中国能源资讯网全球碳中和目标愿景下，海上风电凭借其距离用电负荷近、发电稳定、不占用陆地土地资源等优势，在新能源电力行业中迅速发展，海上风电并网装机容量持续增长，但是就当前海上风电建造情况来看仍然存在诸多问题。海上风电基础的稳定可靠对风电场长周期安全稳定运行、保证经济效益尤为重要。
海上风电场远离陆地，目前只能通过定期巡检和形成的故障影响发现故障耗费大量的人力和造成巨大的经济损失。而海上风电基础冲刷是一个缓慢变化的过程，定期巡检无法及时发现海上风电基础冲刷情况。海上风电基础在水流冲刷基础周围土体的过程中，基础的承载力都在发生着变化；与此同时，基础的水平承载力将会随着冲刷坑的扩展而减小，一旦基础的承载力由于冲刷坑的不断扩大而不足以支持风电机组海上风电机组的正常工作时，整个海上风电机组就会发生失稳等事故，造成巨大的经济损失。因此，对风电桩基进行冲刷研究具有重要意义。
冲刷机理
在波浪和水流的共同作用下，海上风电桩基会导致桩基附近水流质点的流线产生变化，桩基影响了一定范围内的水流状态。在桩基朝向来流的一侧形成马蹄涡，桩基的背水侧出现尾涡并可能伴随着涡流发散，水流流态紊乱，波浪的反射和散射，波浪破碎以及泥面处土颗粒受到流态改变而产生的上、下压力不平衡，进而出现的砂土液化现象；使得结构物附近局部范围内土颗粒被水搬运走，从而使得海床土体有可能产生冲刷。
图1 桩基周围的局部冲刷
一般地，桩基受水流冲刷这一状态可在两种情况下达到平衡：
（1)静态平衡，此时水流的强度不足以使床面泥沙发生运动，这种平衡通常发生于桩基周围的水流较缓慢时；
（2)动态平衡，此时水流的强度超过泥沙起动的界限，床面发生泥沙运动，泥沙的来量和去量保持平衡，这种平衡几乎伴随于桩基冲刷的整个过程。
对于原来不发生泥沙运动的区域，由于桩基的存在，会产生局部泥沙运动；对于原来发生泥沙运动的区域，这时将会加剧局部冲刷，且冲刷出来的泥沙将会在流势较弱的地方淤积下来，形成相应的冲刷坑和堆积区。同时，冲刷坑的加深会使坑内的水流流势减弱，从坑内冲走的泥沙量也将会减少。当平台桩基的冲刷达到动态平衡时，坑内冲走的泥沙量与从坑外输入坑内的泥沙量相等，冲刷坑的深度达到一个极限值。这个极限值还会随着风、浪、流以及季节的变化而在平台桩基周围发生局部砂土淤积或冲刷的交替变化。
冲刷影响
冲刷对风机基础产生以下几方面的不利影响:
（1）基础冲刷将减小桩基础的入土深度，降低桩基础的承载力；
（2）基础冲刷使桩的悬臂长度增加，从而使风机水平变形加大，同时增加桩基础的倾覆弯矩；
（3）基础冲刷使风机机组结构的自振频率降低。使基础疲劳应力幅值增大、应力循环次数增加，影响机组的疲劳寿命。
图2 冲坑深度与风机基础自振频率的关系
图3 冲坑深度与风机基础疲劳损伤度的关系
国内外研究现状
桩基冲刷的问题最早在20世纪60年代末由 Palmer 提出,他现场监测了波浪与水流联合作用下单桩周围海底的冲刷坑形成过程与冲刷速率，得出了一些有益的结论。20世纪70年代以后,随着桩基冲刷问题越来越引起人们的关注,对此领域的研究投入逐渐增多。国内外学者在桩基冲刷动力机制、冲刷过程,冲刷坑形态,冲刷深度计算以及不同地质类型对冲刷过程的影响等方面研究取得了一定的进展。
目前对于桩基冲刷的研究主要通过现场监测和模型试验来进行,且以后者为主。现有的模型试验中,很难能够依靠建立的比尺模型来精确描述波浪﹑潮流作用下的桩基实际冲刷过程和形成冲刷坑的几何尺寸,因此,还主要依靠试验数据取得的经验关系来推测桩基冲刷状况。现有的研究多集中在关注恒定作用下桩柱周围形成漩涡的特性,而对潮流作用下的桩基冲刷研究却不多。
冲刷治理方法
1冲刷测量
1、冲刷监测
根据监测装置与待测海床的相对位置关系，目前对海上建筑物的局部冲刷监测装置可大致分为埋入式、接触式和非接触式三类。
埋入式局部冲刷深度监测装置将传感器装置埋入建筑物周围的海床，根据水土的比热容不同，水中和土下的受力情况不同，不同冲刷深度磁感应的强弱等变化等原理测量冲刷深度。通过在土层中由上向下按固定间隔埋设多个发报器，发报器随着土层冲刷逐一发生移动向上漂浮，发报器内的震动感应器侦测到震动后发出不同编码的无线电信号，由信号接收机接收后读码得到实时冲刷深度。这类传感器虽然可以比较准确地感知海床高程的变化，但存在很多缺点，比如：将传感器埋入海床涉及的水下开挖、打桩等水下作业工程量较大；埋入海床的传感器锚固强度有限，在汛期容易被连根拔起，丧失监测能力；单套埋入式局部冲刷深度监测装置仅能对单点的冲刷深度进行测量，如需对建筑物周围进行大面积的冲刷深度监测或者冲刷宽度监测，则需安装多套装置，经济投入显著增大。
接触式局部冲刷深度监测装置通过建筑物上的支架固定冲刷深度测量装置，装置底部与海床表面接触。当海床的冲刷深度增大时，因为重力原因测量装置底部随之下滑，通过观察杆下滑长度、绳的长度变化、结连滑动变阻器的电阻变化等方法对冲刷深度进行实时监测。接触式冲刷深度监测装置整体测量精度较高，其缺点主要有：难以监测海床因淤积而抬升的过程；单套接触式局部冲刷深度测量装置仅能对单点的冲刷深度进行监测；接触式监测装置需要将测量仪器与海床接触，极容易带来局部扰动的同时不可避免地会造成测量误差。
非接触式冲刷深度监测装置在建筑物上架设支架，支架上安装冲刷深度测量装置，通过超声波测距仪等传感器测量局部冲刷深度。其优点是可以通过在支架上安装多个传感器并使用旋转支架测量多个测点的冲刷深度，提高监测效率，但仍然存在多个关键缺陷，比如超声波在水中的传播速度受温度、泥沙浓度等因素影响，根据时间乘速度计算得到的冲刷深度自然存在一定的误差、由于支架为悬臂梁结构，长度越大，稳定性越差，容易因摆动而引起测量误差。
2、冲刷检测
现阶段，利用以多波束测深系统、侧扫声呐为代表的声呐设备对海上风电场水下结构冲刷状况开展检测，是评估其水下结构生命周期的最主要手段。其中，多波束测深系统可以获取目标区域高精度的水深数据及点位，生成反映海底地貌特征的三维立体图像，但对海底的细致特征反映较差；侧扫声呐可以获取目标区域高分辨率的二维平面影像，但位置信息及水深数据精度较低吧两者单独使用均无法获得全面、高精度的水下基础数据。
图4 海上风电基础冲刷检测图
2冲刷防护
目前海上风电单桩基础防冲刷保护的方案主要有抛填（抛砂带、抛石）、固化土防护、土工布（砂被，土工布压实、连锁块等）、仿生水草治理等方法；抛填防护法在海流流速较大的海域易流失，形成二次冲刷，适用于海底环境较平稳的海域；仿生水草治理适用于含泥沙量较大、水质浑浊、无法有效观测效果的海域。因此，具体的防护措施需根据冲刷程度、波浪流速、海底地质条件邓综合评定，正对性地制定相应的防护措施。
1、抛石法
（1）防护机理
抛石防护是传统防护方法，通过机械或人工抛投块石、卵石等天然石料，在指定区域堆砌形成防护结构。通过合理搭配不同粒径级配的石块可达到反滤效果，阻止海床泥沙从块石缝隙流失，增加海床泥沙运移临界流速，从而达到防冲刷的作用。另外，抛石也可增大桩周附近局部糙率，减小水流流速。
图5 抛石防护示意图
图6 海上风电抛石防护
（2）特点
取材容易，石块、沙袋易取。
施工难度低，对于施工船机设备要求不高。
施工便捷、工期短。
易流失，容易形成二次冲刷，维护量大。
2、固化土法
（1）防护机理
淤泥固化是一种复合实用型材料固化新技术，淤泥中水分与固化剂接触，发生水化、水解反应，生成水化产物和胶凝物质。胶凝物质可凝结、包裹淤泥中的细小颗粒，形成一个由水化胶凝物为主的骨架结构。利用激发剂激发淤泥中次生矿物的活性，稳定推进反应进程，于淤泥中反应生成硅酸盐类高强度的架构。理论上，固化胶凝的生长周期较长，固化土一旦形成，寿命为50～100a。
采用固化土护底结构进行冲刷防护是通过淤泥固化土的饱和性、较强的水稳定性、防冲刷性（无侧限抗压强度≥400kPa）、整板性和边界延展性形成护底结构。
（2）特点
抗冲刷能力强。材料整体匀质性佳、黏聚力指标高、抗冲刷能力强。在本工程测区潮流最大底层流速为1.486m/s，桩身周边最大流速（2.229m/s）约为海底最大流速的1.5倍，考虑富余，固化土抗冲刷能力设计为可以抵抗4m/s以上流速的水流冲刷。
结构整体性佳。底部贴合且融合于海床形成紧密的大整板结构，表面光洁，底部不渗水，具有显著的抵御涌浪破坏作用效果。
桩基贴合性好。流动性易于控制，与桩基紧密贴合，无缝隙，不易形成冲刷点。
水稳定性及耐久性强。固化土稳定、使用寿命长、维护修复较少、维护成本低，能有效解决基础防护和修复中的诸多难题。
施工安全与可靠。通过管道泵送，远离桩基，施工中减少对海缆、桩基碰撞可能产生的损伤，施工安全有保障。
施工便捷、高效。固化土流动性强，在船上搅拌固化土后直接通过泵送至指定部位，覆盖全面，可规模化作业，效率高。
环保价值高。固化土为环保型材料，使用固化土替代砂石料等减少了不可再生资源的消耗，环保效果明显。
3、土工布压实
（1）防护机理
土工袋（土工织物编织袋、土工膜袋等）充填混凝土块、石块、砂、土等不同充填物后作为码头、防波堤或近岸工程的防冲刷防护的应用历史悠久。其整体性好，施工方便，适应变形能力强。
土工布法主要有砂被覆盖或连锁排覆盖，尤其是砂被法在国内早期的海上风电场应用实例较多，砂被或连锁排整体加工制作，通过吊架或敷设船整体安装铺设，海上施工周期相对较短，铺设位置及均匀性的控制相对较好；但砂被在波流的反复冲刷下存在流失风险，目前无长期可靠使用的实例验证，砂被和连锁排施工如下图所示。
图7 砂被施工和连锁排施工
（2）特点
工期短。
铺设位置易于控制。
均匀性有保证。
但是在反复冲刷情况下，砂被存在流失的风险。
4、仿生水草治理
（1）防护机理
仿生草叶片在浮力作用下飘浮，产生柔性粘滞阻尼作用，使海底流速降低，减缓洋流对海床的冲刷，并使洋流中夹杂的泥沙不断地沉积到仿生草基垫上。经过一段时间的沉积，形成沙丘，从根本上控制冲刷的产生，保护海底结构物。
仿生海草技术是基于海洋仿生学开发研制的海底防冲刷技术，其作用机理是：仿生海草锚固在海底需要防止冲刷的预定位置，海底水流流经这一片仿生海草时，由于海草的柔性粘滞阻尼作用，流速降低，使得水流中携带的泥沙在重力作用下不断沉积到仿生海草安装基垫上，长期作用下该区域逐渐形成海底沙洲，达到避免冲刷的目的，仿生水草作用机理如下图所示。
图8 仿生水草作用机理图
（2）特点
预制式仿生草防冲刷单元及防冲刷系统是一种“柔性”治理方式，可实现25年以上的免维护，达到一次治理一劳永逸的效果。从冲刷根源治理，使洋流达不到冲起泥沙的流速，促进海水中泥沙的淤积，促进已冲涮坑的回淤，彻底消除冲刷隐患。
有效降低海上风电基础防冲刷的造价成本及运营维护成本，防止海缆冲刷悬空。
自然贴合海底生态环境，抗环境变化能力强。
施工周期短，费用低，施工后立刻生效且作用周期长，无需后续维护。
安装方便，使用灵活，可多形状组合，适用广，治理彻底。
对生态环保。无任何化学用剂，对海洋生物无任何影响。
结语
在实际工程中，海上风电单桩基础在承受传统波、流荷载冲刷的同时还遭受周期性的风、浪、流以及风机叶片转动所引发的振动荷载，着实存在两个方面研究点复杂耦合的情况。因此，未来该领域的研究应加强对这一复杂耦合现象的研究，深入探究冲刷过程对风机单桩基础结构动力特性的影响，揭示复杂荷载动力条件下风机单桩基础附近的冲刷机理，精细预测最大冲刷深度，进一步优化现有冲刷防护设计，为近海风电工程桩基创新设计、管理和维护提供可靠科学依据。
