次采集时间通常为5～10 min，无法满足钢管桩基础在风浪环境下的实时监测，光纤光栅仍属于点式监测的范畴。密集分布式技术结合了分布式及光纤光栅的优势，能够实现高精度分布式实时监测，且成本适中，各类技术对比见表1。因此，本文所述系统为基于密集分布式技术开发。
表1 光纤技术对比表
密集分布式技术与常规光纤光栅技术的测量原理一致，都是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅，从而改变和控制光在其中的传播行为。当宽带光进入光纤后，满足特定条件波长的入射光在光栅处被耦合反射，其余波长的光会全部通过而不受影响，反射光谱在FBG中心波长λB处出现峰值，如图1所示。
图1 技术原理图
FBG反射特定波长的光，该波长满足以下条件。
式中，λB为反射光的中心波长；
neff为纤芯的有效折射率；
Λ为光纤光栅折射率调制的空间周期。
外界应力和温度变化会引起折射率和栅距的变化，导致FBG波长λB的移位，满足线性关系式（2）。
式中，△λ为FBG波长变化量；
ε为光纤轴向应变；
△T为温度变化；
Pe为光纤光弹系数；
α为光纤热膨胀系数；
ζ为光纤热光系数。
两者的主要区别在于，常规光纤光栅采用的波分复用技术，即通过波长的差异区分点位，解调设备带宽通常为40 nm，因此单通道可负载的光栅测点有限；
密集分布式技术采用时分复用技术，即通过光信号依次经过光栅的时间区分不同点位，该方式可采用相同波长的光栅，单通道可负载上千个测点，真正实现准分布式测量。密集分布式光纤感测技术在海上风电钢管桩监测应用中的优势主要体现在以下几方面：①分布式监测，实现钢管桩全长度覆盖监测；
②长期性监测，光纤本质为二氧化硅，光缆采用高密度聚乙烯、碳纤维等材料封装，无弹簧、梁等器件，实现建设、运营长期监测；
③自动化监测，密集分布式设备成本大大降低，使项目自动化监测成为可能；
④集成化监测，采用光缆连续布设，施工便捷，避免太多线缆，集成度高。
1.2 系统构架
海上钢管桩自动化监测系统主要包括感知层、采集层、传输层及展示层，如图2所示，感知层为密集分布式传感光缆，感知应变及温度信息；
采集层为光纤解调仪，获取传感光缆监测数据；
传输层表现为光纤解调仪对外传输数据的方式，可分为有线及无线传输；
展示层为数据展示及预警系统，是最终监测结果的呈现。在钢管桩安装传感光缆后，光纤解调仪获取数据，并通过4G无线网络将数据输出到云服务器，云服务器将数据进行分析处理后下发到后端监测平台，从而组成一套稳定、快捷的桩基自动化在线监测系统，其自动化主要体现为以下几方面。
图2 自动化监测系统架构
（1）数据采集自动化。传感光缆感知变化信息，光纤解调仪自动获取原始数据。
（2）数据分析自动化。系统内嵌分布式数据的分析算法，可实现原始数据的自动化处理，获得具体监测物理量。
（3）成果展现自动化。应变分布、轴力分布等监测成果配置好后，自动化呈现。
（4）预警信息自动化。可设置多级预警机制，根据事先设定的预警值进行报警，可实现平台、短信、现场声光报警器等方式。
1.3 传感光缆
系统选用传感光缆为密集分布式碳纤维复合光缆，其基本结构为：在同一光纤上，每隔1 m刻写一个测点，刻好后将纤芯过塑形成紧包护套光缆，将光缆植入碳纤维布中，形成碳纤维复合基光缆。该光缆特点如下。
（1）具有一定的宽度，可以获得更多的接触面积以提升耦合性及变形传递性。
（2）重量轻，质软，增加布设简便性且不易脱落，使传感器工作更可靠。
（3）传感光纤上下面都有高强度的工程织布保护，提高传感光纤应用时的成活率。
（4）弹性模量与钢结构相近，容易与钢结构协调变形。
选取一段植入碳纤维前的紧包护套光缆进行标定测试：光缆（长度2.44 m）两端固定，按照2.44 mm（1 000με）梯度逐级拉伸，采集每一级的波长量，如图3所示；
作应变—波长曲线，得到光缆的应变系数为0.833με/pm，线性拟合度高于0.999 9，结果如图4所示。
图3 光缆测试装置
图4 光缆测试结果
1.4 解调设备
系统选用解调设备为密集分布式光纤解调仪，该设备可实现数据无线传输，解调速度快（1 Hz），实时性高，可同时采集上千个测点，系统集成度高（16通道），其解调原理如图5所示。可调谐激光器扫描输出不同波长的连续光，经过脉冲调制和放大的脉冲光进入刻有全同弱光纤光栅阵列的光纤中。脉冲光在各光栅点会产生反射，中心波长发生改变，实现对各物理量的感知，通过测量脉冲光从起点发出到各栅点反射光返回的时间，即可得到各栅点的位置。光路中环形器的作用是利用其单向光传输的原理，将发射光与反射光分离。光电转换模块将光路反射回来的光信号转换为电压信号，并传送给采集模块，数据采集模块进行高速采集，得到的数字信号同步传输给工控板进行分析处理。
图5 解调设备原理图
将该设备置于高低温试验箱内，进行变温环境下的稳定性测试：所有标准检测光栅放置在恒温水浴槽中，恒温水浴槽设定温度定值（20℃），稳定1 h。高低温试验箱温度设置遵循：室温—低温—室温—高温—室温，为一个温度试验循环原则，具体温度见表2，测试装置见图6。
图6 设备测试装置
表2 温度变化值
测试结果如图7所示，在-5～45℃温度环境下，密集分布式解调设备波长重复性在±3 pm（±2.4με）以内。
图7 测试结果
1.5 软件系统
钢管桩光纤自动化监测软件系统，如图8所示，是基于云计算、物联网、地理信息技术、大数据等技术和岩土工程相关理论开发的，进行信息集中展示与管理的平台。系统具备安全监测、GIS系统展示、人工巡检录入、项目与设备管理、信息汇总、结果预警、数据分析、云数据库存储、历史查询、数据API接口服务、用户管理、日志管理、多层级管理服务等功能，主要描述如下。
（1）监测首页为基于GIS地图的项目信息总览，如图8（a）所示，图中展示圆点表示所在位置，圆点颜色表示项目报警状态（红色、橙色、黄色、绿色分别表示一级报警、二级报警、三级报警和无报警）。
图8 软件系统界面
（2）平台可对各个桩基项目进行分开配置和统一管理，编辑桩基实施的监测内容类型、监测设备类型、相关算法、桩基位置等。
（3）实时数据展示应变、轴力、挠度等监测内容的监测结果值，分为时间域数据和空间域数据，如图8（b）；
对于历史数据，可根据测点名称、时间区间、时间间隔等不同筛选条件要求，查询并导出对应监测结果。
2.1 工程概况
山东半岛南3号海上风电项目场址离岸距离36～40 km，水深28～33 m，规划占海面积约80 km2，风电场一期装机规模300 MW，拟安装58台风电机组，场区内配套建设一座220 kV海上升压站。本工程风电场位置如图9所示。
图9 工程地点
结合半岛南3号海上风电场项目，对重点监测机位的A14、A41、A45三台风机在桩厂提前布设光缆，待沉桩完成后进行相关线路集成，并接入风机环网传输至升压站后接入设备进行监测，监测数据通过海缆传输至半岛南3号陆上集控中心服务器，实现海上风电桩基础的监测设备远程控制和风电桩基础变形实时自动化监测。
2.2 传感光缆布设
传感光缆在桩厂内布设完成，具体工艺如下。
（1）打磨除尘：沿桩身对称面打磨，去除铁锈，焊缝位置磨平。
（2）底胶涂覆：在传感光缆布设路径上涂刷一层底胶粘结剂，以提高光缆粘合度，如图10（a）所示。
（3）光缆布设：在底胶区域平直布设传感光缆，避免光缆弯曲；
布设完成后，在传感光缆上部再刷一层面胶粘结剂，使光缆与桩身充分贴合，如图10（b）所示。
（4）表层防护：待面胶粘结剂固化强度达到50%以上后，在其表面粘贴一层防火材料，如铝箔纸、石棉材料等，防止后期焊渣灼损。
（5）焊接保护：在桩最底部焊接一段槽钢对传感光缆进行保护，槽钢长度5 m，底部需斜口密封，并加肋板进行加强保护，如图10（c）所示。
图10 安装工艺
（6）引线保护：在桩顶部分，传感光缆接入引线，穿钢丝软管进行保护，所有引线通过内平台环板圆孔时采用定制配件进行固定保护。
2.3 系统集成调试
对重点监测机位的A14、A41、A45三台风机单桩线路进行了线路集成。在内平台上方将传感光缆集成至主光缆，并接入风机环网预留接口，通过风机环网传输至升压站后接入监测设备，如图11（a）所示。监测设备安装在升压站监测机柜中，并用光纤跳线将升压站接口与设备连接。在陆上集控中心安装设备解调控制软件和监测软件，实现对升压站设备的远程调试和实时在线监测，如图11（b）所示。
图11 集成与调试
2.4 结果与分析
目前，本项目刚完成大直径钢管桩的安装，选择A45单桩基础监测数据进行分析，基本参数如图12所示。
图12 桩基参数
2.4.1 桩身应变分布
选取2022年1月25日16∶00至1月26日5∶00测试数据，以1月25日16∶00测试值为初值，形成桩身对称两侧传感光缆的应变分布曲线，如图13所示。由图可知，海平面、泥水界面清晰，在水平荷载作用下，一侧呈现拉应变，一侧呈现压应变，且应变量值基本相等。海水中，桩身应变受变径影响稍有差异，基本呈平稳分布；
入泥后，应变值随深度逐步减小，水平荷载作用尚未影响到桩底。桩身应变最大约为100με，而钢结构屈服应变通常大于1 500με，因此，从应变角度分析，该钢管桩基础处于安全范围内。
图13 桩身应变分布
2.4.2 轴向应变分布
埋置于土体中的桩基，在竖向荷载作用下传递规律为：桩身的上部首先受到压缩而发生相对于土的向下位移，于是桩侧摩阻力和桩端阻力逐渐被调动起来。荷载沿桩身向下传递的过程就是不断克服侧摩阻力并通过它向土中扩散的过程，因而桩身轴力（轴向应变）沿着深度而逐渐减小。
设ε1（z）和ε2（z）分别为测试得到的桩体在深度z处的沿水平荷载方向上对称部位的应变测试值，桩身一侧受拉一侧受压。则轴向应变εa（z）和弯曲应变εm（z）值如下[11]。
根据式（3），得到钢管桩轴向应变分布，如图14所示。由图可知，桩身竖向应变在±5με范围内波动，-56 m以下波动范围降低至±2με，而数据分析时间段内，上部结构无变化，结合上述竖向荷载传递规律，可以认为该管桩没有竖向附加荷载影响，监测数据所呈现出的应变波动，分析是由于桩体自身摆动引起，影响深度约为桩头往下56 m。
图14 桩身轴向应变分布
2.4.3 水平应力及变形
水平承载桩的工作性状是桩—土相互作用的问题，桩受水平荷载作用下发生弯曲，从而在桩身产生水平位移和弯曲应力。对于相对刚度较低的柔性长桩来说，当桩的入土深度超过一定数值时，桩身的下段可视为嵌固于土中而不能转动。在水平荷载作用下桩身将发生挠曲变形，其值由桩身截面抗拒和土抗力来承担，当变形增大到桩的水平极限荷载或桩周土失去稳定时，桩—土体系便趋于破坏。
超长钢管桩为柔性长桩，在水平荷载作用下，桩端变形很小，因此，假设桩端不发生位移，并对挠度进行积分，则得到挠度的积分通解方程，如式（5）所示[12]。
式中，H为桩的埋深；
y（z）为位置z处对称布设光缆间距；
C、D为积分常数，这些积分常数可以通过位移边界条件和变形连续条件来确定。
根据式（4）和式（5），可得到桩身的弯曲应变及挠度分布，如图15所示，其中由于该桩为变直径桩，保守取最小直径6 000 mm代入计算。由图15可知，入泥后，钢管桩弯曲应变逐步降低，桩底至-56 m标高位置桩身水平位移小于0.5 mm，基本没有变形，即在既有水平荷载作用下，桩身入泥26 m左右被完全约束，该结果与竖向应变分布规律一致。
图15 弯曲应变及水平位移分布
在多数情况下，钢管桩失稳（桩—土体系破坏）前势必将影响上部风机的运转，因此，对于风电钢管桩的安全评价应以不影响风机运转为原则。当桩身转角超过0.5°，可能就会造成风力发电机无法正常运作[13]，按照变形段50 m长度计算，最大水平位移为435 mm。本项目测试钢管桩最大水平位移46 mm，远小于最大位移量。图16为最大水平位移时程曲线及当地潮位时间曲线，可知测试时间段内，最大位移发生在25号23点，为当日潮位的最低点，钢管桩水平位移与潮位基本呈负相关，由于水平位移是基于弯曲应变计算得到，即对称两侧应变差值的平均值，认为桩身对称两侧温度一致，通过做差可排除温度的影响。因此，推测该现象是由于水位降低，管桩出露部分增加，受外部风荷载影响增加，查阅对应时间的风力数据，如图17所示，风速与钢管桩最大水平位移呈正相关，可知测试时间段内，钢管桩的变形趋势主要是由风速变化引起。
图16 潮位及水平位移时程曲线
图17 风速时程曲线
2.4.4 桩身摆动状态
为获取钢管桩在风、浪荷载下的摆动状态，对5 min内密集采集的数据进行分析，图18为不同深度处桩身弯曲应变的时程曲线。可知，泥水面以上（-15.4 m）位置摆动产生的应变量为-3.8～0.9με，泥水面以下2 m（-33.4 m）应变变化量为-1.2～2.5με，泥水面以下11 m（-42.4 m）为-3.0～0.5με，基本呈逐步减小的趋势，但差别不大；
至-56.4 m位置，桩身应变在±0.5με以内，桩身基本不受外部荷载的作用，处于稳定状态。测试时间段内，包含了两个相对完整的摆动周期，时间分别为2 min 16 s及1 min 16 s，摆动周期的差异推测与风浪相关。
图18 桩身应变时程曲线
本文介绍了一套基于密集分布式光纤的自动化监测系统，能够实现海上钢管桩基础的分布式、自动化监测，并将该系统应用于实际工程项目中，获得了运营钢管桩的桩身应变、竖向应力、水平应力及挠度分布式规律，根据应变极限值及偏转角度值对桩基状态进行评价，认为该桩基属于安全范围内，并对钢管桩的摆动状态进行了简要分析。
相较于前人将分布式光纤技术应用于静载、沉桩监测应用，本文更进一步克服了传感光缆布设、系统集成的困难，真正实现了运营期钢管桩内力及变形的自动化监测。目前，本文只对管桩一天内受风浪影响程度进行了分析，所述系统将持续进行监测，获取风电建设期、长期运营条件下的钢管桩受力状态，并对系统的长期稳定性进行进一步的验证。
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