关于浪潮影响下海上风电桩基局部冲刷机理的研究

关于浪潮影响下海上风电桩基局部冲刷机理的研究

韦桥斌,张虎,田永强

广东粤电珠海海上风电有限公司

摘要：针对多种海上风机基础结构，通过水下机器人（ROV）搭载三维多波束扫描声呐，开展海上风机基础结构在复杂动力环境下的冲刷机理研究。实测巡检，定期跟进风机基础冲刷情况，保障风电场安全运维。

关键词：海上风电；海上风电桩基；水下机器人；多波束声呐

A Study on scour mechanism of offshore wind power pile foundation under the influence of wave and tide

Wei qiaobin,Zhang hu,Tian yongqiang

Guangdong Yuedian Zhuhai Offshore Wind Power Co., Ltd

For a variety of offshore wind turbine infrastructure, the erosion mechanism of offshore wind turbine infrastructure in complex dynamic environment was carried out by underwater vehicle (ROV) equipped with 3D multi-beam scanning sonar. Measured patrol inspection, regular follow-up of wind turbine foundation erosion, to ensure the safe operation and maintenance of wind farms.

Keywords: offshore wind power;offshore wind pile foundation;Underwater robots;Multibeam sonar

全球范围内的能源供给需求随着全球经济的持续发展而快速增长。风力发电技术相对成熟，成本相对较低，是我国主要发展的清洁能源之一。特别是在宣布了“双碳目标”影响后，国家推出多项政策推动引导新能源的发展，我国风电行业正式进入了高速成长期[1]。海上风力相对陆上风力有其独特的优点：其一，海上风力资源集中在对电力的需求相对旺盛的沿海发达地区；其二，不具有对土地资源的附加占用；其三，海风风速平稳，不受障碍物影响，波动性更低，发电量更大。而作为海上风电三大基础件之一，海上风电桩基连接导管架和海床地基，对抗海水冲击、抗腐蚀、抗风等特性要求极高。由于海底洋流、潮汐等环境影响复杂，海床地质条件不稳定，海上风电桩基的局部冲刷问题必须考虑流体、海床以及桩基之间的相互作用[2]。由此可见，对风电桩基局部的冲刷规律与机理研究的能够为海上风电设备的设计、施工和维护提供理论依据和建议，从而促进我国风电技术的发展。

本项目针对海上风机基础结构，包括单桩基础、导管架基础和负压桶基础，开展了海上风电运维期间海上风机基础结构在复杂动力环境下的冲刷机理研究，论述了在潮流与波浪作用下水流冲刷对风机基础结构稳固性影响的定量、定性关系。

1 三种主要的桩基类型

在海上风电基础型式的选择上，欧洲已安装的海上风电机组大多采用了单桩固定式，占到总量的80.8%；接下来是重力式 (7.5%) 、导管式6.6%) 三脚架结构(3.2%)、三桩式(1.9%)和漂浮式（0.02%）。当前，国内已经投入使用的海上风电场的基本形式三大类：单桩基础、导管架基础和负压桶基础。本章节简单分析了这三类桩基的优势与问题。

1.1 单桩基础

单桩基础分为钢桩和钢筋混凝土管桩两种基础形式[3]。单桩基础采用一根钢管桩，钢管桩直径 4~7 米，桩长数十米，采用大型沉桩机械打入海床，打入深度在15～50米，单桩承载力达到500～2600吨，上部采用过渡段与钢管桩进行灌浆连接，过渡段与塔筒之间采用法兰连接，过渡段同时起到调平的作用。适应于覆盖层地质及水深在30米以下区域。钢管桩结构体，钢不要求对海床做预先的准备，不需混凝土浇筑和围堰，制造相对简单，施工速度和效率高，但海水较深时可能会因柔性较大而产生隐患[4]。单桩基础目前在已建成的海上风电场中得到了最广泛的应用，特别适用于单机容量较小、水深较浅或中等水深的海域。

钢筋混凝土管桩一般使用直径5～6米，壁厚50～100厘米的管桩，钻孔深度与钢桩相近，但单桩承载力略高，适合1500～3000吨。由于同样不需要对海床进行预处理，且管桩由工厂预制后送至现场安装，所以速度施工较为方便较快。但安装时必须使用大直径的钻孔设备，并配备大吨位浮吊吊装机构。

1.2 导管架基础

导管架基础采用三根或三根以上的钢管桩打入海底，导管架与钢管桩之间通过灌浆连接形成整体，导管架上部为连接段，顶部通过法兰与塔筒连接。导管架基础分为双倾、单倾、直式几种形式，具有很好的刚度和承载能力，对水深和地质条件的适应性较广，基础是目前欧洲海上风电场用得较多的一种基础型式，也是未来发展的趋势。根据打桩的先后顺序，导管架基础分先桩法导管架基础与后桩法导管架基础。后桩法导管架基础与海洋石油平台的导管架基础类似，导管架基础上设置有防沉板与桩靴（又称“桩套管”），先沉放导管架后，再将钢管桩从桩靴内打入海床，后桩法导管架基础在英国的 Beatrice 海上风电示范项目中应用过，以后绝大部分导管架基础均为先桩法。

这一类型的桩基适用于更深水域，覆岩承载力高。优点是该打桩设备对打桩设备的要求较低：首先，打桩护套基础结构轻便，施工起来较为容易;其次，这种桩基会先在工厂加工，再整体运输安装。美中不足的是，这种方法在实际操作中需要相对较长的时间，且我国尚缺少较为高效率、高质量的水下灌浆技术，成为该基础形式应用和施工的难点[5]。

1.3 负压桶基础

负压桶基础是一种具有较好技术性和经济性的新型基础[6]。吸力桶的技术研究很多，但是实际工程应用相对较少，原因在于此种基础对地质条件有一定要求，技术难度较大并且有失败的教训，但是由于其本身在施工、承载和重复利用等方面有独特的优势，在英国、德国和丹麦受到关注。吸力桶在滩涂海上风电场和海上测风塔中有过应用。本文重点讨论的是三桩负压桶的桩基局部冲刷机理。吸力式筒形基础通常采用钢箱或钢筋混凝土结构，基础浮式运输，注水下沉，筒内抽水，利用筒内外水头差产生压力将基础下压入土至设计位置，适用于水深、砂质性土层。负压桶基础的主要优点是：入泥面深度浅，可有效避免嵌岩问题[7]；在施工过程中无噪声和振动；具备可重复利用的优势。

2 模型与计算方法

本文通过数值方法建立考虑流体、海床以及桩基的三维耦合模型研究海流作用下海上风机桩基的局部冲刷问题。数值模型中流体流动的控制方程为包含了几何效应信息的面积积分项和体积积分项的N-S方程以及 RNG K-E湍流模型，海床泥沙输运模型考虑泥沙输移的夹带、悬移质输送、沉积以及推移质输送所有泥沙冲刷机制，在此基础上对海上风机桩基的局部冲刷的机理进行探讨，提出适用于复杂海洋动力环境中海上风机桩基的冲刷深度计算公式。

3 桩基局部的冲刷机理

3.1 单桩基础的冲刷机理

海上风电机组基础建设后，潮流和波浪引起的水体运动会受到显著的影响。当海流到达桩基后，因受到桩基的阻挡作用，而在桩前出现了爬升，与此同时下在紧挨桩基的部分压力减少从而在桩前和桩后出现了明显的水位差。因此在接近上游桩脚区域，因遇到了桩基阻挡，水流呈现向下流动的趋势，且桩基后方出现顺时针旋转的漩涡。这种水流的变化打破了原有的泥沙运动平衡，影响了单桩基础的稳定性[8]。

桩基的局部冲刷进行了一段时间的模型显示，首先，在风机基础的前方会形成一个马蹄涡，桩前形成的马蹄涡主要是由于水流在桩前受阻后部分水流向下方流动以及边界层和压力梯度共同作用的结果；其次，在风机基础的背流处会形成涡流（卡门涡街），水流在桩后方的流向发生变化进而导致尾流漩涡的产生，在尾流漩涡、重力以及床层摩擦共同作用下桩基下游出现泥沙堆积；再次，在风机基础的两侧流线会收缩。这种局部流态的改变，会增加水流对底床的剪切应力，从而导致水流挟沙能力的提高。如果底床是易受侵蚀的，那么在风机基础局部会形成冲刷坑，这种冲刷坑会影响基础的稳定性。海上风机桩基周围的冲刷将极大地威胁了风机的安全，所以海上风机桩基周围的局部冲刷防护具有很大的必要性。

3.2 导管架基础的冲刷机理

近年，水下三桩和导管架基础技术逐步成熟并投入使用。在导管架组桩基排列方式下，前排桩周的局部冲刷结果与单根桩的冲刷结果是基本一致。而后排桩周受前排桩的影响，桩基外侧的流体流速明显增快，而桩基内侧的流体流速受到前排桩遮挡而减小，因此后排桩的最大冲刷深度出现在两根桩的外侧区域，而桩基内侧的冲刷深度明显较浅。此外，后排桩周的最大冲刷深度随着桩间距的增大而逐渐减小。

3.3 负压桶基础的冲刷机理

本方案针对 3 桩负压筒基础的局部冲刷问题进行研究，组成海床的沙土中包含两种尺寸，即 5 mm 的细沙以及 10 mm 的中砂，其余泥沙以及流体的参数选取与单桩局部冲刷参数相同。研究三桩负压桶桩周平衡高程及桩周最大冲刷深度随时间的变化。通过建模分析，确定前、中、后三个桩周流体流速，进而分析各个桩周的冲刷深度与流速之间的关系。在本方案中，考虑桩间距加速流体的作用，流体会被阻拦而产生绕流，因此前排桩基比后排桩基冲刷深度更大。通过桩间距与桩径的数值逼近，分析三桩负压筒基础的局部冲刷计算模型。

4 一些构建模型的技术手段

海上风电桩基基础在投入运行后，桩基基础受到海水冲刷情况、海生物生长情况等后继情况，需要系统的数据记录，而这恰恰这离不开选择合适的技术手段。目前水工建筑物和水下细部结构检测的主要技术手段有水下目视检测、水下激光成像、水下光学成像、水下声呐成像等[9]。水下目视检测受限于相机成像效果和潜水员业务水平，有较大人身风险；水下激光成像因水质浑浊导致激光散射现象严重，成像质量较差；水下光学成像需要很近距离且水质相对清透才能收获高清图像；水下多波束三维成像声呐因其高效率、高精度、高分辨率和全覆盖范围成为水下模型构建的首选技术手段[10]。

本文介绍的方法是使用一套能代替潜水员的、用于海风场风机基础探测的风机基础三维扫描探测机器人，风机基础三维扫描探测机器人由海底探测中型ROV机器人运载平台、三维声呐扫描探测系统、捷联水下惯性导航系统、水下照明摄像系统等部分组成。通过母船控制台的操控使ROV移动至合适的位置后，控制三维声呐扫描工作，三维扫描声呐数据后处理生成水下景象的高精度三维点云数据，可以在零可见度的水下环境中，获得跟陆地三维激光扫描一样效果的图像。

软件部分包括Proscan、Underwater Survey Explorer及若干驱动程序。Proscan是实时控制软件，控制云台转动及声呐相关参数，声呐阵列控制软件Blueview实时显示和采集数据录制。Underwater Survey Explorer的最新Model和模块，该模块可以实现在软件工作区对声呐增强三维模型的动态控制，从而高效地实时进行三维数据成像，可输出风机基础周边地形三维数字模型图。

数字地形模型技术（digital terrain model，DTM）是指以数字的形式来表示实际地形特征的空间分布[11]。本方案三维可视化模型构建主要分以下几个步骤：确定空间范围、导入位置数据、建立三维地理数据模型。利用OpenGL图形库技术读取三维声呐扫测输出的DTM数据文件，生成风机基础及其周边局部冲刷地形模型，然后将声呐图像映射到模型表面，仿真客观的冲刷坑情况。

以三桩负压桶为例，图1为实际扫测数据图。图2是数据处理显示图。

图1 三桩负压桶实测截图

图2后处理DTM图

5 结论

对海上风电桩基局部冲刷机理的研究促进了海上风电设备的设计、施工和维护人员对于设备原理的进一步理解，对海上风场桩基设备状态可能发生的故障进行预判，从而提前发现设备隐患。另外，本文所应用的ROV搭载三维多波束扫描声呐和控制及建模系统，可用于海上风电设备的日常检查与维护，提前发现设备故障，降低故障发生率，帮助相关人员提前发现设备问题，降低运行过程中出现故障的概率，降低设备维护成本和人工成本，有效保证风电场设备的安全可靠运行，有效预防设备故障，维持风电场的安全稳定运行。

参考文献

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