鄭暉?，朱婷婷，何志云，戚永樂

（1.眼點 (上海)智能科技有限公司，上海 201210；2.江蘇省測繪工程院，江蘇 南京 210013；3.彩虹魚科技(廣東)有限公司，廣東 珠海 519000；4.中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

為更好地開展風(fēng)力發(fā)電場建設(shè)，提升海洋風(fēng)力發(fā)電能力，做好海上風(fēng)力發(fā)電場對當(dāng)?shù)睾Ｑ蟓h(huán)境影響評估是必要的。首先，風(fēng)力發(fā)電機組水下基礎(chǔ)部分在潮流及波浪的共同作用下，會對其所在海域的水下地形造成影響，該影響一般沿著潮流方向形成沖刷溝，進而生成樁基礎(chǔ)水下部分附近的侵蝕坑等水底地貌[1]，通過樁基礎(chǔ)沖刷檢測，可以了解海上風(fēng)電機組水下基礎(chǔ)部分的建設(shè)對該區(qū)域水下地形地貌的影響，還可以了解該影響是否會對類似水下構(gòu)筑物產(chǎn)生位移、傾斜、坍塌等危害；其次，通過數(shù)據(jù)采集和歷史數(shù)據(jù)的反演可以建立海域地形變化數(shù)據(jù)庫，對未來可能出現(xiàn)的變化進行模擬，預(yù)判有害影響的發(fā)生，變化過程及結(jié)果。海上風(fēng)電場安裝和運行在海洋環(huán)境當(dāng)中，相比于陸上風(fēng)電場，其自然條件更為惡劣，設(shè)備運行時受到風(fēng)荷載、地質(zhì)、波浪海流等多種復(fù)雜荷載的疊加影響。其中又以海流對海上風(fēng)電場水下結(jié)構(gòu)的沖刷影響最大，因此，對其沖刷狀況的檢測已成為運維保障的關(guān)鍵。

1 工程背景

1.1 區(qū)域概況

本項目目標(biāo)海上風(fēng)電場位于南黃海輻射沙脊群邊緣，海底地貌屬于水下淺灘、水下岸坡地貌單元，有部分沙脊，海底地形相對平坦，屬于近海淺水區(qū)域風(fēng)電場。該海上風(fēng)電項目距鹽城王港最近約36 km，最遠約 40 km，東西長約 10 km，南北寬約 20 km。以37#升壓站為中心，將風(fēng)電場分為南北兩場區(qū)。海上風(fēng)電機組分布如圖1所示。

圖1 南黃海海上風(fēng)電機組水下基礎(chǔ)沖刷實測區(qū)域及風(fēng)電機組分布Fig.1 Measured area of underwater foundation scour of offshore wind turbines in the South Yellow Sea and distribution of wind turbines

該海上風(fēng)電場大部分水下基礎(chǔ)為單樁型，如圖2所示。于2018年7月、2020年9月分別對其進行兩次沖刷監(jiān)測調(diào)查。相較于2018年測量結(jié)果，2020年初次獲取北部場區(qū)風(fēng)電水下基礎(chǔ)地形，并結(jié)合天文大潮對南部場區(qū)東沙脊處淺灘風(fēng)電水下基礎(chǔ)進行測量。

圖2 固定式單柱樁臺Fig.2 Fixed single-column pile platform

本文所采用數(shù)據(jù)，平面基準(zhǔn)采用CGCS2000坐標(biāo)系，中央經(jīng)線為122°，高程基準(zhǔn)為1985國家高程。

1.2 海域形勢

作業(yè)海域為南黃海輻射沙脊群。王穎等[1]指出輻射沙脊群是呈輻射狀分布的出露于海面以上的沙洲與隱伏于海面以下的沙脊以及沙洲或者沙脊之間潮流通道、潮汐汊道的總稱。南黃海輻射沙脊群位于江蘇省中部海岸帶外側(cè)黃海南部陸架海域，北自射陽河口，南至長江口北部的蒿枝港。南北范圍介于 32°00′N～33°48′N，長約 200 km；東西范圍介于120°40′E～122°10′E，寬約 140 km，總面積 28 000 km2。大體上以弶港為頂點，以黃沙洋為主軸，自岸成展開的褶扇狀向海輻射，由9條主沙脊和分隔沙脊的潮流通道組成，沙脊槽相間分布，其中大型沙脊在低潮位時露出水面，從北向南為東沙、麻菜珩、毛竹沙、外毛竹沙、蔣家沙、太陽沙、冷家沙、腰沙、條子泥。分隔沙脊的潮流通道及潮汐汊道眾多，水深多介于0～25 m，個別深槽最深處可達38 m。大型通道的水深超過10 m，甚至更深。主要通道有：西洋、大北槽、陳家塢槽、草米樹洋、苦水洋、爛沙洋、網(wǎng)倉洪、小廟洪等。

1.3 水動力及水文泥沙環(huán)境

本海上風(fēng)電場所屬西洋水道位于輻射沙洲北翼，受黃海旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)控制，潮汐性質(zhì)為正規(guī)半日潮。該區(qū)域潮差相對較大，平均潮差3.59 m，最大潮差為5.25 m。近岸風(fēng)場常風(fēng)向為SE向，頻率13%，次常風(fēng)向為N、E、NE向，頻率8%。強風(fēng)向為N向，最大風(fēng)速 21.3 m/s；次強風(fēng)向為W向，最大風(fēng)速 18 m/s。

2 理論研究

為理解海上風(fēng)電機組水下基礎(chǔ)侵蝕沖刷，首先，應(yīng)了解其所處區(qū)域水文狀況，認(rèn)識到潮流的常年往復(fù)沖刷會改變水下基礎(chǔ)附近水下地形；其次，應(yīng)認(rèn)識到水中單柱結(jié)構(gòu)受水流影響時，會對周邊海底環(huán)境造成影響，進而應(yīng)認(rèn)識單柱樁對周邊環(huán)境造成沖刷的原理和過程；最后，應(yīng)了解海底面沖刷現(xiàn)狀對水下基礎(chǔ)影響是否受相關(guān)規(guī)范限制要求，進而明確使用的相關(guān)規(guī)范中對此類影響的限制條件。

2.1 區(qū)域水文

林偉波等[2]指出研究區(qū)域位于南黃海輻射沙洲東北部V4站點附近，V4測站流向受地形影響最為明顯，呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)流趨勢，潮流速從北往南逐漸減小，大潮時V4的最大漲潮、落潮流速為1.09 m/s、1.25 m/s。小潮時期流速明顯減小，V4的最大漲潮、落潮流速為 0.57 m/s、0.63 m/s，如圖3 所示。

圖3 南黃海垂線平均流矢圖Fig.3 Vector map of the mean current of the vertical line in the South Yellow Sea

2.2 沖刷特征

林明惠等[3]指出單柱形水中構(gòu)筑物的建設(shè)必然改變了原有的水流特征，使原有的河床沖刷環(huán)境發(fā)生改變。當(dāng)水流流經(jīng)橋墩時，迎流面阻滯了水流，改變了水流結(jié)構(gòu)。單柱樁周圍水流結(jié)構(gòu)主要包括墩前水表面渦流（分為上下兩股水流，向上部分將動能轉(zhuǎn)化為勢能，向下部分在樁前形成渦流，將樁底部海床淘離）、樁前向下切流（與表面流下切部分形成合力，產(chǎn)生下切流，造成樁前沖刷）、馬蹄形渦流（下切流在樁前形成，具有最大沖刷能力）和尾跡渦流（水流繞過樁柱后形成湍流），如圖4所示。

圖4 單柱樁沖刷示意Fig.4 Single-column pile scour indication

2.3 理論成果

根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，韓海騫公式[4]、《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTG C30－2015）[5]中 65-2 式、65-1式在實際應(yīng)用中較為廣泛。

張瑋等[6]和祁一鳴等[7]利用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和物理模型試驗等方法研究了江蘇近海風(fēng)電場樁基局部沖刷深度，通過與實測數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)采用疊加波浪作用下的韓海騫公式進行局部沖刷深度計算更為合理。

1） 65-2 式

式中：

hb?橋墩的局部沖刷深度（m）；

Kξ?墩形系數(shù)，單柱樁取1.0；

B1?橋墩計算寬度（m）；

?河床泥沙平均粒徑（mm）；

Kη2?河床顆粒的影響系數(shù)；

v?一般沖刷后墩前的行進流速（m/s）；

v0?河床泥沙起動的流速（m/s）；

v′0?墩前河床泥沙始沖的流速（m/s）；

n2?指數(shù)。

2） 65-1 式：

式中：

hb?橋墩局部沖刷深度（m）；

Kξ?墩形系數(shù)，單柱樁取1；

B1?橋墩計算寬度（m）；

?河床土平均流速（mm）；

hp?一般沖刷后水深（m）；

v?一般沖刷后墩前行進流速（m/s）；

v0?河床泥沙起動流速（m/s）；

n1?指數(shù)；

Kη1?為河床顆粒的影響系數(shù)；

?墩前河床泥沙始沖流速（m/s）。

3） 韓海騫公式

式中：

hmax?潮流作用下橋墩局部沖刷深度，含一般沖刷和局部沖刷（m）；

k1?基礎(chǔ)樁平面布置系數(shù)，條帶型取1.0，梅花型取0.862；

k2?基礎(chǔ)樁垂直布置系數(shù)，直樁取1.0，斜樁取1.176；

B?全潮最大水深條件下平均阻水寬度（m）；

h?全潮最大水深（m）；

d50?河床泥沙的平均中值粒徑，可根據(jù)河床取樣資料的泥沙粒配曲線查得（mm）；

Fr ?水流弗汝德系數(shù)；

u?全潮最大流速（m/s）；

g ?重力加速度（m/s2）。

3 案例分析

3.1 所用設(shè)備

本文采用RESON牌Seabat-7125型多波束測深系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在四級海況下穩(wěn)定獲取水深數(shù)據(jù)，測深精度為3 cm，平面定位精度為0.5 m，航向精度0.001°，聲速測量精度 0.001 m/s，系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 多波束測深系統(tǒng)設(shè)備Fig.5 Multi-beam sounding system equipment

3.2 所用軟件

本文數(shù)據(jù)采集使用PDS軟件進行，數(shù)據(jù)處理采用CARIS軟件進行，成果圖繪制采用SURFER軟件進行。魏榮灝等[8]指出SURFER軟件在點云數(shù)據(jù)的三維表示、體積計算、圖形結(jié)果輸出中有較為優(yōu)秀的數(shù)據(jù)?圖形轉(zhuǎn)化能力和表達能力。

3.3 設(shè)備安裝

多波束測深系統(tǒng)一般采用舷側(cè)安裝方式進行，羅經(jīng)及運動傳感器安裝在船只中線上，GNSS采用雙天線形式，用以快速定向。量取各分系統(tǒng)之間相對距離，建立以羅經(jīng)及運動傳感器或測深儀安裝位置垂線為原點的船坐標(biāo)系。設(shè)備安裝如圖6所示。

圖6 多波束測深系統(tǒng)安裝示意Fig.6 Installation diagram of multi-beam sounding system

3.4 設(shè)備校準(zhǔn)

多波束測深系統(tǒng)臨時安裝受現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境影響存在4種安裝誤差[9]，分別是：

1）艏向誤差（YAW），繞Z軸（相對于鉛垂線為正）旋轉(zhuǎn)，代表了換能器安裝時艏向指向與羅經(jīng)航向的水平偏轉(zhuǎn)。

2）橫搖誤差（ROLL），繞Y軸（船頭方向為正）旋轉(zhuǎn)，代表了換能器水平面橫軸在安裝時相對船只水平面橫軸的夾角。

3）縱搖誤差（PITCH），繞X軸（左舷為正）旋轉(zhuǎn)，代表了換能器水平面縱軸與船只水平面縱軸的夾角。

4）時延（Latency），采用 1 PPS（1 Pulse Per Second，秒脈沖）進行實時改正。

換能器與船坐標(biāo)系坐標(biāo)軸關(guān)系如圖7所示。

圖7 船坐標(biāo)系示意Fig.7 Ship coordinate system

3.5 數(shù)據(jù)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

多波束測深作業(yè)中，多波束需將換能器所獲取的水深值轉(zhuǎn)換至基于大地坐標(biāo)系（CGCS2000、1985高程）的水深值才具有實際使用和討論的價值。

多波束測深系統(tǒng)單位時間內(nèi)所產(chǎn)生的是固定間距或固定偏差角度的一個條帶狀的點云（測深點），換能器可以精確地計算出每個測深點與換能器的相對位置，稱之為換能器坐標(biāo)系；運動傳感器以設(shè)定的船坐標(biāo)系原點為基礎(chǔ)將瞬時狀態(tài)下的船姿態(tài)歸算至平靜水面時的船姿態(tài)，修正了船只搖晃造成的測深誤差；衛(wèi)星定位系統(tǒng)以船只瞬時定位信息作為整條測深條帶的定位基礎(chǔ)，獲得條帶上每個測深點的大地坐標(biāo)，采用數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換關(guān)系將衛(wèi)星定位系統(tǒng)給出的大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為我們所希望使用的大地坐標(biāo)系。

換能器獲取的水深值為以換能器為原點的水深值（換能器坐標(biāo)系），船只運動時換能器原點在三維空間中擺動，與靜止時原點位置有偏差（姿態(tài)改正），換能器與其他各分系統(tǒng)存在船坐標(biāo)系位置偏差（船坐標(biāo)系），船坐標(biāo)系根據(jù)GNSS定位（GNSS坐標(biāo)系）轉(zhuǎn)換至絕對坐標(biāo)，即大地坐標(biāo)系。如圖8所示。

圖8 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換Fig.8 Coordinate system conversion

3.6 數(shù)據(jù)處理

3.6.1 潮位改正

2020年9月25日，根據(jù)單一潮位站可控制半徑15 km區(qū)域，兼顧作業(yè)便利性，在檢測區(qū)域南部布設(shè)自容式潮位儀一臺，布置前氣壓調(diào)零，測量間隔設(shè)置為10 min。經(jīng)潮位改正，從而解決了多波束由于傳統(tǒng)潮汐改正模型不合理出現(xiàn)的斷層及鋸齒狀問題，最終實現(xiàn)多波束測深條帶數(shù)據(jù)合理疊加拼接。潮位曲線如圖9所示。

圖9 2020年9月25日至30日潮位曲線Fig.9 Tide curve on September 25~30, 2020

通過潮位分析可見該區(qū)域潮汐性質(zhì)屬正規(guī)半日潮，潮波傳播方向為西北偏北-東南偏南方向，即為南北向為主。本次水下基礎(chǔ)檢測外業(yè)為小潮至中潮期間施測，測量過程平均漲潮歷時大于平均落潮歷時，平均漲潮歷時為 6 h 25 min，平均落潮歷時為 5 h 54 min，具備明顯往復(fù)流特征，且漲落潮平均流速變化不大。

3.6.2 聲速改正

2018年與2020年作業(yè)期間由于早晚與中午溫差較大，每天進行3次聲速剖面測量，測站分布于測區(qū)東、中、西位置，測站時刻為每日早上抵達測區(qū)、中午、晚上撤離之前。聲速剖面曲線如圖10所示。

圖10 2018年、2020年聲速剖面曲線Fig.10 Sound velocity profile in 2018 and 2020

通過聲速剖面測量，表面層聲速在1 500～1 505 m/s之間，底部聲速略小于 1 490 m/s，變化較小，在水深2～8 m區(qū)間有聲速變化較為迅速的區(qū)域。

袁健飛等[10]指出聲波在水體中傳播時，受溫度、鹽度、水深、水文等多種條件的影響，存在測深點深度、定位中的影響，在多波束測深數(shù)據(jù)處理中添加聲速剖面數(shù)據(jù)可以大幅度地提升測深數(shù)據(jù)的精度，特別是在水深超過10 m以后的水域。

4 結(jié)果分析

4.1 對比分析

本文選擇70#、61#、46#三個風(fēng)電機組進行對比分析。70#為兩次作業(yè)重合范圍的最東側(cè)，靠近作業(yè)區(qū)域東側(cè)淺灘，2018年作業(yè)時其東部為淺灘，水深不足3 m，2020年作業(yè)可以正常航行；61#與70#為同一行的東西兩端，61#樁2018年、2020年時均可正常通行；46#位于作業(yè)區(qū)域中心附近，2018年時東部為淺灘，2020年時可通行，且淺灘向東部運行較遠。各樁基位置及編號如圖11中黑色圓點所示。

圖11 對比分析所選風(fēng)電機組Fig.11 Selected wind turbines for comparative analysis

樁基沖刷監(jiān)測時，以樁基為中心，半徑60 m設(shè)置為調(diào)查范圍，如遇到?jīng)_刷槽應(yīng)探測完整。部分站位探測范圍半徑超過120 m。

70#風(fēng)機機組2018年時海底面高程約9 m，沖刷造成的海底面流失較為明顯，水中基礎(chǔ)裸露，水下基礎(chǔ)周圍地形下降，西側(cè)出現(xiàn)較為明顯的沖刷坑。在南部出現(xiàn)地形下陷。整體看最大深度13.4 m；2020年時海底面水深降至10 m以下，東西沖刷范圍有所縮減，南北向形成明顯沖刷槽，南北向可見較為明顯的淘離。70#風(fēng)電機組水下地形偽彩二維等值線圖如圖12所示。

61#風(fēng)機機組與70#機組東西分布于風(fēng)電場兩端。2018年時海底面高程約10 m，沖刷造成的海底面流失較為明顯，南部有較為發(fā)達的沖刷槽，北部較小，呈水滴狀，與理論中馬蹄形渦流形成的淘離結(jié)構(gòu)最為接近。2020年時整體海底面降至12 m，形成南北向沖刷槽。樁柱周邊水深變化稍緩。61#風(fēng)電機組水下地形偽彩二維等值線圖如圖13所示。

44#風(fēng)機機組為本海域中心位置，水下地形偽彩二維等值線圖如圖14所示。

圖14 44#風(fēng)電機組水下地形偽彩二維等值線圖Fig.14 Pseudo-color 2D contour plot of underwater terrain of No.44 wind turbine

44#風(fēng)機機組2018年海底面高程約15 m，沖刷造成圓形侵蝕，南部有地形崩壞。2020年海底面降至16 m，沖刷槽明顯。

通過套用韓海騫公式，計算各樁基沖刷槽沖刷深度、實測深度進行統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。

由表1數(shù)據(jù)分析可知：

表1 沖刷深度對比表Tab.1 Scouring depth comparison table m

1）西南部與中部相比，2018年沖刷深度分別為4.3 m、4.6 m，2020 年沖刷深度分別為 3.7 m、5.7 m。不同年份沖刷最大深度變化趨勢一致，均為加深，西南部加深幅度較大為4.9 m。

2）東南部與中部相比，2018年沖刷深度分別為9.7 m、4.6 m，2020 年沖刷深度分別為 11.8 m、5.7 m。不同年份沖刷最大深度變化趨勢一致，均為加深，東南部加深幅度較大為2.1 m。

3）通過韓海騫公式對各樁基沖刷深度進行計算，中部區(qū)域計算值與實測值差距較小，東西兩側(cè)差距較大。

聞云呈等[11]，指出目前的概化理論對單柱樁在潮流與波浪作用下的沖刷成果進行描述時會出現(xiàn)成果不連續(xù)，恒定流沖刷試驗與潮流沖刷成果差異明顯，恒定流試驗成果應(yīng)用于潮流成果時應(yīng)謹(jǐn)慎。

4.2 分析總結(jié)

綜上，2020年平均水深較2018年出現(xiàn)整體加深，風(fēng)電場東西兩側(cè)沖刷程度較為嚴(yán)重，相較于中部區(qū)域最大水深變化幅度更大。理論公式在計算沖刷深度時，在海底面變化較為平緩的中部區(qū)域?qū)崪y結(jié)果與計算結(jié)果差值較小，東西兩側(cè)則差距較為明顯。

5 結(jié)論

本文結(jié)合現(xiàn)有理論研究成果和實際調(diào)查成果，分析了南黃海附近海上風(fēng)電場單柱樁沖刷，得到的主要認(rèn)識如下：

1） 多波束測深技術(shù)可以完整展示海上風(fēng)電機組水下基礎(chǔ)部分的沖刷狀況，通過對調(diào)查結(jié)果的偽彩填充可以直觀地了解沖刷深度、范圍，沖刷槽走向等，利于后期維護時進行準(zhǔn)確的拋石、固化土填充作業(yè)。

2） 單柱樁水下沖刷槽隨時間增加變得穩(wěn)定，最終表現(xiàn)為沖刷槽走向與潮流方向接近。

3） 現(xiàn)有沖刷結(jié)果概化公式給出的沖刷結(jié)果較為保守，只適用于對可能的沖刷槽最大深度做出估計，其誤差來源于水體中懸沙、實際潮流方向、底質(zhì)變化等多種外來因素的綜合影響。

未來可以改進與思考：

1） 海上風(fēng)電機組水下基礎(chǔ)附近安裝ADCP（聲學(xué)多普勒流速剖面儀）可以方便地進行樁基礎(chǔ)附近流速流向?qū)崟r數(shù)值采集，通過實測數(shù)據(jù)的添加，優(yōu)化沖刷概算公式的成果，提升概化公式的適用性。

2） 風(fēng)電場范圍內(nèi)進行長期綜合水文聯(lián)測，比如選擇風(fēng)電場四至坐標(biāo)附近進行水文浮標(biāo)布設(shè)，以月為單位進行風(fēng)電場內(nèi)懸沙調(diào)查等。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合較為流行的MIKE21或者FVCOM等水動力模型，可以提升水動力模型反演精度。

3） 以季度為單位進行樁基礎(chǔ)檢測，積累其沖刷槽變化、水下地形變化數(shù)據(jù)，便于沖刷槽發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計，同時依據(jù)所掌握的歷史數(shù)據(jù)開展數(shù)據(jù)模擬，建立相應(yīng)的數(shù)值模型。

4） 綜合多種數(shù)據(jù)，進行相關(guān)性分析，尋找海上風(fēng)電場水下基礎(chǔ)侵蝕的作用過程通用規(guī)則，和對應(yīng)地區(qū)、海水情況等的特殊模式，為樁基侵蝕預(yù)防做好數(shù)據(jù)支持和養(yǎng)護依據(jù)。