1.本发明涉及海上风电工程技术领域，尤其涉及一种海上风电桩基础的冲刷实时监测装置和监测方法。
背景技术：2.在海上风电工程中，桩基础是主要的基础形式之一，这类基础具有桩承载力高、沉桩工艺相对简单、排土量小及良好的抗弯能力等特点，已被广泛应用于多个海上风电项目中。桩基础的出现，改变了海洋水文平衡及底床边界条件，波流和桩基础相互作用引起剧烈的底床局部冲刷，冲刷坑的发展会导致桩基础裸露出海床，减弱海床对风机结构的持力作用，易造成风机倾斜或失稳，甚至倾覆事故，这一问题在各海上风电场运行过程中普遍存在。
3.海上风电工程中现多采用多波束测深、侧扫声呐探测和水下三维声呐扫描、水下机器人巡检等方法对海上风电场海底地形进行定期扫测，一般半年甚至一年进行一次，而桩基础周围冲刷坑的发展在粘性较小的底床上发展往往较为连续、迅速，这些方法缺乏时效性，无法及时掌握冲刷坑的发展情况并对潜在风险进行准确预估及人工干预，且单次扫测成本高昂。另外，在诸如黄海等悬沙浓度较高的海域，水体浑浊度大，多波束声呐扫测精度也相对有限。河道桥梁领域有基于光纤布拉格光栅(fbg)的桥梁冲刷监测技术，这种方法的冲刷深度监测精度由布拉格光栅分布空间距离决定，在水深较深、水流条件复杂的海上风电领域难以实现冲刷深度的高精度测量。目前，国内外尚无一种能够实时有效监测海上风电桩基础局部冲刷演变的设备。
技术实现要素：4.针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种海上风电桩基础的冲刷实时监测装置，本发明提供的装置实现可实时、连续地对海上风电桩基础周围局部冲刷状态进行监测，便于运维人员准确掌握冲刷坑发展形态，并对风险进行评估和预警，指导运维人员及时介入防护，能够有效避免事故的发生，并及时调整人工干预保护的运维策略，从而保证风电机组的安全运行。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种海上风电桩基础的冲刷实时监测装置，包括多个刚性空心支架；多个土压力传感单元，所述土压力传感单元安装于刚性空心支架的上表面，用于监测上覆土层压力变化；多通道数据采集单元，所述多通道数据采集单元用于收集所述土压力传感单元监测得到的土压力电压模拟数据，并将其解析成数字信号；数据信号线，所述数据信号线设置在所述刚性空心支架内，所述数据信号线连接土压力传感单元和多通道数据采集单元；gprs dtu数据无线传输单元，所述gprs dtu数据无线传输单元与多通道数据采集单元电连接，用于将所述多通道数据采集单元的解析数据远程无线传输至岸上集控中心计算机；以及太阳能板，所述太阳能板用于向土压力传感单元、多通道数据采集单元及gprs dtu数据无线传输单元供电。
6.优选的方案中，刚性空心支架为横截面呈倒三角形的楔形体。
7.优选的方案中，包括四根刚性空心支架，安装后相邻两根刚性空心支架之间成90
°
夹角。
8.优选的方案中，包括八根刚性空心支架，安装后相邻两根刚性空心支架之间成45
°
夹角。
9.优选的方案中，所述gprs dtu数据无线传输单元采用modbus485通讯协议传输数据。
10.本发明还提供了一种海上风电桩基础的冲刷实时监测方法，安装海上风电桩基础的冲刷实时监测装置，包括以下步骤：s1制造：根据桩基础尺寸及设计监测范围，制造刚性空心支架，并将其依次均匀固定安装在桩基础表面设计高度处，形成“桩翼”结构；s2预置：将土压力传感单元的底部按一定间距均匀固定于刚性空心支架的上表面，土压力传感单元的数据信号线内置于刚性空心支架内部通道；s3沉桩：将桩基础沉贯至设计深度，将土压力传感单元的数据信号线引出桩外；s4连线：将多通道数据采集单元、gprs dtu数据无线传输单元和太阳能板安装至塔筒上部平台，并将各部件连通，土压力传感单元的数据信号线接入多通道数据采集单元；s5调试：各部件连通后进行供电调试，观察土压力传感单元、多通道数据采集单元及gprs dtu数据无线传输单元工作是否正常；s6监测：设置数据采集频率，开启冲刷深度监测，根据所有监测数据按照以下公式计算冲刷深度：δh = δσ / rs式中：δσ为上覆土体压力变化量，由土压力传感单元测得；rs为土体重度，由地勘数据获得；δh为上覆土体厚度变化量；s7：制定运维策略：根据计算冲刷深度数据组绘制冲刷深度等高线图，模拟桩基础周围地形冲刷坑演变形态，精准制定冲刷防护策略。
11.优选的方案中，数据采集频率设置为6小时采集一次。
12.相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：1.本发明提供了一种可实时、连续地对海上风电桩基础周围局部冲刷监测的装置和方法，便于运维人员准确掌握冲刷坑发展形态，并对风险进行评估和预警，指导运维人员及时介入防护，能够有效避免事故的发生，并及时调整人工干预保护的运维策略，从而保证风电机组的安全运行。
13.2.本发明通过在桩基础设计冲刷深度处设置土压力传感单元，连续监测桩基础周围的上覆土层的压力变化，并根据监测结果反算冲刷深度，将每个土压力传感单元的监测数据换算后，即可绘制出桩基础周围的海床冲刷深度剖面分布图，能够直观反映出桩基础周围海床的冲刷坑形态演变。
附图说明
14.图1为本发明一种实施例的结构示意图。
15.图2为本发明另一种实施例的结构示意图。
16.图3为本发明中刚性空心支架的结构示意图。
17.图4为冲刷深度计算原理图。
18.图5为本发明的系统原理图。
19.图6为本发明一种实施例计算所得冲刷坑剖面分布图。
20.上述附图中：1、刚性空心支架；2、土压力传感单元；3、数据信号线；4、多通道数据采集单元；5、gprs dtu 数据无线传输单元；6、太阳能板。
具体实施方式
21.下面结合附图及实施例对本发明中的技术方案进一步说明。
22.结合附图1—附图5，对于水深20m、直径3m、桩底入泥深度35m、设计冲刷深度2m的海上风电钢管桩基础冲刷监测，本实施例提供一种海上风电桩基础冲刷实时监测装置和方法。本实施例中，海上风电桩基础周围冲刷监测半径为5m，沿平行和垂直海流的主流方向共设置四个监测断面。
23.具体的，海上风电桩基础冲刷实时监测装置主要包括刚性空心支架1、土压力传感单元2、数据信号线3、多通道数据采集单元4、gprs dtu数据无线传输单元5、太阳能板6等部件。本实施例中，刚性空心支架1呈横截面为锥形的杆状结构，底部尖上部平，入泥沉贯阻力小，长5.5m，上平面宽5cm，高2m，内部空心通道直径5cm。安装时，四根刚性空心支架1一端刚性固定于桩基础圆周表面，相邻两个刚性空心支架之间呈90
°
夹角分布，其方向分别平行和垂直于海流的主流方向，上平面安装高度位于桩基础设计冲刷深度2m位置处，刚性空心支架作为桩翼，能够增强桩基础沉贯过程中的稳定性；土压力传感单元2采用电压模拟信号类型，采用dc24v供电，圆柱状防水结构，直径2cm，固定于所述刚性空心支架1上平面，距桩基础表面1m处起按间距1m均匀布置，数据采集频率设置为6小时一次；土压力传感单元数据信号线3为带有屏蔽层的四芯信号线，穿过刚性空心支架1的内部空心通道进入桩基础，并向上延伸连接至多通道数据采集单元4，数据传输采用modbus485通讯协议，可远距离通讯和数据传输；多通道数据采集单元4采用dc24v供电，安装于塔筒平台，其外壳及接头防水耐腐蚀，信号采集通道数为20个，每个信号采集通道连接一个土压力传感单元的数据信号线，用于收集土压力传感单元2采集的土压力电压模拟信号，并将电压模拟信号转换为数字信号；gprs dtu数据无线传输单元5安装于塔筒平台，其数据接口和多通道数据采集单元4数据口连接，通过gprs模块及卫星移动通信网络将多通道数据采集单元4的解析数据远程无线传输至岸上集控中心计算机，便于作业人员查看；太阳能板6安装于桩基础上部塔筒平台，用于向土压力传感单元2、多通道数据采集单元4及gprs dtu数据无线传输单元5等部件供电，长宽为1m。
24.在另一种实施例中，参阅附图2，为更好的采集数据，同时提高塔筒的稳定性，在塔筒圆周方向设置八根刚性空心支架1，安装后相邻两根刚性空心支架之间成45
°
夹角。
25.监测时，先安装海上风电桩基础的冲刷实时监测装置，包括以下步骤：s1制造：根据桩基础尺寸及设计监测范围，制造刚性空心支架，并将其依次均匀固定安装在桩基础表面设计高度处，形成“桩翼”结构，刚性空心支架作为桩基础的“桩翼”，均匀、对称布置，可增强沉贯过程的稳定性；s2预置：将土压力传感单元的底部按一定间距均匀固定于刚性空心支架的上表
面，土压力传感单元的数据信号线内置于刚性空心支架内部通道；s3沉桩：将桩基础沉贯至设计深度，将土压力传感单元的数据信号线引出桩外；s4连线：将多通道数据采集单元、gprs dtu数据无线传输单元和太阳能板安装至塔筒上部平台，并将各部件连通，土压力传感单元的数据信号线接入多通道数据采集单元；s5调试：各部件连通后进行供电调试，观察土压力传感单元、多通道数据采集单元及gprs dtu数据无线传输单元工作是否正常；s6监测：设置数据采集频率，开启冲刷深度监测，根据所有监测数据按照以下公式计算冲刷深度：δh = δσ / rs式中：δσ为上覆土体压力变化量，由土压力传感单元测得；rs为土体重度，由地勘数据获得；δh为上覆土体厚度变化量；s7：制定运维策略：根据计算冲刷深度数据组绘制冲刷深度剖面分布图，模拟桩基础周围地形冲刷坑演变形态，精准制定冲刷防护策略。
26.参阅附图4，根据土力学原理，土体某一深度处的土压力和上部土体深度、土体密度正相关，当土体发生冲刷时，土体厚度发生变化，土压力进而发生变化，即：δσ = r
s ×
δh = rs×
(h
0 ‑ꢀ
h1)因此，可通过监测土压力变化，按照以下公式反算冲刷深度：δh = δσ / rs式中：δσ为上覆土体压力变化量，可由土压力传感单元测得；rs为土体重度，由地勘数据获得；δh为上覆土体厚度变化量，h0为上覆土体初始厚度，h1为上覆土体某一测量时刻的厚度。
27.附图6是根据附图4所述的本发明装置冲刷监测原理和方法以及附图5所述的数据处理原理，提供一个实验室水槽试验实例的冲刷计算结果。图中从上到下依次代表三个不同历时的冲刷坑发展情况。本实例针对土体重度2.65g/cm3、直径10cm的模型桩基础，在土体深度30cm处沿平行主流向和垂直主流向设置四根刚性空心支架，每根刚性空心支架上面从桩基础表面起按5cm间距依次向外均匀布置6个土压力传感单元。
28.附图6对应的监测数据和计算数据如下表，纵向和横向均以附图6中从上到下第一条曲线（第一历时）为例。
29.表中，监测数据为上覆土压力值（kpa），计算结果为冲刷坑深度值（mm）。从附图5和上表数据可以看出，随着冲刷坑的演变，上覆土层厚度减小，上覆土压力相应减小，因此表中的负值均表示相对初始压力值或初始深度值的减小量。
30.本试验的监测结果真实地反映出桩基础周围冲刷坑的演变情况，即：随着冲刷时间的增加，冲刷坑深度和冲刷坑范围不断增大，纵向方向下游冲刷深度和冲刷范围略大于上游，横向方向桩基础两侧大致呈对称分布，这与一般的冲刷规律是相符的，监测结果表明了本发明的装置和方法对海上发风电桩基础的冲刷状态实时监测具备可靠性和有效性，可以实现远程连续、实时监测冲刷演变。
31.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
技术特征：1.一种海上风电桩基础的冲刷实时监测装置，其特征是，它包括：多个刚性空心支架；多个土压力传感单元，所述土压力传感单元安装于刚性空心支架的上表面，用于监测上覆土层压力变化；多通道数据采集单元，所述多通道数据采集单元用于收集所述土压力传感单元监测得到的土压力电压模拟数据，并将其解析成数字信号；数据信号线，所述数据信号线设置在所述刚性空心支架内，所述数据信号线连接土压力传感单元和多通道数据采集单元；gprs dtu数据无线传输单元，所述gprs dtu数据无线传输单元与多通道数据采集单元电连接，用于将所述多通道数据采集单元的解析数据远程无线传输至岸上集控中心计算机；以及太阳能板，所述太阳能板用于向土压力传感单元、多通道数据采集单元及gprs dtu数据无线传输单元供电。2.根据权利要求1所述的一种海上风电桩基础的冲刷实时监测装置，其特征是：所述刚性空心支架为横截面呈倒三角形的楔形体。3.根据权利要求1所述的一种海上风电桩基础的冲刷实时监测装置，其特征是：包括四根刚性空心支架，安装后相邻两根刚性空心支架之间成90
°
夹角。4.根据权利要求1所述的一种海上风电桩基础的冲刷实时监测装置，其特征是：包括八根刚性空心支架，安装后相邻两根刚性空心支架之间成45
°
夹角。5.根据权利要求1所述的一种海上风电桩基础的冲刷实时监测装置，其特征是：所述gprs dtu数据无线传输单元采用modbus485通讯协议传输数据。6.海上风电桩基础的冲刷实时监测方法，其特征是，安装权利要求1-5任意一项所述的海上风电桩基础的冲刷实时监测装置，包括以下步骤：s1制造：根据桩基础尺寸及设计监测范围，制造刚性空心支架，并将其依次均匀固定安装在桩基础表面设计高度处，形成“桩翼”结构；s2预置：将土压力传感单元的底部按一定间距均匀固定于刚性空心支架的上表面，土压力传感单元的数据信号线内置于刚性空心支架内部通道；s3沉桩：将桩基础沉贯至设计深度，将土压力传感单元的数据信号线引出桩外；s4连线：将多通道数据采集单元、gprs dtu数据无线传输单元和太阳能板安装至塔筒上部平台，并将各部件连通，土压力传感单元的数据信号线接入多通道数据采集单元；s5调试：各部件连通后进行供电调试，观察土压力传感单元、多通道数据采集单元及gprs dtu数据无线传输单元工作是否正常；s6监测：设置数据采集频率，开启冲刷深度监测，根据所有监测数据绘制冲刷深度剖面分布图，直观了解桩基础周围地形冲刷坑演变形态，进而指导精准制定冲刷防护策略。7.根据权利要求6所述的海上风电桩基础的冲刷实时监测方法，其特征是：数据采集频率设置为6小时自动采集一次。
技术总结本发明涉及海上风电工程技术领域，具体涉及一种海上风电桩基础的冲刷实时监测装置和监测方法，包括多个刚性空心支架；多个土压力传感单元；多通道数据采集单元；数据信号线；GPRS DTU数据无线传输单元，GPRS DTU数据无线传输单元与多通道数据采集单元电连接，用于将所述多通道数据采集单元的解析数据远程无线传输至岸上集控中心计算机；以及太阳能板，太阳能板用于向土压力传感单元、多通道数据采集单元及GPRS DTU数据无线传输单元供电。本发明可远程实时、连续地对海上风电桩基础周围局部冲刷状况进行监测，便于运维人员准确掌握冲刷坑发展形态，对风险进行评估和预警，从而保证风电机组的安全运行。风电机组的安全运行。风电机组的安全运行。
技术研发人员：祝文龙 徐海滨 刘开源 简斌 戴维冬 于光明
受保护的技术使用者：中国长江三峡集团有限公司
技术研发日：2022.03.28
技术公布日：2022/7/5
