基于聲吶圖像的海上風電樁基局部沖刷實時監測研究

王振雙，郇彩云，陳露露

（1.中國三峽新能源（集團）股份有限公司江蘇分公司，江蘇 南京 210019；2.浙江省深遠海風電技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310014；3.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

我國海上風能資源稟賦優越，隨著“碳中和、碳達峰”宏偉目標的實施，綠色、清潔、高效的海上風力發電近年來取得了長足的發展。沿海各省不僅將海上風電作為綠色低碳的新能源發電方式，更將其視為推動海洋經濟發展、搶占新能源產業高地的重要抓手。

目前，海上風力發電主要將風力發電機安裝于海床上的固定式樁基上，由風力發電機捕捉風能，將風能轉化為電能。海上風電場樁基的施工建設勢必會改變原先海床的波浪、海流、泥沙等水動力環境，打破原本已經建立的泥沙輸運平衡，從而使得樁基周圍的海床產生局部沖刷，形成威脅風機系統安全運行的沖刷坑。一方面，樁基局部沖刷會減小樁基的入土埋深，增加樁基結構的自由段長度，降低樁基水平承載力、增加樁基傾覆力矩和風機水平位移，影響樁基穩定性；另一方面，樁基局部沖刷會降低樁基-風機結構的自振頻率，引起風機整體結構共振，增大結構疲勞應力值，增加應力循環次數，影響風電機組的疲勞壽命[1]。因此，對風電場樁基局部沖刷的研究具有積極的科學意義和重要的工程價值，可為風電場樁基的設計優化和沖刷防護措施的實施提供必要的理論依據和實踐經驗。

1 研究方法

影響樁基局部沖刷的因素有很多，包括水深、流速、波高、波周期、波長、樁徑、底質粒徑、泥沙級配等，其沖刷機理較為復雜。對局部沖刷問題，基于現場實測水下地形資料的分析都是一種可靠而常用的研究手段，專家學者已開展了大量研究。曾成杰等[2]利用5 次水下地形實測資料，分析洋口港液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）碼頭棧橋樁基局部沖刷特征，認為樁基局部沖刷的控制性動力為潮流，沖刷坑形態呈雙向水流沖刷形式，其分布與漲落潮流相對強弱密切相關，沖刷坑形態、深度與樁基尺度和布置有關，沖刷范圍和深度隨水流強度的增大而增大。潘冬冬等[3]以湛江某海上風電場樁基局部沖刷實測水下地形資料為基礎，研究樁基所在海床平面沖淤特征和局部沖刷的深度、沖刷坑寬度，并利用經驗公式的計算結果進行驗證，結果發現實測最大局部沖刷深度小于經驗公式計算值，說明該風電場采用砂袋和砂被聯合防沖刷保護效果措施較好。楊元平等[4]利用金塘大橋2014 年、2015 年、2017 年6 個引橋墩的多波束實測水下地形資料，分析橋墩的一般沖刷和局部沖刷特征。劉新華[5]基于廣東某海上風電場某機位處6次多波束水下地形實測資料，建立數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），計算和分析樁基周圍海床沖淤過程特征，并結合水動力因素研究了沖淤機理。王金權等[6]應用多年實測地形測量資料，對杭州灣跨海大橋海中平臺區的海床地形特征、建橋前后海床沖淤變化規律進行了分析，結合數學模型分析了海中平臺區的水動力分布特征，揭示了海床沖刷機理。王亞康[7]和,建中[8]通過風電場樁基沖刷防護施工實際案例，分別介紹了優化的拋石防護方法（在拋石石料層中增設砂被反濾層）和新型淤泥固化土防護方法，并通過防護施工前后和風機正常運營期間的多次多波束掃測，對沖刷防護實施效果進行監測，發現機位樁基周邊海床未發生更大沖刷，沖刷防護修復成功，這兩種方法可為類似海上風電基礎防沖刷的設計施工提供借鑒。仲得林等[9]利用山東渤海埕島油田2 個海上石油平臺基礎6 次水下地形實測數據，對石油平臺基礎的水下地形變化進行了系統研究，提出了平臺基礎局部存在著快速沖刷-緩慢沖刷-沖淤交替的動態平衡過程。孫永福等[10]對埕島油田典型平臺周邊多年的水深地形資料進行對比，探討平臺樁基周圍形成沖刷坑的沖刷深度、幾何形態和分布特征，對其沖刷機理進行了分析。張瑋等[11]利用埕島油田的現場實測水下地形數據對王汝凱、韓海騫公式進行計算驗證，發現疊加波浪作用條件下的韓海騫公式計算結果與實測結果較為接近，認為疊加波浪作用條件下的韓海騫公式較為適宜類似埕島油田這種淤泥質海岸海上風電場樁基局部沖刷的計算。

雖然現場實測水下地形資料為樁基局部沖刷的研究提供了可靠實用的手段，但現場水下地形測量成本較高、受海況影響大。現場實測一般安排在風電場定期運維期間，運維間隔一般較長，且相對于風電樁基20 年的設計使用周期來說，數次現場水下地形的測量時間顯得十分短暫，屬于短期監測，其測量結果的偶然性和不確定性亦隨之增加，尤其無法獲知每次測量間隔期間樁基周圍海床的沖淤變化，以及臺風等極端天氣條件下樁基周圍海床的沖淤變化。

針對這一問題，本文以江蘇大豐某海上風電場代表機位的樁基局部沖刷實時監測為例，介紹了一種基于聲吶圖像處理技術的局部沖刷實時監測系統，該系統具有長周期連續觀測、無人值守、海況適應性強、數據自動存儲傳輸等特點，長期、實時、連續的監測既能豐富樁基周圍海床的水下地形基礎數據，掌握其長期沖淤演變趨勢規律，又能及時發現極端天氣下樁基周圍海床地形地貌的驟變，以便及時采取防護措施，保障風電場的安全運行，并為相似工程提供參考借鑒。

2 系統介紹

樁基局部沖刷實時監測系統包括樁基監測終端和陸上監控端，如圖1 所示。樁基監測終端的設備安裝在樁基上，接收陸上監控端的工作指令，完成數據采集、存儲和回傳等功能；陸上監控端的設備安裝在陸上遠程監控室，主要由各種服務器組成，可接收樁基監測終端設備回傳的監測數據，完成數據后處理和顯示功能，向樁基監測終端發送工作指令。

圖1 海上風電樁基局部沖刷實時監測系統示意圖

2.1 樁基監測終端

樁基監測終端包括掃描聲吶、控制單元和水密互聯纜。

2.1.1 掃描聲吶

掃描聲吶固定安裝在樁基上，聲吶實物如圖2所示，一臺聲吶對應一個監測方向，可以連續測量某方向上距離聲吶探頭0～80 m 處的海床高程變化情況，其擴展性強，可擴展至一個樁基多個監測方向。掃描聲吶具有兩個特點：一體化和旋轉掃描。一體化可保障掃描聲吶不會受外力和外部環境影響，全套聲吶系統自成體系，而且通過水密透聲罩與外界隔離。旋轉掃描保證掃描聲吶可以獲取某一方向的密集采樣點。本監測系統安裝兩臺掃描聲吶，分別監測N-S 方向和W-E 方向的斷面，其掃描測量示意圖如圖3 所示。掃描聲吶固定安裝在樁基上，聲吶探頭垂直于海床面，安裝高程低于最低潮面，并配備入水傳感器，以確保探頭始終位于水下。工作時，通過掃描探頭的旋轉可測量距聲吶探頭80 m 量程范圍內的海底高程；測量間隔為每1小時掃描測量一次，測量分辨率達2 cm。

圖2 掃描聲吶實物

圖3 掃描聲吶掃描測量示意圖

2.1.2 控制單元和水密互聯纜

控制單元的功能主要是接收陸上監控端的工作指令，控制掃描聲吶工作，采集、存儲各掃描聲吶的掃測數據，并將數據通過水密互聯纜傳回陸上監控端。水密互聯纜利用風電樁基提供的光纖接口完成數據傳輸和系統控制的雙向傳輸，實現各設備之間的水密連接。

2.1.3 系統供電和防腐設計

監測系統的供電方式是外部供電模式，來源于風力發電機發電，并配備穩壓裝置，防止供電電壓的不穩定。此外，監測系統配備有備用電源，以防外部風機供電發生故障，備用電源由太陽能板向蓄電池充電，蓄電池通過電池控制器向系統供電。由于掃描聲吶長期處于海水中，為了防止聲吶探頭的海洋生物附著影響聲波發射和接收的效率，降低聲吶的探測距離和精度，本系統的聲吶探頭采用充油裝置來保護聲吶探頭，并配置油壓補償裝置。此外還添加了特殊材料制成的透聲橡膠罩來對聲吶探頭進行保護，該橡膠罩便于定期更換（圖2 下部所示暗紅色即為透聲橡膠罩）。為了保證監測系統的安全穩定，在風電場的定期運維期間對監測系統進行維護，主要包括聲吶探頭透聲橡膠罩的更換、聲吶探頭安裝高程的基面校準、系統升級、監測數據備份、備用蓄電池更換等。

2.2 陸上監控端

陸上監控端包括數據存儲模塊和數據分析服務器，可24 小時在線監測樁基監測終端的運行狀態，并進行數據分析，完成數據后處理和顯示功能，并向監測終端發送工作指令。通過監控端數據分析服務器對實時監測數據進行自動分析和人工分析，可形成海床高程自動監測曲線和三維圖，據此即可對樁基周圍海床的高程變化和沖淤趨勢進行長期實時的跟蹤監測。

2.3 實時監測數據分析處理

（1）數據解析：將自定義的dat 文件中的參數、聲吶數據讀入，并且轉存為mat 格式，便于后續快速導入。根據每條掃描線的角度，提取一次掃描中完整的一周數據。

（2）坐標系轉換及圖像保存：將原始極坐標系下的數據轉換為直角坐標系，并保存一個掃描面的原始聲吶圖像，如圖4（a）所示。

圖4 監測斷面高程數據的圖像處理

（3）海底跟蹤：對每幅掃描圓周數據進行底跟蹤，獲得海底高程線，如圖4（b）所示，圖中紅色線即為所監測海床斷面的高程線。

（4）海底高程線綜合處理：對長期監測獲得的多條海底高程線進行綜合處理，獲得各采樣點高程隨時間的變化曲線，繪制掃測斷面的高程隨時間變化三維趨勢圖。

3 系統應用

3.1 監測對象概況

在江蘇大豐某海上風電場選擇代表機位安裝監測系統進行樁基局部沖刷實時監測，該風電場位于江蘇岸外輻射沙洲的毛竹沙北側海域，代表機位為單樁基礎，樁徑7.25 m，樁基原始泥面高程-20.3 m（本文所涉高程基準均為1985 國家高程基準）；場區最大流速1.48耀1.66 m/s，平均流速0.76耀0.93 m/s，落潮流速大于漲潮流速，漲潮流主流向約200毅左右，落潮流主流向約20毅左右；場區平均含沙量0.067耀0.235 kg/m3；懸沙中值粒徑12.8 滋m，場區底質中值粒徑18.96耀199.84 滋m。

3.2 監測系統應用

在樁基上安裝兩臺掃描聲吶，其中，聲吶1#對應N-S 方向掃測斷面，聲吶2#對應W-E 方向掃測斷面（圖3）。經過2022 年7 月進行的試測和相關調試，該系統自2022 年8 月正式開始實時監測工作，完成共計5 個完整月的實時監測。根據監測數據，繪制各月掃測斷面高程隨時間變化的三維趨勢圖，提取各月代表時刻掃測斷面的高程數據，繪制相應的斷面高程曲線圖。同時，為了對實時監測系統的監測成果進行對比驗證，分別在2022 年9月15 日、12 月15 日在樁基中心50 m 伊50 m 范圍內進行了多波束水下地形測量，根據多波束測量數據繪制系統監測斷面的高程曲線圖和平面沖淤分布圖，將其和同時期實時監測系統的監測成果進行對比，以檢驗沖刷實時監測系統的監測效果。

4 實時監測成果分析

4.1 監測斷面高程變化分析

1#聲吶掃測N-S 向斷面，其斷面高程各月的三維變化如圖5 所示，2# 聲吶掃測W-E 向斷面，其斷面高程各月的三維變化如圖6 所示。兩個掃測斷面在各月選取某一代表時刻，根據監測數據繪制其斷面形態，分別如圖7 和圖8 所示。

圖5 各月1#聲吶掃測N-S 向斷面高程隨時間變化的三維趨勢圖

圖6 各月2#聲吶掃測W-E 向斷面高程隨時間變化的三維趨勢圖

圖7 各月代表時刻1#聲吶掃測N-S 向斷面形態圖

圖8 各月代表時刻2#聲吶掃測W-E 向斷面形態圖

由圖5 至圖8 可以看出，在2022 年8—12 月的5 個月時間內，樁基周圍形成明顯的沖刷坑，沖刷坑最大沖刷深度可達8 m。沖刷坑的N-S 向和W-E 向斷面形態保持穩定，呈現“V”型，斷面高程保持較為穩定狀態，未出現高程突變的情況，總體呈現略沖深的變化趨勢，沖深幅度不大，總體在1.0 m 以內，每月平均沖深幅度不到0.20 m；斷面寬度的變化很小，說明沖刷坑的大小較為穩定。

4.2 多波束測量成果的對比分析

2022 年9 月和12 月分別進行了一次多波束水下地形測量，根據這兩次的多波束測量成果，提取聲吶掃測斷面的高程數據，繪制斷面形態，并和同期聲吶監測斷面成果進行對比驗證，如圖9 和圖10中所示，聲吶監測和多波束測量的成果較為吻合，斷面形態保持一致，斷面高程相差亦不大。N-S 斷面聲吶和多波束測量的斷面平均高程差值分別為0.24 m 和0.29 m。W-E 斷面聲吶和多波束測量的斷面平均高程差值分別為0.18 m 和0.28 m。兩次聲吶監測和兩次多波束測量的斷面高程變化趨勢也一致，均為總體略沖深趨勢，沖深幅度多在0.5 m 以內。

圖9 N-S 向斷面聲吶監測和多波束測量成果對比圖

圖10 W-E 向斷面聲吶監測和多波束測量成果對比圖

根據兩次多波束測量成果，繪制了樁基周圍海床形勢圖和該時間段海床沖淤平面分布圖如圖11 所示，風電樁基周圍海床發育明顯的橢圓形沖刷坑形態和場區潮流場相吻合，橢圓長軸方向和漲、落潮主流方向保持一致，短軸方向則垂直于漲、落潮主流方向，樁基附近局部沖刷坑形態呈馬蹄形，樁基迎流側的沖刷深度大于樁基兩側，最大沖刷深度出現在樁基迎著落潮流的一側。上述沖刷坑的形態特征表明，樁基周圍海床的主要沖刷走向為潮流的主流向，說明在推廣應用該系統前需收集所在海域的潮流場數據資料，在潮流場的主流方向加密布設多條監測斷面，以達到最佳監測效果，這也是本系統的后續探索方向。如圖12 所示，樁基周圍海床沖刷坑形態變化不大，總體呈現微沖刷狀態，沖刷幅度較小，大多在0.5 m 以內，這和聲吶監測斷面高程變化的分析成果相吻合。

圖11 樁基周圍海床形勢圖

圖12 樁基周圍海床沖淤平面分布圖（2022 年9 月15 日至2022 年12 月15 日）

5 結 論

沖刷實時監測系統的監測結果和多波束測量結果相吻合，說明該系統的監測效果較好，能夠適用于海上風電樁基局部沖刷實時監測。和傳統水下地形測量手段相比，該系統的最大優越性在于能夠長期、實時、連續監測，實現實時顯示樁基沖刷坑監測斷面的高程和形態變化情況，且不受惡劣天氣、海況的影響，能夠監測極端天氣影響下樁基周圍海床的地形突變情況，以便及時采取維護措施。系統監測顯示，研究機位樁基周圍產生的漏斗狀沖刷坑，其最大沖刷深度已達8 m，為保證風機系統的安全穩定，建議采取樁基沖刷防護措施。

本系統尚處在探索階段，在樁基上只安裝了兩臺掃描聲吶，沖刷坑的平面形態分析表明樁基周圍海床的沖刷主要順著潮流主流方向，所以應重點在潮流主流方向加密布設多條監測斷面，其他方向也適當增加監測斷面數量，進而從多個方向全面監測沖刷坑的平面形態和高程變化，以達到最佳監測精度。