海上风电单桩基础桩顶法兰平面度检测装置的研究与应用

摘要：海上风电单桩基础作为风电设施的基础支撑结构之一，其稳定性和安全性直接关系到整个风电场的运行效率和长期效益，其中单桩基础的法兰平面度的测量是至关重要的环节之一。传统检测方法（如全站仪等）受诸多方面因素影响，其可靠性、便捷性等有待提高。本装置采用卫星定位加静力水准仪的方案，自动采集、反馈数据，并依据数学模型自动计算解析，最终反馈到终端设备上，全过程自动化完成，简便快捷，且不受环境影响，切实可靠。

关键词：海上风电；基础法兰；平面度检测；卫星定位；静力水准仪

0 引言

随着全球能源结构的转型和可持续发展需求的不断提升，海上风电作为可再生能源的重要组成部分，正经历着前所未有的快速发展。海上风电单桩基础作为风电设施的基础支撑结构之一，其稳定性和安全性直接关系到整个风电场的运行效率和长期效益。在海上风电单桩基础的设计和施工中，法兰平面度的精确测量是至关重要的环节，它直接影响到风电叶片与风电基础桩的连接精度和可靠性，进而影响风力发电机的整体性能和寿命。

传统的法兰平面度测量方法多依赖于机械式或光学式测量仪器（如全站仪等）结合岸基基站。这些方法虽然在一定程度上能够满足测量需求，但在海上风电桩这种特殊环境下，其测量精度和稳定性往往会受到环境因素的显著影响。

法兰平面度检测装置则是基于卫星定位结合静力水准仪的一种高精度测量仪器。它通过北斗系统进行卫星定位反应单桩基础的坐标位置及其方向；以及通过测量静力水准仪连通管中液面的高度变化来反映不同测点间的高差，具有结构简单、精度高、稳定性好等特点。

卫星系统定位可实现高精度定位，理想情况下，北斗卫星系统可实现厘米级别的定位；卫星定位可不受地面环境的影响，可不受天气影响；卫星定位可实现全球覆盖的能力，而基站定位依赖于地面基站的网络覆盖。

静力水准仪作为一种高精度、高稳定性的测量工具，以其独特的测量原理和广泛的应用领域，在沉降监测、结构变形监测等领域展现出独特的优势。在海上风电桩顶法兰平面度的测量中，静力水准仪的引入为解决传统测量方法的不足提供了新的思路和技术手段。

在海上风电桩顶法兰平面度的测量中，静力水准仪可以通过在法兰周围设置多个测点，利用静力水准仪测量各测点间的高差，进而拟合得到法兰平面的整体变形情况。这种方法不仅提高了测量的精度和稳定性，还大大降低了环境因素对测量结果的影响。

此外，静力水准仪在海上风电桩顶法兰平面度测量中的应用还具有以下优点：一是测量过程自动化程度高，可以大大提高测量效率；二是测量数据易于处理和分析，可以通过计算机软件进行数据处理和图形显示，使得测量结果更加直观和准确；三是测量范围广，适用于不同尺寸和形状的风电桩法兰平面度的测量。

近年来，国内外学者对静力水准仪在海上风电桩顶法兰平面度测量中的应用进行了广泛的研究。在其研究中指出，静力水准仪在海上风电桩顶法兰平面度测量中具有较高的精度和稳定性，能够满足工程实际需求；同时通过对比实验，验证了静力水准仪相较于传统测量方法的优越性。

综上所述，静力水准仪在海上风电桩顶法兰平面度测量方法中的研究与应用具有重要的理论意义和实践价值。本文旨在通过深入研究静力水准仪的工作原理、测量方法和数据处理技术，探讨其在海上风电桩顶法兰平面度测量中的具体应用和效果，为海上风电桩的设计、施工和维护提供新的技术支撑和解决方案。同时，本文的研究也将为静力水准仪在相关领域的应用和推广提供有益的参考和借鉴。

1 法兰平面度检测装置设计与实现

1.1 终端设备设计

所研发终端设备的软、硬件均采用模块化、即插即用、集成安装的设计思路，终端设备集成GNSS OEM板、静力水准测量模块、CPU、电源和通讯等主要硬件单元，在接收所有GNSS天线的原始观测信息后，依次进行数据解码、数据解算、数据存储和数据播发等操作，其具体设计如图1、图2所示。

图1、终端设备外观设计

图2、终端设备内部配件

在具体功能上，终端设备主要包括GNSS数据采集、静力水准测量、数据处理、数据存储、数据播发和电源管理等主要子模块。

1.2 GNSS数据采集模块

为保证GNSS原始数据的采集质量，每个GNSS接收机均有单独OEM主板来采集处理GNSS原始数据，同时，设备能够支持对所有GNSS天线的原始观测数据进行时间同步，并导入缓存，以支持后续基线解算等数据处理操作。

1.3 静力水准监测模块

静力水准仪是一种高精密液位测量仪器，如图3所示，用于测量监测点和基准点的相对高差。静力水准仪是通过一根透明的PU管连接起来，最后连接到一个储液罐上面，选择一个静力水准仪作为基准点，并安装在储液罐附近，通过测量基准点的高程，可以计算监测点的高程，工作原理如图4所示。

图3、 静力水准仪

图4、静力水准仪工作原理

1.4 终端设备设计

研发终端设备的软、硬件均采用模块化、即插即用、集成安装的设计思路，终端设备集成GNSS OEM板、静力水准测量模块、CPU、电源和通讯等主要硬件单元，在接收所有GNSS天线的原始观测信息后，依次进行数据解码、数据解算、数据存储和数据播发等操作，其具体设计如图5、图6所示。

图5、终端设备外观设计

图6、终端设备内部配件

在具体功能上，终端设备主要包括GNSS数据采集、静力水准测量、数据处理、数据存储、数据播发和电源管理等主要子模块。

1.5 数据处理

设备配置有多个CPU进行GNSS数据处理工作，主要数据处理内容包括：GNSS基线配对、GNSS基线处理、载体平面度计算等三大部分。

1) GNSS基线配对

由于8个GNSS天线理论上可以配置28条基线，设备支持按照预设原则对基线进行筛选，默认状态下所有基线均将参与解算。

2) GNSS基线解算

设备支持周跳探测与修复、粗差探测与剔除等数据预处理以及多系统模糊度固定、多系统组合定位等数据处理工作。需要说明的是，设备初始加电并顺利接收到GNSS观测数据后即可开始基线解算步骤，其将对所有参与解算GNSS基线的模糊度进行固定，且在模糊度固定后，被测设备小动态的姿态调整等将不需要重新固定模糊度，因此可保证在设备姿态进行小动态调整后快速、精确、可靠的得到定位结果，进而计算输出圆盘载体平面度结果，以满足被测设备姿态调整后水平度测量结果输出的响应时间不超过1分钟的技术指标。

3) 静力水准高差计算

通过GNSS解算得出静力水准仪基准点的准确平面和高程位置，静力水准仪利用已知的基准点的高程信息，可以计算得出其余三个监测点相对亚毫米级的高程信息。

4) GNSS平差处理

由于所有GNSS测点之间理论上相互形成28条基线，为确定测点之间的相对位置（尤其是高差），需对所有参与解算基线的处理结果进行平差，以确定测点之间最终的相对位置，其中，高程结果利用静力水准仪测得的相对高差，利用拟合的方面得出其余7个点相对于基准点的亚毫米级高差值。同时精度指标上满足高差测量精度不低于2mm的技术要求。

5) 载体平面度计算

在获得平差后所有测点之间的相对位置后，由于所有天线均固连于圆盘形载体上，可通过建立载体的平面方程，结合8个GNSS天线的位置信息，利用最小二乘原理对平面方程的各参数进行求解，最终确定载体的平面度。需要特别说明的是，设备可通过设置“开始任务”和“结束任务”按钮，对每一次圆盘型载体小动态姿态调整过程中的平面度进行独立计算。即点击“开始解算”按钮后，设备开始重新对所有天线对形成的基线进行解算；在点击“结束任务”后，设备内部的处理模块将对基线解算结果进行平差，随后进行平面水平度的计算等操作，最后输出平面度计算结果。

1.6 数据存储

数据存储模块支持对所有GNSS原始数据以RINEX格式进行存储，以及对每次解算任务基线解算、平差以及平面度等计算结果按照实际应用需求进行存储，方便事后对解算结果的查询、重新解算、验证等操作。

1.7 数据播发

数据播发模块只要支持对平面度解算结果以及相关过程信息，按照实际的需求进行对外播发。其具体可通过设备内置的电台模块进行实现，传输距离不小于500m。

1.8 电源管理

电源管理模块主要是对设备内部的供电系统进行管理。设备自身支持直接接电以及使用电池两种模式，其中使用电池模式下设备工作时间不低于4小时。

2 数据处理

2.1 数据采集

在安装GNSS天线时应考虑海水侵蚀、信号遮挡等因素。为减弱海水多路径效应的影响，应选择扼流圈天线。另外，GNSS天线应固定安装，并保持水平，天线定向线应指向磁北，定向误差不得大于5°，并正确量取天线高。GNSS接收设备选择支持GPS和北斗（BDS）的不少于双频的观测设备，并且按1Hz进行采样，能将观测数据实时记录并传送到数据处理设备。

2.2 基线解算

GNSS数据处理基线解算指对地面两GNSS观测站的原始载波相位观测值进行测站间、卫星间求差，建立双差观测方程，然后在最小二乘的准则下求解未知参数，即两测站间的相对位置矢量。由于此次两测站距离较近，因此双差观测方程消除了卫星钟差、接收机钟差，减弱了多路径效应，基本消除了电离层延迟、对流层延迟等影响解算精度的误差因素。

2.3 平差

基线解算完成后，应进行三维无约束平差，判别是否含有粗差基线向量，调整各基线向量观测值的权，使它们相互匹配。若任选一点作为固定点（假定其坐标精确已知），将基线解算结果作为观测值，高程利用静力水准仪的相对高差结果，然后进行三维无约束平差，可获得观测站的坐标平差值和精度信息。此次，共8个测站，可组成28条基线向量，其中将7个观测站的3维坐标作为未知参数，根据最小二乘原理进行平差计算。其流程如图7所示。

图7、 三维无约束平差流程图

实际处理时，采用高精度GNSS数据处理软件，在地心空间直角坐标系（WGS84）下进行基线解算，求得观测站的相对位置矢量。然后选择一固定点，进行三维无约束平差，获得观测点的空间直角坐标平差值。然后，按（1）将地心空间直角坐标系下的坐标转换到局部坐标系下。

     （1）

式中，B、L分别为固定点的纬度和经度，为空间直角坐标系下的测站坐标；为局部坐标系的测站坐标。

2.4 平面度计算

理论上，8个观测站应位于同一平面上，即在局部坐标系下满足以下数学模型：

                  （2）

实际中，由于GNSS具有观测误差，平差后的观测站坐标并未完全位于同一平面上。因此，将8个测站的三维局部坐标作为观测量，同时考虑平面位置和高程的误差，利用其精度信息进行定权，根据整体最小二乘原理，估计其所在平面方程的系数。

求得平面方程后，其法向量可表示为：

                 （3）

因此平面度可表示为：

                （4）

其中，为高程方向单位矢量。

3 主要技术指标

1） 设备支持离岸20至100公里范围内工作；

2） 初始加电后完成数据采集、解算并输出测量结果所需时间不多于10分钟；且完成上述初始化过程后，被测设备每次小动态姿态调整后，对其水平度测量结果输出的响应时间不超过1分钟；

3） 设备能提供至少工作4小时的自带电源；

4） 设备能提供传输距离不小于500m的无线传输功能；

5） 两对应天线的高差测量精度不低于2mm，并能支持最终被测设备平面度结果的输出；

6） GNSS模块能够提供毫米级的平面和高程测量精度；

7） 静力水准仪提供亚毫米级的高差测量精度。

4 工程试验与应用

4.1系统架构

根据工程项目的相关需求，需要在直径为5m至8m的圆盘形载体均匀分布的8个GNSS天线的相对位置，并结合静力水准仪的高精密液位测量，进而确定该圆盘形载体的平面度。GNSS天线与载体的相对位置如下图8所示，其中每相邻两天线之间对应的圆心角为45°，并均匀分布4个静力水准仪。

图8、 圆盘形载体水平度测量天线分布图

4.2场地试验与分析

提前预制好圆盘形载体放于场地上，并标定好2001、2002、2003三个点，并在载体下放置三个液压千金顶用于改变圆盘形载形态。

待安装好GNSS天线及静力水准仪后于开始第一次正式测量，5分钟数据存储后解算出2001、2002、2003的相对高度值为0cm、0.22cm、1.07cm；

在间隔半小时后进行第二次测量，此次测量未改变法兰位置及高度状态，测得2001、2002、2003 三点相对高度值为 0cm、0.19cm、1.05cm，与上一次测得结果最大差值为0.03cm，即0.3mm，远小于2mm；

进行第三次测量，此次升高了2001 和2002 附近的液压千斤顶，测得2001、2002、2003 三点相对高度值为 0cm、0.23cm、1.07cm，第一次测得结果最大差值为0.01cm，即0.1mm；与上一次测得结果最大差值为0.04cm，即0.4mm；远小于2mm。

进行第四次测量，此次测量在 2001 和 2002 之间靠近 2002 点附近抬升约5mm，测得2001、2002、2003 三点相对高度值为0cm、0.51cm、1.06cm，与上一次测得结果最大差值为2002 点0.28cm，即2.8mm；因液压千斤顶顶升的位置与2002 点有距离，未2002 点正下方，因此其对应投影高度非顶升点上升的5mm，可认为本次顶升测量结果精度满足2mm 以下。

5 结论

经场地试验检验验证，表明理论框架具备工程可行性。然而，受限于试验尺度与测试条件，实际工程中需进一步验证全尺寸结构的长期性能及施工误差容限。建议结合实际工程分阶段实施方案，通过局部试点检测与动态参数修正，确保理论模型的实际适用性。

参考文献：

[1] 库安邦，刘芝波. 海上风电单桩基础垂直度测量方法对比和分析[J]. 测绘与空间地理信息, 2024, 06.

[2] 龙华，梁雯.  GNSS差分技术在水准测量中的应用[J]. 广西水利水电 2023, 04

[3] 李笑，何晓业，王巍，程竹兵，高廷，罗涛. 静力水准系统用于基准高差测量的研究[J].强激光与粒子束, 2022, 12.

[4] 何晓业. 静力水准系统在大科学工程中的应用及发展趋势[J]. 核科学与工程. 2006,(4).332-336..