人工礁体作为海上风电单桩冲刷防护的创新实验研究

为解决海上风电单桩基础面临的局部冲刷问题，清华大学团队通过水槽实验系统研究了立方体和半球形人工礁体(ARs)的防护效能。固定床实验揭示ARs可消除50%-80%尾流流速，活床测试表明立方体ARs实现100%冲刷深度削减但存在边缘失稳风险。该研究为兼具生态效益与工程稳定性的ARs优化布局提供了科学依据。

　　

随着全球可再生能源需求激增，海上风电场(OWFs)建设规模持续扩大，其中单桩(monopile)基础面临严峻的局部冲刷(scour)挑战。海洋水流和波浪作用导致桩基周围沉积物持续流失，直接影响结构承载力。传统防护措施如抛石(riprap)虽广泛应用，但存在生态兼容性不足等问题。人工礁体(Artificial Reefs, ARs)作为兼具生态修复功能的海洋结构物，其流场调控特性为冲刷防护提供了新思路。然而，ARs与单桩耦合作用下的流-固-沙多相作用机制尚未阐明，制约了工程应用。

清华大学研究团队在《Ocean Engineering》发表的研究中，通过固定床(fixed-bed)和活床(live-bed)水槽实验，系统评估了立方体与半球形ARs的防护性能。采用粒子图像测速技术(PIV)捕捉流场特征，结合冲刷地形测量，揭示了ARs调控水动力过程的微观机制。

实验设计
研究在清华大学水利实验室开展，选用3×3紧密排列的ARs阵列。固定床实验通过PIV获取垂直断面流速场，采样频率25Hz；活床实验测量平衡状态下冲刷深度/宽度。对比分析了立方体与半球形ARs对单桩周围下降流(downflow)、尾流(wake flow)及涡流(vortex)的影响差异。

流场特征分析
PIV数据显示：立方体ARs几乎完全消除单桩迎流面下降流，尾流流速降低50%-80%；半球形ARs虽能衰减尾流，但会诱发桩前下降流。流线可视化表明，立方体结构通过引导水平分流抑制垂向流动，而半球体表面曲率导致流动分离。

冲刷防护效能
活床实验证实：立方体ARs在单桩上下游实现100%冲刷深度抑制，但边缘冲刷(edge scour)导致ARs位移；半球形ARs提供中等防护效果(约60%深度削减)，但抗边缘冲刷稳定性更优。进一步优化布局实验显示，调整ARs间距可平衡防护效果与结构稳定性。

结论与展望
该研究首次量化了ARs作为单桩冲刷防护的工程-生态双重效益。立方体ARs在短期防护中表现卓越，而半球形ARs更适合长期稳定需求。研究提出的"流场调控-结构稳定"协同设计准则，为海上风电基础防护提供了新范式。未来需结合波浪-水流耦合条件，开展ARs材料耐久性及生态效益的长期追踪。这项由华能集团科技项目(2022YFB4201300)支持的研究，标志着我国在海洋可再生能源与生态工程交叉领域取得重要进展。