海上风电单桩摇摆与波浪作用对单桩附近瞬态海床响应联合效应研究

《Applied Ocean Research》：Study on the combined effects of offshore wind turbine rocking and wave action on transient seabed response near monopile

　　

在清洁能源需求增长的背景下，海上风电快速发展，单桩（monopile）作为最广泛采用的基础形式，其长期可靠性受风、浪、流及机舱运行振动等耦合环境荷载威胁。现有物理模型试验常把环境荷载简化为集中力，忽视沿海床的波浪荷载竖向分布；数值范式多将结构动力响应与波浪引起海床行为解耦，或用等效弹簧模拟土抗并忽略渗流与液化。已有海床稳定评估又常假设桩静止不动，忽略结构-海床相互作用。单桩风机具有转子1P频率（约0.15～0.25 Hz）与叶片通过3P频率（约0.45～0.75 Hz）的宽频激励，摇摆引起桩-土界面滑移与三维非对称应力路径。研究人员指出，波浪本身由多单色分量叠加而成，海床是具有频率依赖性的滤波器；但单桩摇摆如何改变海床滤波行为、不同波峰波谷与循环桩-土作用相位下瞬态孔压与瞬时液化尚缺系统研究。为此，研究人员开展波流槽试验与波-摇-结构-海床相互作用（WRSSI）建模，分析规则波与JONSWAP谱不规则波下孔压空间分布，用频域与小波相干揭示摇摆对孔压能量再分配的影响，并借助数值模型考察波与桩位移不同相位组合下的应力集中与瞬态液化深度演化，从而辨识最不利荷载相位组合，说明传统静桩假定可能低估摇摆单桩周围海床失稳风险。

研究背景方面，海上风电单桩基础在极端风暴中塔顶水平位移可达桩径0.15倍，设计必须考虑大幅值循环荷载下动力响应与疲劳。流体-结构-海床相互作用（FSSI）模型虽在防波堤等结构取得进展，但单桩受更强烈摇摆与位移效应；现有研究多聚焦单一荷载，缺少波浪与单桩摇摆联合的物理模型试验，也缺乏摇摆修正海床频率滤波行为的系统认知。

本研究发表在《Applied Ocean Research》。研究人员以Envision 5.2 MW风机为参照、几何比尺λ_L=1:100、弗劳德相似（时间比尺λ_T=λ_L^0.5=0.1）建立波流槽模型；沙床中值粒径d₅₀=0.184 mm、厚h=0.8 m，单桩嵌入60 cm，顶部安装由齿轮电机、偏心装置、张力传感器与弹簧组成的可调单向循环加载系统，水位d=0.5 m，规则波周期1.2 s、JONSWAP谱周期1.2～2.0 s，循环频率0.2～1 Hz、力21～42 N，布置14个CYY2孔压传感器与波高仪、激光位移计。

关键技术方法上，研究人员采用弗劳德比尺小比尺通用模型，用单向循环加载系统模拟单桩摇摆；以接触式波高仪与激光位移计同步采集波面与桩头位移；用微型孔压传感器获取桩周不同深度孔压；以(p_wave+cyclic-p_wave)/γ_w归一差量刻画桩运动贡献；并用全局小波谱、低中高频带（0–0.3 Hz、0.3–1.5 Hz、1.5–3 Hz）能量与波-孔压小波相干分析频域特征；最后建立波-摇-海床相互作用（WRSSI）模型模拟典型相位下振荡孔压与液化深度。

研究结果如下。

3.1 摇摆单桩周围孔压振荡响应与幅值分布比较分析：通过规则波、JONSWAP不规则波及叠加单向循环荷载的时程与幅值分布研究，研究人员发现波浪孔压随深度衰减并滞后；桩摇摆使波形偏离正弦、出现高频谐波，压缩侧与拉伸侧响应不对称，X=10 cm处增幅大于桩基附近；力敏感在浅中层为正，频率敏感在0.5–1.0 Hz上层增强，说明联合响应非单调。

3.2 桩基周围孔水压力频域特征：通过小波谱与相干分析，研究人员发现深度增加使低频能量E_L占比上升；尽管波与荷载低于1 Hz，桩摇摆显著放大高频孔压能量E_H，z=28 cm处中频E_M出现双峰，表明波致与桩致信号干涉；相干图显示摇摆降低波面-孔压在特定时段频带的相关性。

讨论与结论部分，研究人员认为传统固定桩假设忽略摇摆引入的非线性谐波与能量再分配，会低估桩周瞬态孔压梯度、渗流力与瞬时液化风险。单桩摇摆不是简单叠加动荷载，而是通过非线性耦合改变海床频率滤波行为：浅中层孔压能量向泥线转移，深层响应被削弱；最不利波-桩相位组合会诱发应力集中与瞬态液化深度增加。研究意义在于为海上风电单桩基础一结构一海床耦合设计提供试验与数值证据，说明未来FSSI模型须同时纳入波浪渗流-泥沙输运模块，以及桩-土微观颗粒动力学引起的土体非均质效应。

研究结论可译为：单桩摇摆显著改变波浪引起海床响应的时空与非线性特征；物理试验证实摇摆放大高频孔压能量并造成压缩/拉伸区不对称；频域分析表明海床自然滤波被摇摆重构，低频穿透增强、中频耦合双峰、高频谐波生成；WRSSI数值结果表明波峰/波谷与桩位移的特定相位组合最利于应力集中与瞬态液化；常规静桩假定会低估海上风电单桩周围海床失稳风险，工程上应将结构摇摆-波浪-海床耦合纳入基础设计与稳定性评估。