利用现场海底检测数据评估海上风电场防冲刷保护措施的有效性

《Ocean Engineering》：Assessment of scour protection effectiveness in offshore wind farms using in-situ seabed inspection data

冲刷预测模型基于硅固化土壤保护系统的现场数据，通过时空演变分析和长期有效性验证，揭示了不同水动力条件下冲刷坑的几何特征与演变规律，为海上风电基础优化设计提供理论支撑。

　　
在海洋能源开发领域，单桩基础作为支撑海上风力涡轮机的核心结构，其抗冲刷性能直接影响工程安全与经济性。近年来随着12MW以上大容量风机量产，单桩直径突破12米、壁厚达150毫米的巨型结构在50米以上水深区域应用比例持续攀升。这种基础形式虽然能有效应对波浪、潮流等动态载荷，但改变了局部水动力场，诱发复杂流场结构，导致桩周冲刷坑快速形成。英国Robin Rigg风电场工程实例表明，即便采用常规防护措施，仍有约6.7%的桩基在部署后6年内发生严重冲刷，直接造成2.5万吨级单桩基础失效。这促使学界重新审视传统冲刷防护体系的局限性。

研究团队选择东海某72机位风电场作为观测场域，该区域水深8-14米，呈现半日潮汐特征，潮汐波系统因半岛地形产生独特的旋转式流动场。通过部署多模态监测系统（包括声学多普勒流速计、三维地形扫描仪和GIS传感器），连续追踪桩基周围冲刷坑的时空演变规律。重点创新体现在：首先，建立了包含冲刷深度、坑道宽度、容积变化的参数化评价体系，通过机器学习算法对离散观测数据进行曲线拟合，突破传统单一参数监测的局限性；其次，创新性引入土壤-流体耦合分析模型，将沉积物固结特性与流体动力学参数关联，成功预测了新型土工材料（硅固化土壤）的长期防护效能。

研究揭示冲刷发展存在显著阶段性特征。初期（0-24个月）冲刷速率达0.12毫米/天，主要受湍流剪切力影响；中期（24-72个月）进入平台期，平均每月仅增长0.3毫米；后期（72个月以上）受生物膜形成和颗粒重组作用，速率回升至0.08毫米/天。这种非线性演变规律颠覆了传统线性预测模型，特别是对于直径超过10米的超大型单桩，其冲刷坑体积与桩径平方呈指数关系。实验数据表明，在典型砂质海底条件下，未防护桩基在18个月内就会形成超过1.5米深的冲刷坑，而硅固化土壤防护层可使这一临界时间延长至353个月，相当于当前主流海上风电设备的25年设计寿命。

冲刷防护效能评估体系包含三个核心模块：水动力场解析、沉积物输运模拟和结构响应分析。研究团队通过建立多尺度耦合模型，首次将桩周3米范围内的流场结构（如涡旋尺度、驻波频率）与沉积物分选机制（颗粒级配、生物扰动度）进行关联分析。实验数据显示，当相对冲刷深度超过桩径的15%时，基础刚度下降幅度可达23%，而桩周土壤固结度超过75%时，抗冲刷能力提升幅度超过300%。这种量化关系为防护层厚度设计提供了精确依据，传统经验公式中3倍桩径的防护范围被证明在特定海况下存在30%的冗余。

研究特别关注新型防护材料硅固化土壤的长期性能。通过对比传统抛石基床（0.8-1.2米厚度）与硅固化土壤（0.6米厚度）的防护效能，发现后者在相同埋深条件下可使冲刷速率降低至传统方法的1/8。材料失效临界点出现在固化体孔隙率低于28%时，此时渗透系数降至10^-5 cm/s量级，基本阻断海流携带的悬浮物渗透通道。但研究同时警示，在潮差超过4米的区域，硅固化层需附加柔性衬垫以应对周期性干湿循环引起的材料开裂风险。

针对冲刷演化预测，团队开发的多参数回归模型突破了传统单一变量预测框架。该模型整合了6类关键参数：基础几何特征（直径、壁厚、埋深）、环境水动力（潮汐振幅、波能密度、最大流速）、沉积物特性（有效粒径、曲率系数、有机质含量）以及防护结构参数（厚度、渗透性、抗冲刷强度）。通过机器学习算法对2018-2024年间采集的1.2万组观测数据进行非线性拟合，建立预测精度达92%的时空演化模型。该模型成功预警了3处桩基存在未达设计标准的潜在冲刷风险，指导工程团队及时增补防护层。

在工程应用层面，研究提出了"分级防护响应机制"。根据冲刷速率-时间曲线特征，将防护策略划分为预防期（0-24个月）、监控期（24-72个月）和强化期（72个月以上）。预防期重点监控基础周围0.5米半径范围内的流场结构变化，当涡旋频率超过15 Hz时启动局部加固；监控期采用三维激光扫描每季度评估冲刷深度，当累计冲刷量超过设计值的10%时自动触发补充防护措施；强化期则需结合潮汐周期调整监测频率，并评估是否需要更换硅固化材料。这种动态防护体系在试点工程中使维护成本降低40%，同时将桩基安全寿命延长至设计值的1.8倍。

研究还揭示了海洋环境中的非线性耦合效应。在东海某风电场实测中，当硅固化层厚度达到1.2米时，其抗冲刷性能与厚度呈指数关系。但超过1.5米后，材料渗透性下降导致的周边区域盐度分层效应反而会削弱防护效果。这种"最优厚度"现象在波浪能量密度超过2000 J/m2的区域尤为显著。团队据此提出"梯度防护设计"，在基础不同高度配置差异化的固化材料，使上段采用孔隙率35%的中强度材料，下段采用孔隙率45%的低强度材料，这种设计使整体防护效能提升27%。

对全球37个典型风电场的元数据分析表明，单桩基础冲刷失效中78%源于对非均匀沉积物的误判。研究团队开发的沉积物分选指数（DSI）为：DSI=(D50/D100)^2×(S85/S15)^0.5，其中D50表示有效粒径，S85/S15为颗粒级配系数。当DSI>0.8时，必须采用分级固化工艺。在东海案例中，DSI值达1.23的粉细砂质海底，传统均质固化层仅维持18个月防护效能，而采用DSI分区固化后，有效期延长至58个月。

该研究成果已成功应用于"海上风电2025"国家重大专项中的5个示范工程。在浙江舟山某10MW机组平台，通过部署智能监测系统，实时采集12个关键冲刷参数，结合潮汐预测模型动态调整防护层厚度。工程运行数据验证，这种自适应防护系统使冲刷体积减少63%，维护周期从3年延长至8年。研究团队还开发出便携式硅固化材料检测仪，可在现场快速测定固化层的孔隙率、抗压强度和渗透系数，检测精度达到±3%。

未来研究方向集中在多物理场耦合作用机理和智能防护系统开发。针对不同海底地质条件（如砂砾混合层、黏土质海底）的防护效能差异，研究提出建立"地质-水动力-材料"三维匹配模型。在智能防护方面，团队正试验利用形状记忆合金制作的可变形防护罩，当冲刷深度达到预设阈值时，防护罩能自主膨胀填充坑道，这种动态响应机制理论上可使防护效能提升5倍以上。目前已在南海某深水风电场完成试验性部署，实测数据显示冲刷速率降低82%。

该研究不仅为单桩基础冲刷防护提供了量化设计指南，更构建了涵盖风险评估、材料优化、智能监测的完整技术体系。其建立的冲刷预测模型已被纳入《海上风电基础设计标准》（GB/T 31335-2025）修订草案，其中关于防护层厚度与材料性能的推荐值将影响未来10年全球海上风电基建投资超千亿元的装备选型。在环保层面，通过优化固化材料配比，使单位防护成本从1.2万元/吨降至0.35万元/吨，同时将二氧化碳排放强度降低41%，这对实现《巴黎协定》温控目标具有重要实践价值。