探秘吸力基础渗透特性：渗流助力，解锁海上风电新可能

海上风电发展迅速，但面临投资成本高、安装困难等挑战。吸力基础（SF）虽有优势，但渗流影响其穿透阻力。研究人员开展基于砂土渗流的 SF 穿透特性研究，提出增强渗流的吸力基础（SFES）。结果显示 SFES 能降阻且减少管涌区域，为海上风电基础设计提供新思路。

　　在当今能源领域，海上风电作为极具潜力的可再生能源，正蓬勃发展。它拥有丰富的风能资源、占地少、对环境影响小等诸多优势，就像一座等待挖掘的巨大宝藏，吸引着众多科研人员和能源开发者的目光。然而，这座宝藏的开采并非一帆风顺，海上风电面临着一系列严峻的挑战。高昂的投资成本犹如一座难以逾越的大山，阻碍着项目的大规模推进；恶劣的海上环境条件，如汹涌的海浪、复杂的海流，使得设备的安装和维护困难重重；而复杂的安装程序更是让整个工程变得棘手，其中吸力基础（SF）的安装就是一个关键难题。

吸力基础在海上风电建设中占据着重要地位，它的成本约占总成本的 35% - 55% 。虽然它具有便于运输和安装、能适应大水深且无需海底预处理等优点，但在实际应用中，渗流成为影响其穿透阻力的关键因素。在吸力辅助穿透过程中，过大的土壤塞形成以及管涌现象时有发生，这不仅阻碍基础达到目标深度，甚至可能导致安装失败，严重影响海上风电项目的进展。因此，如何深入了解渗流对吸力基础的影响，并找到有效的解决办法，成为科研人员亟待攻克的难题。

为了解决这些问题，研究人员开展了基于砂土渗流的吸力基础穿透特性研究。他们提出了一种创新的增强渗流的吸力基础（SFES），通过在传统吸力基础内部设置可降解材料，形成突然收缩结构，旨在降低基础内部土壤的松动，增强内侧砂土的超孔隙水压力，从而降低穿透阻力。这项研究成果发表在《Applied Ocean Research》上，为海上风电基础的设计和应用带来了新的希望。

在研究过程中，研究人员主要运用了模型实验和数值模拟两种关键技术方法。在模型实验方面，他们使用二氧化硅砂在模型容器中构建纯饱和砂海床，制备了传统吸力基础（SF）和增强渗流的吸力基础（SFES）模型，并利用由真空泵、负压储罐等组成的实验装置，对比不同收缩比下吸力辅助穿透的阻力。数值模拟则借助 COMSOL Multiphysics 软件，对 SF 在砂土中的吸力辅助穿透过程进行模拟，通过与现场试验数据对比验证模型的有效性。

下面来看具体的研究结果：

1. 无孔隙水流时的穿透阻力：当 SF 顶部排气孔打开，穿透过程中不产生渗流场，此时穿透阻力 V 等于自重 W 与配重 F_j之和，也等于基础内侧 V_i、外侧 V_o和尖端 V_tip的穿透阻力之和。这个公式为后续研究渗流对穿透阻力的影响提供了对比基础。
2. 吸力辅助穿透特性
   • 渗流作用下的穿透阻力：SF 在自重和配重作用下达到一定深度后，密封排气孔启动泵抽水，产生渗流场。此时，基础内侧产生向上水力梯度，外侧产生向下水力梯度，且内侧水力梯度更大。土壤颗粒受到的渗流力导致基础内侧和尖端有效应力降低，穿透阻力减小，而外侧有效应力增加，穿透阻力增大。当渗流力大于有效应力时，会发生管涌现象。SFES 通过设置可降解材料形成突然收缩，改变了渗流场，其吸力辅助穿透阻力也有所不同。
   • 穿透阻力降低的评估：研究人员引入了多个系数来评估穿透阻力的降低情况，如基础内侧、外侧和尖端的阻力总变化系数 r_in、r_out、r_tip以及 SFES 相应的 R_in、R_out、R_tip。这些系数与渗透深度、超孔隙水压力等因素相关，通过对比这些系数，可以清晰地看出 SF 和 SFES 在不同条件下的阻力变化情况。
   • 管涌：管涌发生时，土壤颗粒的渗流力等于其水下单位重量。研究中用参数 ζ 描述受管涌影响的砂区域，当 ζ≥1 时理论上发生管涌，ζ 值越大，管涌可能性越大。在吸力辅助穿透中，管涌会影响基础穿透和服务性能，而 SF 在砂土中存在 “失效安全机制”，但较大的松动面积可能降低安全裕度。
   • 阻力变化系数：阻力降低评估公式由无量纲系数 e 或 E 和 “吸力数” 组成，吸力数可反映管道条件和土壤松动概率。在吸力辅助穿透试验中，砂土的性质和渗透系数会因土壤颗粒迁移而改变，这为后续研究提供了新的方向。
   
   
3. 渗流对穿透过程的影响
   • 模型验证：通过将数值模拟得到的 SF 穿透过程中的吸力与 Port Tenby 的实测数据对比，验证了模型的有效性。研究发现，模拟结果中吸力与穿透深度的关系符合 Darcy 定律，即当泵送流量恒定时，吸力随穿透深度增加而线性增加。
   • 渗流条件：对比 SF 和 SFES 在不同穿透深度下的超孔隙水压力分布和渗流流线，发现 SFES 由于内部可降解材料形成的突然收缩，使得其超孔隙水压力分布与 SF 不同，产生的吸力 s_ES更高，且 α_s=s_ES/s>1。同时，SFES 在泥线处的内侧超孔隙水压力绝对值明显大于 SF，但沿侧壁差异减小，外侧超孔隙水压力两者差异较小。
   • 渗流对基础穿透阻力的影响：研究表明，渗流使 SF 内侧阻力减小，外侧阻力增大，且随着穿透深度增加，内侧阻力减小效果更明显，外侧阻力增大趋势变缓。SFES 由于突然收缩产生更大的水力梯度和向上渗流力，其内侧阻力降低效果比 SF 更好，阻力变化系数 E_in比 SF 的 e_in降低了 8.4% - 25.9%。在相对穿透深度 h/D≥0.2 时，SF 和 SFES 基础壁穿透阻力变化系数因渗流呈线性下降；h/D<0.2 时，呈非线性变化。
   • SFES 的穿透阻力：通过对比 SFES 和 SF 的内、外、端阻力变化系数，得出不同相对穿透深度下的变化规律，并给出了相应的拟合曲线公式。根据这些公式，可以计算出 SFES 在不同条件下的穿透阻力，为实际工程应用提供了理论依据。
   • SF 和 SFES 中管涌的分布：研究发现，在相同穿透深度和泵流量下，SFES 的管涌区域（ζ≥1）比 SF 小，例如当 h = 1.8m，泵流量为 3Q₀时，SFES 产生管涌的区域比 SF 少 27.9%。这表明 SFES 能有效减少管涌现象，降低安装风险。
   
   
4. 突然收缩尺寸对穿透特性的影响
   • 突然收缩对吸力的影响：在 SFES 中，突然收缩率 C_SC（可降解材料直径与 SF 直径之比）与吸力 s_ES相关。在相同穿透深度下，s_ES随 C_SC的增加而增加，且相对穿透深度越大，s_ES越大，这一结果符合 Darcy 定律。
   • 突然收缩对穿透阻力的影响：突然收缩不仅影响吸力，还影响基础内壁的超孔隙水压力。较大的收缩率会导致更大的压力降和更大的影响范围，使基础内部阻力减小更明显。同时，随着收缩率增加，内、外和尖端阻力系数 E_in、E_out和 E_tip减小，其中 E_in和 E_tip为负值，表明内部和尖端阻力减小，且减小效果随收缩率增加而增强；E_out为正值，但数值随收缩率增加而减小，且受相对穿透深度影响，深度增加时，收缩率对其影响变小。
   
   

综上所述，本研究通过模型实验和数值模拟，深入分析了渗流对吸力基础穿透特性的影响，并提出了增强渗流的吸力基础（SFES）。研究结果表明，SFES 在降低穿透阻力和减少管涌区域方面具有明显优势，为海上风电吸力基础的设计和优化提供了重要的理论依据和实践指导。这一研究成果有助于推动海上风电产业的发展，降低项目成本，提高安装效率和安全性，在未来海上风电领域具有广阔的应用前景。同时，研究中发现的一些现象和规律，如砂土性质在试验中的变化等，也为后续相关研究提供了新的方向和思路。