复杂海上结构物波浪-水流诱导冲刷的精细化分析：基于Ucw和KC数的导管架桩基局部冲刷预测模型

本研究针对海上风电导管架基础结构在波浪-水流复合荷载下的局部冲刷问题，通过1:30比例水槽实验，首次建立了基于相对波流速度(Ucw)和Keulegan-Carpenter数(KC)的前后桩冲刷深度预测方程，并创新性提出统一的有效功量(W*)预测模型。研究揭示了结构几何复杂性导致的冲刷时空异质性特征，为海上风电基础设计提供了关键理论支撑。

　　

随着全球海上风电装机容量的快速增长，导管架基础因其在深水区的经济性优势逐渐替代单桩结构。然而这种空间桁架结构的复杂几何特性，使得传统单桩冲刷预测模型产生高达300%的误差。欧洲北海风电场的实测数据显示，导管架桩基局部冲刷深度可达预测值的3-4倍，而比利时C-Power风电场则出现同时存在高估和低估的混乱情况。这种预测不确定性直接威胁着价值数十亿欧元的海上风电资产安全，亟需建立针对复杂结构的精细化冲刷预测方法。

德国汉诺威莱布尼兹大学的研究团队在40米×24米的大型三维波流水槽中，采用1:30缩尺模型开展了系统性实验。研究团队创新设计了四桩导管架结构模型，配备4台超声波测深仪(E1-E4)实时监测前后桩及结构下方的局部/全局冲刷发展。通过13组波浪-水流复合工况（包括JONSWAP波浪谱和最大5m³/s的泵送流量）的对比实验，结合ADV流速仪测量近床流动特性，首次完整记录了不同KC数(4.9-23.4)和U_cw(0-1)组合下的冲刷时空演化规律。

3.1 涡流系统机制解析
通过流场可视化发现，导管架结构产生的涡流系统具有显著的位置依赖性：纯流工况下呈现类似串联桩群的屏蔽效应；波主导工况(U_cw<0.44)时前桩涡流能量快速耗散；流主导工况(U_cw>0.44)则形成贯穿结构的马蹄涡系统。这种复杂的涡动特性导致前桩在KC=6.7时冲刷深度达0.67D，而后桩在KC=19.9时才出现最大冲刷2.18D的相位滞后现象。

3.2 局部时变冲刷特征
长达16小时的持续观测揭示，全局冲刷会延迟局部平衡状态的达成。当θ_cw=0.132时，前桩在8小时后仍以0.5D/8h的速率持续冲刷。区别于单桩的规律，导管架前桩无量纲时间尺度T与θ_cw^-3/2在波主导区呈负相关(r=-0.36)，而后桩在流主导区呈现反常的正增长(r=0.46)。研究据此建立了分区间的T预测方程，其预测精度较Larsen-Fuhrman模型提高42%。

3.3 极限冲刷深度预测
通过融合Welzel等(2019a)的13组数据，提出了无残余误差的新型预测方程：前桩S_end/D=(0.45+exp(-5U_cw^2.5-3.3KC^0.2+6))^-1，后桩采用9U_cw³替代U_cw^2.5项以反映几何遮蔽效应。该模型对Chen(2014)数据的验证显示，前桩预测R²达0.8，较Sumer-Freds?e模型的负预测能力有本质提升。

3.4 有效功量统一模型
创新性地引入有效功量W*=∫(u(t)-0.6u_c)⁴/u_Rdt/t_c参数，建立适用于前后桩的统一指数关系式：S_end/D=2.32(1-exp(-0.08W*^0.23))。该方法通过时变流速积分有效量化了复杂荷载历程的累积效应，在Whitehouse等(2023)的现场数据验证中表现出良好适用性。

这项发表于《Ocean Engineering》的研究首次系统揭示了导管架结构在斜交波流作用下的冲刷机理差异，建立的U_cw-KC-W*多参数预测体系，将海上风电基础冲刷预测精度提高了35-40%。特别是发现的结构诱导涡流重分布现象，为未来考虑节点高度、斜撑角度等