海上风电结构内水位调控对冲刷引起的固有频率降低的缓解作用分析

针对海上风电结构因冲刷和海水渗透导致的固有频率(NF)偏移问题，研究人员通过内水位(IWL)控制策略，结合15 MW单桩基础模型，分析了不同土质(密砂/松砂)和水深条件下IWL对NF的调控效果。研究发现，密砂中IWL可补偿0.5D冲刷深度导致的NF损失(最大影响2.5%)，而松砂因埋深不足仅能缓解0.4D。该研究为深水区大直径单桩(8-11m)设计提供了NF精准预测和冲刷 mitigation 新思路。

　　

随着全球海上风电向深水区发展，单桩基础(Monopile)的尺寸正突破性增长至XXL级别(直径8-11m)。然而，这种巨型结构面临两大挑战：一是海床冲刷会显著降低结构固有频率(Natural Frequency, NF)，如Horns Rev 1风场数据显示1.3D冲刷深度可导致NF下降5%；二是海水渗透形成的内水位(Inner Water Level, IWL)会进一步改变NF特性。当NF接近转子1P或叶片3P频率时，共振风险将威胁结构安全。目前设计标准虽规定了1.3D-1.5D的冲刷深度余量，但未充分考虑IWL与冲刷的耦合效应，尤其在深水大直径单桩场景下，IWL影响可能被放大。

为破解这一难题，韩国能源技术评价计划院(KETEP)支持的团队以IEA-15-240-RWT型15 MW风机为对象，通过有限元(FE)建模和理论公式验证，系统研究了IWL对NF的调控机制。研究发现，在密砂条件下，增加单桩直径可扩大IWL对NF的调控范围(最大影响2.5%)，当冲刷深度达1.5D时，IWL能有效补偿0.5D冲刷导致的NF损失；而在松砂层中，临界埋深不足会放大IWL影响，但仅能缓解0.4D冲刷。研究首次量化了水深增加时IWL效应的非线性增长规律，为深水风电结构设计提供了关键参数。

关键技术方法包括：1) 基于DNVGL-ST-0126标准的集中弹簧模型模拟土壤-结构相互作用(SSI)；2) 建立含IWL的流体-结构耦合(FSI)有限元模型；3) 通过Winkler模型验证不同土质(密砂/松砂)下的冲刷效应；4) 对比分析8-11m直径单桩在40-120m水深的NF响应。

Simplified foundation stiffness model and approximation formulae for flexible foundations
研究采用集中弹簧模型简化SSI刚度计算，推导出考虑IWL的NF预测方程。通过与FE模型对比验证，该方程在早期设计阶段能准确反映水深、单桩直径与壁厚的耦合影响。

Wind turbine model description
基于IEA-15-240-RWT模型的FE分析显示，该15MW直驱式风机在240m叶轮直径、110m塔高条件下，单桩直径变化对IWL敏感性呈现非线性特征，验证了理论方程的适用性。

Result
关键发现包括：① 密砂中单桩直径每增加1m，IWL调控范围扩大0.8%；② 水深超过60m时，IWL对NF的影响增速提升40%；③ 松砂层因临界埋深不足，1.5D冲刷导致的NF损失比密砂高1.2%。

Conclusion
该研究证实IWL控制可成为抵消冲刷效应的有效手段，尤其在深水大直径单桩场景下。提出的NF预测方程能同时考虑IWL和冲刷，为设计阶段提供"双重保障"：既提高NF预测精度，又通过主动调控降低共振风险。研究强调，未来XXL单桩设计需综合评估临界埋深、土质刚度与IWL的交互作用，这对提升深水风电结构全生命周期安全性具有里程碑意义。

讨论部分指出，当前工业标准尚未涵盖IWL的动态影响，而随着单桩向14m直径发展，渗透海水体积可能呈立方级增长。团队建议在GL和API标准中增加IWL补偿条款，特别是在松砂地质区域，需结合临界埋深进行优化设计。该成果为下一代20+MW超大型风机的基础设计提供了理论基石。