作為一種綠色環(huán)保的可再生資源，海上風力發(fā)電具有重要的發(fā)展前景，可大大減少人類對化石燃料的依賴。風機基礎結構簡單，占用面積小，承載能力高，沉降量小，因此適用范圍廣泛。風機基礎直接與大直徑裝機相連，所處的海洋環(huán)境復雜，在波浪潮汐作用下會在樁基周圍產生馬蹄形漩渦和漩渦脫落，常常導致樁基周圍土體受到沖刷。沖刷侵蝕作用影響其地基的穩(wěn)定性，樁基受到微小變形即可引起上部風機的傾斜晃動，從而影響風機的正常運轉。因此對海上風機沖刷進行監(jiān)測，對評估風機基礎穩(wěn)定性與安全性具有重要意義。
由于水下環(huán)境復雜，難以對風機基礎的沖刷現(xiàn)狀和安全隱患進行精細化探測，常采用基于聲學原理的多波束測深技術和三維聲吶圖像掃側技術，獲取目標物的三維圖像，高效檢測水下構筑物的現(xiàn)狀。多波束聲吶系統(tǒng)不僅可以繪制高分辨率的海底地形圖，且能同時利用海底反向散射強度繪制聲吶圖像;多波束圖像具有分辨率低、圖像質量差、隨機干擾因素多、不直觀、可讀性差及無法實時比對等缺點。二者都是采用聲學方法，通過向海底發(fā)射接收聲波進行海底測繪，但二者的側重點不同，在處理方法上存在較大差異。
鑒于二者存在一定的互補性，國外學者很早就開始了這兩套系統(tǒng)組合的可能性和優(yōu)越性方面的研究，并取得了一定的效果。本文擬綜合應用實時三維成像聲吶系統(tǒng)和多波束掃測系統(tǒng)，對海上風電基礎沖刷情況進行檢測，對其周圍沖刷情況進行動態(tài)監(jiān)測，為風機基礎沖刷防護提供數(shù)據支撐，進而為風機基礎的安全性、穩(wěn)定性評估工作提供新的技術手段。
一、儀器設備和測試方法
⒈多波束水深測量
水深測量采用Sonic2024型號多波束測深儀;定位采用天寶DGPS接收機，接收RBN-DGPS臺站發(fā)布的RTCM104(2.0)標準差分信息，進行實時差分定位;導航及測深數(shù)據采集采用Qinsy8.0系統(tǒng)軟件。
多波束的換能器采用舷側安裝。固定后量取換能器探頭、GPS天線、運動傳感器與船重心的相對位置關系，實時對運動中換能器探頭、GPS天線位置的變動進行姿態(tài)改正。
測深作業(yè)時，采用RBN/DGPS定位系統(tǒng)與Qinsy8.0測量軟件組成的水深測量數(shù)據自動化采集系統(tǒng)，進行導航定位和多波束水深數(shù)據采集。共布設1個測線文件，風機周邊測線以風機為中心，按“井”字形進行布設(如圖1所示)，測線間隔以測區(qū)全覆蓋為原則，根據現(xiàn)場水深情況適當調整，保證覆蓋風機基礎周邊各50m的范圍。
圖1 測線布設
⒉實時三維聲吶測量
本次勘測使用EchoscopeC500實時三維成像聲吶。設備安裝與多波束類似，聲吶探頭采用不銹鋼支架固定安裝于船體左舷，位于距離船頭約1/3處，并采用不銹鋼管前后帶纜的方式作為輔助。打開Underwater Survey Explorer軟件的采集設置模塊，設置外業(yè)采集的通信及坐標系統(tǒng)等參數(shù)，調整聲吶的采集參數(shù)，直至獲得真實海底。經測試，實時三維聲吶系統(tǒng)正常工作。
風機和升壓站基礎的三維掃測以樁為中心，在樁的四周布置4條離樁中心距離為15m的計劃測線(如圖2所示)。圖中為計劃測線，測量過程中需根據當前水深情況調整測量間距和探頭朝向，以保證掃測結果能夠完整呈現(xiàn)出樁四周的情況。
圖2 測線布設
二、應用實例
試驗選取廣東某海上風電場某風機組，距陸域最近距離約10～15km，機位水深約-9～-3m，風機基礎型式為6.5m直徑單樁，風機基礎采用砂被保護型式，保護范圍為35m×35m;升壓站基礎型式為4根單樁導管架，無防沖刷保護，水深約-8m。為了評估海上風電樁基礎的穩(wěn)定性和砂被保護效果，以及評估基礎穩(wěn)定性和安全性，采用多波束掃測系統(tǒng)和三維成像聲吶系統(tǒng)對風機基礎和升壓站基礎沖刷進行勘測。
⒈檢測風機基礎沖刷
以風機外圍平坦海床高程為標準，以風機周邊地形比平坦海床低0.5m處作為沖刷坑外邊緣，4個方向取平均值作為沖刷范圍半徑。通過對多波束掃側系統(tǒng)采集數(shù)據進行聲速剖面校正、潮位改正后，得出風機基礎周圍水深平面圖(如圖3所示)和三維圖(如圖4所示)。
圖3 風機基礎周圍區(qū)域水深
圖4 風機基礎周圍區(qū)域三維地形
可以看出，在距離機位中心半徑35～50m范圍內，海底地形較平坦，高程變化較小，海底高程范圍為-8.0～-6.5m，平均高程為-7.32m;距離距風機中心半徑35m范圍內，海底高程范圍為-11.0～-6.8m，平均高程為-7.89m，可明顯發(fā)現(xiàn)在風機基礎周圍地形高程低于周邊區(qū)域，發(fā)生明顯的沖刷。
圖5為風機基礎周圍區(qū)域地形剖面圖?？梢钥闯?，主要的沖刷區(qū)域發(fā)生在風機基礎周圍10m范圍內，具有明顯的沖刷坡，最大坡度為45°，超出風機基礎周圍10m范圍后，沖刷坡度很小，沖刷效果不明顯。以風機中心為圓心，35m半徑范圍內最大水深與最小水深相減得到風機周邊的最大沖刷深度，及風機基礎的最大沖刷深度。最大沖刷深度發(fā)生于風機基礎的北方向，為5.5m，其余3個方向沖刷深度為4.5～5m。根據對風機基礎周圍的多波束掃側結果可得，風機基礎周邊的防沖刷的主要區(qū)域應該位于風機基礎周圍的10m范圍內，尤其對風機基礎的北向范圍進行重點的防護，在風機基礎運營期通過定期對風機基礎周圍區(qū)域地形進行定期監(jiān)測，可獲得風機基礎沖刷的效果，以采取相應的沖刷防護措施。
圖5 風機基礎周圍區(qū)域地形剖面
⒉檢測海底電纜沖刷
采用三維聲吶掃測技術對風電基礎周圍進行掃測，結果如圖6所示?？梢钥闯觯L機北側有3個海纜喇叭口，共有3根電纜引出。右側海纜喇叭口引出的電纜①沿北偏東方向延伸入泥，中間海纜喇叭口引出的電纜②，從電纜③底部穿過后沿西北方向延伸入泥，左側海纜喇叭口引出的電纜③，從電纜②上方通過后沿北方向延伸入泥;同時可以看出，風機基礎周圍有較明顯的砂被防護痕跡，風機周邊存在較為明顯的沖刷坑，風機北側沖刷深度最大，三維聲吶成果與多波束成果一致。
圖6 風機基礎三維掃測
對風機基礎三維掃測數(shù)據進行分析可得電纜懸空長度和電纜裸漏長度。電纜懸空長度為電纜懸空段在水平面投影的長度，電纜裸漏長度為電纜裸漏段在水平面投影的長度。數(shù)據分析可知，電纜①懸空段長度為2.94m，最大懸空高度為0.41m，電纜裸漏長度為4.07m，海纜從喇叭口出來至入泥點之間的裸漏懸空長度共為7.01m;電纜②懸空段長度為2.58m，最大懸空高度為0.06m，電纜裸漏長度為3.19m，海纜從喇叭口出來至入泥點之間的裸漏懸空長度共為5.77m;電纜③懸空段長度為6.96m，最大懸空高度為0.48m，電纜裸漏長度為3.55m，海纜從喇叭口出來至入泥點之間的裸漏懸空長度共為10.51m。
利用三維成像聲吶技術對風機附屬電纜沖刷情況進行檢測，可以清晰看到海底電纜安裝狀態(tài)和在水下的敷設環(huán)境，可為風機附屬電纜后期維護和懸跨處理方案設計提供依據。
⒊檢測升壓站基礎沖刷監(jiān)測
由于升壓站基礎周圍電纜較多，海底水域情況復雜，采用常規(guī)手段難以對其敷設狀態(tài)和水下環(huán)境進行精細化探測，而采用三維成像聲吶技術可準確掌握水下工程現(xiàn)狀。采用三維聲吶掃測技術對升壓機基礎周圍進行掃測，結果如圖7所示。升壓站基礎未采取防護措施，由三維掃測成果可以看出，升壓站基礎相對于外圍平坦海床存在沖刷，由于升壓站的占地面積較大，周邊沖刷范圍相對較大。對照兩次三維測圖(相隔6個月)可以看出，升壓站框架結構的底部橫梁與海床之間高差變大，橫梁與海床之間的間隙由0.5m增至1.5m，不考慮升壓站的整體沉降，兩次測量期間升壓站底部海床沖刷深度為1m。
圖7 升壓站沖刷深度變化對比
三、結論
通過合理布設測線、人工操控的調查方式，實現(xiàn)多波束和三維聲吶的綜合應用，可安全高效地對復雜水下環(huán)境下風機基礎和升壓站基礎沖刷情況進行監(jiān)測，試驗結果表明：
⑴多波束測深系統(tǒng)可獲取風機基礎的平面位置，通過對測深數(shù)據進行三維建模，實現(xiàn)三維可視化，更加直觀詳細了解風機基礎周圍沖刷范圍半徑，以及最大沖刷深度與沖刷現(xiàn)狀等信息，為風機基礎的防沖刷維護提供數(shù)據支撐。
⑵三維聲吶掃測技術可呈現(xiàn)風電基礎周圍海底地形的高分辨率的二維平面圖像，可直觀掌握風機附屬電纜的敷設狀態(tài)、量化確定電纜懸空長度、電纜裸漏長度，以及升壓站基礎的沖刷狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測，可為風機附屬電纜后期維護和懸跨處理方案設計提供依據。
