海上风电单桩基础局部冲刷研究进展
摘要：现如今，我国的经济在快速发展的过程中，我国是新能源快速发展的新
时期，风能作为一种绿色环保的可再生能源具有重要的应用前景，海上风力发电
的研究受到广泛关注。

在波浪和潮流荷载作用下，会导致风电桩基周围土体发生
局部冲刷，影响桩基的性能。

阐述了海上风电单桩基础局部冲刷的研究进展，综
述了桩基局部冲刷的机理，总结了不同的平衡冲刷深度计算方法，对不同学者的
模型试验、数值计算以及现场观测进行对比分析，探讨其中的不足并提出若干展
望和思考。

相关研究成果显示结合现场观测数据和冲刷预测模型的海上风机单桩
基础防冲刷设计是有效的。

关键词：局部冲刷;单桩基础;冲刷深度;耦合作用;海床
引言
近海波浪和水流两种海洋动力对海洋工程影响很大，更是海上风电基础局部
冲刷的主要影响因素。

波流共同作用下局部冲刷研究认为，波浪与水流共同作用
和水流单独作用建筑物冲刷形态大致相同，波浪作用非冲刷主要动力，其冲深比
单独水流的冲深值略大。

潮流波浪造成风电桩基底床局部冲刷，进而影响风电桩
基结构的稳定。

因此，对风电桩基进行冲刷及防护研究具有重要意义。

在海洋工
程实践及国内、外研究中，最为常见的海底结构物防冲刷措施有消能减冲和护底
抗冲两种。

消能减冲的措施之一是在基础上、下游设置防护桩群，折减流速，将
冲刷坑位置前移，从而减小基础范围内的冲刷深度。

护底抗冲措施是利用抛石、
沙枕、沙袋、软体排等结构对桥墩基础及周围进行防护。

本次设计防护措施即为
护底抗冲措施。

通过正态物理模型对海上风电桩基局部冲刷情况及防护问题进行
研究，在风电桩基局部冲刷的基础上进行防冲方案验证，为风电桩基冲刷防护提
供技术支撑。

1海上风机单桩基础动力环境及冲刷分析
海上的环境比陆地上要恶劣得多，与陆地上的荷载相比，海上的荷载主要是
动力荷载，除地震以外，还有风、波浪、流甚至冰等水平荷载，因此海上风机的
建设较陆上风机需要更为先进的工程技术给予支撑。

在过去的１０年间，海上风
机的尺寸变得越来越大，为了尽可能地降低成本，海上风机被建成了非常细长的
柔性结构，不恰当的基础设计极有可能造成风机结构在风或波浪等作用下的共振
破坏。

如何保障海上风机在风、浪、流及地震等频率迥异的动荷载作用下的安全
稳定仍是目前研究的重点和难点。

海上风机桩基础的安全设计中最重要且难度最
大的一个环节便是预测复杂海洋动力条件下的桩基础最大冲刷深度，不足或过于
保守的冲刷设计深度将分别导致建筑物的失稳破坏可能性的增加或施工成本的大
幅上浮。

据统计，目前世界范围内已建近海风机基础中７５％都使用了大直径单
桩基础，因此欧洲传统的风电强国积累的风机基础设计经验也主要集中在大直径
单桩基础上，涌现出了一大批单桩基础在波流共同作用下的冲刷及防护设计方法。

大直径单桩基础是一种极有潜力的新型近海风机基础型式，与一般的桩基础相比，它具有更大的直径，直径一般在３～８ｍ，壁厚一般在３０～６０ｍｍ，长径比
也较传统的桩基小很多，一般在１０ｍ左右。

2数值计算与数值模拟
建立的模型包括波浪场、流场、剪应力模型和冲淤形态模型。

计算结果与试
验符合较好，最大冲刷深度均在圆柱的侧前方±(45°～90°)，与李林普、但计算淤
积范围和高度与实验值有一定差异。

基于水气、水土界面捕获，分别选择
Eulerian方法(VOF)和Lagrangian方法(动态网格法)，建立了一种新型数值模型Foamscour。

试验结果对比发现单桩地基最大冲刷深度比试验结果偏大，但冲刷
形态和性质大致与实验结果吻合。

三维有限元冲刷模型揭示了桩基侧向变形和旋
转角的累积速率随着荷载的循环次数增加而增大，冲刷深度越大，侧向变形和旋
转角越大。

研究了不同类型接触单元和土体单元下冲刷后的桩基承载性能的变化
规律，结果表明土体冲刷过后具有卸载回弹效应，采用高承台计算得出的结果与
实际偏差较大。

基于冲刷深度随时间变化的理论基础，提出了一种新型的STEP
时间－冲刷深度模型，对于清水和活床冲刷均适用，经过对比发现采用S/D=1.25
更接近试验结果。

利用ANSYS建立了不同冲刷深度下风机集中质量的支撑系统三
维模型，随着冲刷深度的增加，风机支撑系统的3～6阶频率显著降低，振型存
在多样性。

利用FLOW－3D，采用(ＲNG)k－ε涡流模型，开展了数值模拟。

通过
模型试验和数值模拟的结果对比发现两者的流体速度分布、剪应力分布以及防冲
刷层沉降比较吻合，而在防冲刷层表面和自由流体界面处有明显差异。

基于有限
元分析，进而模拟CBG701井场桩周土的冲刷过程。

研究表明随着冲刷深度的增加，对土的承载力影响越显著，提出了采用沙袋填充桩基底部未入泥部分，起到
防止和减小冲刷的目的。

基于Openfoam开源程序和动网格技术，通过海床面剪
应力平衡法建立了冲刷数学模型，得到了海床面冲刷速率和冲刷量E，剪应力τ
的关系，以此作为判断是否发生冲刷的条件。

31:20比尺模型试验
从冲刷坑的个数来看，在筒型基础的前后两侧出现了两个形状不对称的冲刷
坑剖面形态。

造成两个特征剖面冲刷坑形态不一样的原因可能在于:待试验结束，
将水槽中的水放掉之后，发现特征剖面1侧的两个冲刷体积较大，特征剖面1测
量的断面基本横穿此侧两个冲刷坑的中间位置，所以特征剖面1中两个冲刷坑的
演化过程较为明显;而特征剖面2一侧的两个冲刷坑体积较小，此侧两个冲刷坑的
大小也不完全一致，特征剖面2中显示的冲刷坑是此侧较大的冲刷坑的发展变化
过程，另一个冲刷坑因为体积较小，紧贴模型的表面，还没有发展到特征剖面2
的位置，因此在特征剖面2的历时曲线中并没有体现出这个小冲刷坑的发展过程，造成筒型基础前后两侧冲刷坑不对称的根本原因是由于试验中双向泵反向运动形
成反向水流时流速小于正向水流造成，类似于涨潮流速大于落潮流速情况。

4设计方案冲刷验证试验
防冲刷试验是在冲刷坑形成条件下进行的，模型防护范围根据前面冲刷试验
情况采用最远?1.00m冲刷范围，即单桩外围12.50m，模型中范围为0.25m。

模
型试验中土工布厚约2.0mm，袋装沙按装满46%左右重的沙，块石选用0.48g、1.30g、2.65g、21.2g、169.6g五种重量，前四种碎石厚度均为20.0mm，169.6g碎石厚度约为40.0mm。

结语
本研究对国内外复杂动力环境下海上风电单桩基础冲刷相关研究进行了系统
地回顾与分析，发现以往对桩基冲刷安全设计的研究主要包括桩基—土体相互作
用与传统桩基冲刷两个方面，前者研究重点多集中于干土环境下的模拟冲刷对桩
体结构动力响应的影响，后者则重点考虑在波流耦合环境下的冲刷机理与预测。

虽然国内外学者在这两个方面开展了较多的研究，但两方面之间的交叉研究却比
较匮乏。

而在实际工程中，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。

参考文献
[1］姜绍云，李志刚，段梦兰，等．波流作用下导管架平台桩基冲刷试验研究［J］．石油机械，2012，40(9):57－61．
［2］程永舟，蒋昌波，潘昀，等．波浪渗流力对泥沙起动的影响［J］．水科学进展，2012，23(2):256－262．。