基于声呐图像的海上风电桩基局部冲刷实时监测研究

王振双，郇彩云，陈露露

（1.中国三峡新能源（集团）股份有限公司江苏分公司，江苏 南京 210019；2.浙江省深远海风电技术研究重点实验室，浙江 杭州 310014；3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

我国海上风能资源禀赋优越，随着“碳中和、碳达峰”宏伟目标的实施，绿色、清洁、高效的海上风力发电近年来取得了长足的发展。沿海各省不仅将海上风电作为绿色低碳的新能源发电方式，更将其视为推动海洋经济发展、抢占新能源产业高地的重要抓手。

目前，海上风力发电主要将风力发电机安装于海床上的固定式桩基上，由风力发电机捕捉风能，将风能转化为电能。海上风电场桩基的施工建设势必会改变原先海床的波浪、海流、泥沙等水动力环境，打破原本已经建立的泥沙输运平衡，从而使得桩基周围的海床产生局部冲刷，形成威胁风机系统安全运行的冲刷坑。一方面，桩基局部冲刷会减小桩基的入土埋深，增加桩基结构的自由段长度，降低桩基水平承载力、增加桩基倾覆力矩和风机水平位移，影响桩基稳定性；另一方面，桩基局部冲刷会降低桩基-风机结构的自振频率，引起风机整体结构共振，增大结构疲劳应力值，增加应力循环次数，影响风电机组的疲劳寿命[1]。因此，对风电场桩基局部冲刷的研究具有积极的科学意义和重要的工程价值，可为风电场桩基的设计优化和冲刷防护措施的实施提供必要的理论依据和实践经验。

1 研究方法

影响桩基局部冲刷的因素有很多，包括水深、流速、波高、波周期、波长、桩径、底质粒径、泥沙级配等，其冲刷机理较为复杂。对局部冲刷问题，基于现场实测水下地形资料的分析都是一种可靠而常用的研究手段，专家学者已开展了大量研究。曾成杰等[2]利用5 次水下地形实测资料，分析洋口港液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）码头栈桥桩基局部冲刷特征，认为桩基局部冲刷的控制性动力为潮流，冲刷坑形态呈双向水流冲刷形式，其分布与涨落潮流相对强弱密切相关，冲刷坑形态、深度与桩基尺度和布置有关，冲刷范围和深度随水流强度的增大而增大。潘冬冬等[3]以湛江某海上风电场桩基局部冲刷实测水下地形资料为基础，研究桩基所在海床平面冲淤特征和局部冲刷的深度、冲刷坑宽度，并利用经验公式的计算结果进行验证，结果发现实测最大局部冲刷深度小于经验公式计算值，说明该风电场采用砂袋和砂被联合防冲刷保护效果措施较好。杨元平等[4]利用金塘大桥2014 年、2015 年、2017 年6 个引桥墩的多波束实测水下地形资料，分析桥墩的一般冲刷和局部冲刷特征。刘新华[5]基于广东某海上风电场某机位处6次多波束水下地形实测资料，建立数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM），计算和分析桩基周围海床冲淤过程特征，并结合水动力因素研究了冲淤机理。王金权等[6]应用多年实测地形测量资料，对杭州湾跨海大桥海中平台区的海床地形特征、建桥前后海床冲淤变化规律进行了分析，结合数学模型分析了海中平台区的水动力分布特征，揭示了海床冲刷机理。王亚康[7]和,建中[8]通过风电场桩基冲刷防护施工实际案例，分别介绍了优化的抛石防护方法（在抛石石料层中增设砂被反滤层）和新型淤泥固化土防护方法，并通过防护施工前后和风机正常运营期间的多次多波束扫测，对冲刷防护实施效果进行监测，发现机位桩基周边海床未发生更大冲刷，冲刷防护修复成功，这两种方法可为类似海上风电基础防冲刷的设计施工提供借鉴。仲得林等[9]利用山东渤海埕岛油田2 个海上石油平台基础6 次水下地形实测数据，对石油平台基础的水下地形变化进行了系统研究，提出了平台基础局部存在着快速冲刷-缓慢冲刷-冲淤交替的动态平衡过程。孙永福等[10]对埕岛油田典型平台周边多年的水深地形资料进行对比，探讨平台桩基周围形成冲刷坑的冲刷深度、几何形态和分布特征，对其冲刷机理进行了分析。张玮等[11]利用埕岛油田的现场实测水下地形数据对王汝凯、韩海骞公式进行计算验证，发现叠加波浪作用条件下的韩海骞公式计算结果与实测结果较为接近，认为叠加波浪作用条件下的韩海骞公式较为适宜类似埕岛油田这种淤泥质海岸海上风电场桩基局部冲刷的计算。

虽然现场实测水下地形资料为桩基局部冲刷的研究提供了可靠实用的手段，但现场水下地形测量成本较高、受海况影响大。现场实测一般安排在风电场定期运维期间，运维间隔一般较长，且相对于风电桩基20 年的设计使用周期来说，数次现场水下地形的测量时间显得十分短暂，属于短期监测，其测量结果的偶然性和不确定性亦随之增加，尤其无法获知每次测量间隔期间桩基周围海床的冲淤变化，以及台风等极端天气条件下桩基周围海床的冲淤变化。

针对这一问题，本文以江苏大丰某海上风电场代表机位的桩基局部冲刷实时监测为例，介绍了一种基于声呐图像处理技术的局部冲刷实时监测系统，该系统具有长周期连续观测、无人值守、海况适应性强、数据自动存储传输等特点，长期、实时、连续的监测既能丰富桩基周围海床的水下地形基础数据，掌握其长期冲淤演变趋势规律，又能及时发现极端天气下桩基周围海床地形地貌的骤变，以便及时采取防护措施，保障风电场的安全运行，并为相似工程提供参考借鉴。

2 系统介绍

桩基局部冲刷实时监测系统包括桩基监测终端和陆上监控端，如图1 所示。桩基监测终端的设备安装在桩基上，接收陆上监控端的工作指令，完成数据采集、存储和回传等功能；陆上监控端的设备安装在陆上远程监控室，主要由各种服务器组成，可接收桩基监测终端设备回传的监测数据，完成数据后处理和显示功能，向桩基监测终端发送工作指令。

图1 海上风电桩基局部冲刷实时监测系统示意图

2.1 桩基监测终端

桩基监测终端包括扫描声呐、控制单元和水密互联缆。

2.1.1 扫描声呐

扫描声呐固定安装在桩基上，声呐实物如图2所示，一台声呐对应一个监测方向，可以连续测量某方向上距离声呐探头0～80 m 处的海床高程变化情况，其扩展性强，可扩展至一个桩基多个监测方向。扫描声呐具有两个特点：一体化和旋转扫描。一体化可保障扫描声呐不会受外力和外部环境影响，全套声呐系统自成体系，而且通过水密透声罩与外界隔离。旋转扫描保证扫描声呐可以获取某一方向的密集采样点。本监测系统安装两台扫描声呐，分别监测N-S 方向和W-E 方向的断面，其扫描测量示意图如图3 所示。扫描声呐固定安装在桩基上，声呐探头垂直于海床面，安装高程低于最低潮面，并配备入水传感器，以确保探头始终位于水下。工作时，通过扫描探头的旋转可测量距声呐探头80 m 量程范围内的海底高程；测量间隔为每1小时扫描测量一次，测量分辨率达2 cm。

图2 扫描声呐实物

图3 扫描声呐扫描测量示意图

2.1.2 控制单元和水密互联缆

控制单元的功能主要是接收陆上监控端的工作指令，控制扫描声呐工作，采集、存储各扫描声呐的扫测数据，并将数据通过水密互联缆传回陆上监控端。水密互联缆利用风电桩基提供的光纤接口完成数据传输和系统控制的双向传输，实现各设备之间的水密连接。

2.1.3 系统供电和防腐设计

监测系统的供电方式是外部供电模式，来源于风力发电机发电，并配备稳压装置，防止供电电压的不稳定。此外，监测系统配备有备用电源，以防外部风机供电发生故障，备用电源由太阳能板向蓄电池充电，蓄电池通过电池控制器向系统供电。由于扫描声呐长期处于海水中，为了防止声呐探头的海洋生物附着影响声波发射和接收的效率，降低声呐的探测距离和精度，本系统的声呐探头采用充油装置来保护声呐探头，并配置油压补偿装置。此外还添加了特殊材料制成的透声橡胶罩来对声呐探头进行保护，该橡胶罩便于定期更换（图2 下部所示暗红色即为透声橡胶罩）。为了保证监测系统的安全稳定，在风电场的定期运维期间对监测系统进行维护，主要包括声呐探头透声橡胶罩的更换、声呐探头安装高程的基面校准、系统升级、监测数据备份、备用蓄电池更换等。

2.2 陆上监控端

陆上监控端包括数据存储模块和数据分析服务器，可24 小时在线监测桩基监测终端的运行状态，并进行数据分析，完成数据后处理和显示功能，并向监测终端发送工作指令。通过监控端数据分析服务器对实时监测数据进行自动分析和人工分析，可形成海床高程自动监测曲线和三维图，据此即可对桩基周围海床的高程变化和冲淤趋势进行长期实时的跟踪监测。

2.3 实时监测数据分析处理

（1）数据解析：将自定义的dat 文件中的参数、声呐数据读入，并且转存为mat 格式，便于后续快速导入。根据每条扫描线的角度，提取一次扫描中完整的一周数据。

（2）坐标系转换及图像保存：将原始极坐标系下的数据转换为直角坐标系，并保存一个扫描面的原始声呐图像，如图4（a）所示。

图4 监测断面高程数据的图像处理

（3）海底跟踪：对每幅扫描圆周数据进行底跟踪，获得海底高程线，如图4（b）所示，图中红色线即为所监测海床断面的高程线。

（4）海底高程线综合处理：对长期监测获得的多条海底高程线进行综合处理，获得各采样点高程随时间的变化曲线，绘制扫测断面的高程随时间变化三维趋势图。

3 系统应用

3.1 监测对象概况

在江苏大丰某海上风电场选择代表机位安装监测系统进行桩基局部冲刷实时监测，该风电场位于江苏岸外辐射沙洲的毛竹沙北侧海域，代表机位为单桩基础，桩径7.25 m，桩基原始泥面高程-20.3 m（本文所涉高程基准均为1985 国家高程基准）；场区最大流速1.48耀1.66 m/s，平均流速0.76耀0.93 m/s，落潮流速大于涨潮流速，涨潮流主流向约200毅左右，落潮流主流向约20毅左右；场区平均含沙量0.067耀0.235 kg/m3；悬沙中值粒径12.8 滋m，场区底质中值粒径18.96耀199.84 滋m。

3.2 监测系统应用

在桩基上安装两台扫描声呐，其中，声呐1#对应N-S 方向扫测断面，声呐2#对应W-E 方向扫测断面（图3）。经过2022 年7 月进行的试测和相关调试，该系统自2022 年8 月正式开始实时监测工作，完成共计5 个完整月的实时监测。根据监测数据，绘制各月扫测断面高程随时间变化的三维趋势图，提取各月代表时刻扫测断面的高程数据，绘制相应的断面高程曲线图。同时，为了对实时监测系统的监测成果进行对比验证，分别在2022 年9月15 日、12 月15 日在桩基中心50 m 伊50 m 范围内进行了多波束水下地形测量，根据多波束测量数据绘制系统监测断面的高程曲线图和平面冲淤分布图，将其和同时期实时监测系统的监测成果进行对比，以检验冲刷实时监测系统的监测效果。

4 实时监测成果分析

4.1 监测断面高程变化分析

1#声呐扫测N-S 向断面，其断面高程各月的三维变化如图5 所示，2# 声呐扫测W-E 向断面，其断面高程各月的三维变化如图6 所示。两个扫测断面在各月选取某一代表时刻，根据监测数据绘制其断面形态，分别如图7 和图8 所示。

图5 各月1#声呐扫测N-S 向断面高程随时间变化的三维趋势图

图6 各月2#声呐扫测W-E 向断面高程随时间变化的三维趋势图

图7 各月代表时刻1#声呐扫测N-S 向断面形态图

图8 各月代表时刻2#声呐扫测W-E 向断面形态图

由图5 至图8 可以看出，在2022 年8—12 月的5 个月时间内，桩基周围形成明显的冲刷坑，冲刷坑最大冲刷深度可达8 m。冲刷坑的N-S 向和W-E 向断面形态保持稳定，呈现“V”型，断面高程保持较为稳定状态，未出现高程突变的情况，总体呈现略冲深的变化趋势，冲深幅度不大，总体在1.0 m 以内，每月平均冲深幅度不到0.20 m；断面宽度的变化很小，说明冲刷坑的大小较为稳定。

4.2 多波束测量成果的对比分析

2022 年9 月和12 月分别进行了一次多波束水下地形测量，根据这两次的多波束测量成果，提取声呐扫测断面的高程数据，绘制断面形态，并和同期声呐监测断面成果进行对比验证，如图9 和图10中所示，声呐监测和多波束测量的成果较为吻合，断面形态保持一致，断面高程相差亦不大。N-S 断面声呐和多波束测量的断面平均高程差值分别为0.24 m 和0.29 m。W-E 断面声呐和多波束测量的断面平均高程差值分别为0.18 m 和0.28 m。两次声呐监测和两次多波束测量的断面高程变化趋势也一致，均为总体略冲深趋势，冲深幅度多在0.5 m 以内。

图9 N-S 向断面声呐监测和多波束测量成果对比图

图10 W-E 向断面声呐监测和多波束测量成果对比图

根据两次多波束测量成果，绘制了桩基周围海床形势图和该时间段海床冲淤平面分布图如图11 所示，风电桩基周围海床发育明显的椭圆形冲刷坑形态和场区潮流场相吻合，椭圆长轴方向和涨、落潮主流方向保持一致，短轴方向则垂直于涨、落潮主流方向，桩基附近局部冲刷坑形态呈马蹄形，桩基迎流侧的冲刷深度大于桩基两侧，最大冲刷深度出现在桩基迎着落潮流的一侧。上述冲刷坑的形态特征表明，桩基周围海床的主要冲刷走向为潮流的主流向，说明在推广应用该系统前需收集所在海域的潮流场数据资料，在潮流场的主流方向加密布设多条监测断面，以达到最佳监测效果，这也是本系统的后续探索方向。如图12 所示，桩基周围海床冲刷坑形态变化不大，总体呈现微冲刷状态，冲刷幅度较小，大多在0.5 m 以内，这和声呐监测断面高程变化的分析成果相吻合。

图11 桩基周围海床形势图

图12 桩基周围海床冲淤平面分布图（2022 年9 月15 日至2022 年12 月15 日）

5 结 论

冲刷实时监测系统的监测结果和多波束测量结果相吻合，说明该系统的监测效果较好，能够适用于海上风电桩基局部冲刷实时监测。和传统水下地形测量手段相比，该系统的最大优越性在于能够长期、实时、连续监测，实现实时显示桩基冲刷坑监测断面的高程和形态变化情况，且不受恶劣天气、海况的影响，能够监测极端天气影响下桩基周围海床的地形突变情况，以便及时采取维护措施。系统监测显示，研究机位桩基周围产生的漏斗状冲刷坑，其最大冲刷深度已达8 m，为保证风机系统的安全稳定，建议采取桩基冲刷防护措施。

本系统尚处在探索阶段，在桩基上只安装了两台扫描声呐，冲刷坑的平面形态分析表明桩基周围海床的冲刷主要顺着潮流主流方向，所以应重点在潮流主流方向加密布设多条监测断面，其他方向也适当增加监测断面数量，进而从多个方向全面监测冲刷坑的平面形态和高程变化，以达到最佳监测精度。