海上风电单桩基础冲刷预测、监测与防护技术研究进展与挑战

针对海上风电单桩基础(OWT monopile)面临的冲刷危害问题，研究人员系统综述了冲刷深度预测模型、基于桩-土相互作用的实时监测技术及防护措施优化方案，揭示了现有经验公式的局限性，提出了结合动态响应监测的创新方法，为保障海上风电结构安全运行提供了重要理论支撑和技术路径。

　　

随着全球能源转型加速，2023年可再生能源已占新增发电容量的87%，其中海上风电(Offshore Wind Turbine, OWT)因其空间潜力大、风能效率高等优势成为重要发展方向。然而复杂海洋环境导致的单桩基础(monopile)冲刷问题日益凸显——英国Robin Rigg风电场两座单桩基础因冲刷仅运营6年即报废，而桥梁基础的历史数据更显示58%的垮塌事故与冲刷相关。这种由水流涡流(horseshoe vortices)引发的局部冲刷(local scour)可使基础侧向承载力下降50%以上，严重威胁OWT动态敏感结构的频率稳定性。

大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的研究团队在《Ocean Engineering》发表综述，系统梳理了冲刷问题的三大技术环节：通过对比21种经验公式发现现有预测模型精度不足；创新性提出结合声学传感器与结构振动频率的复合监测体系；首次评估了流场改造与土体加固两类防护措施的量化效果。研究采用文献计量分析与案例验证相结合的方法，重点考察了流速(U_c)、泥沙粒径(d₅₀)等关键参数的影响规律。

主要研究结果

1. 冲刷深度影响因素：揭示涡流强度与泥沙起动临界剪切应力(τ_cr)的负相关关系，发现桩径(D)与水深(h)比值D/h>0.1时冲刷深度骤增。
2. 预测方法对比：证明中国规范公式在粗砂(d₅₀>1mm)场景误差达35%，而改进的Eulerian-Lagrangian模型可将精度提升至±15%。
3. 监测技术创新：开发基于固有频率偏移量(Δf)的预警系统，当Δf>5%时预示冲刷深度已达危险阈值。
4. 防护措施优化：首次量化表明组合式防护（导流板+灌浆）可使回流区流速降低40%，较传统抛石方案成本减少25%。

该研究不仅建立了首个包含动态响应参数的冲刷风险评估框架，更提出了"预测-监测-防护"三位一体的技术体系。特别是发现结构振动基频(f₀)与冲刷深度(S_e)的非线性关系，为开发非接触式智能监测系统奠定了理论基础。未来研究需重点解决全场景适用性预测模型构建、冲刷形态动态重构算法等挑战，这些突破将直接支撑中国在建的50GW海上风电项目安全运行。论文由Jingcheng Cui领衔完成，获国家自然科学基金(52378326)资助。