作為一種綠色環(huán)保的可再生資源，海上風(fēng)力發(fā)電具有重要的發(fā)展前景，可大大減少人類對(duì)化石燃料的依賴。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(fēng)機(jī)基礎(chǔ)直接與大直徑裝機(jī)相連，所處的海洋環(huán)境復(fù)雜，在波浪潮汐作用下會(huì)在樁基周圍產(chǎn)生馬蹄形漩渦和漩渦脫落，常常導(dǎo)致樁基周圍土體受到?jīng)_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(fēng)機(jī)的傾斜晃動(dòng)，從而影響風(fēng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此對(duì)海上風(fēng)機(jī)沖刷進(jìn)行監(jiān)測，對(duì)評(píng)估風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)穩(wěn)定性與安全性具有重要意義。
由于水下環(huán)境復(fù)雜，難以對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的沖刷現(xiàn)狀和安全隱患進(jìn)行精細(xì)化探測，常采用基于聲學(xué)原理的多波束測深技術(shù)和三維聲吶圖像掃側(cè)技術(shù)，獲取目標(biāo)物的三維圖像，高效檢測水下構(gòu)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(shí)利用海底反向散射強(qiáng)度繪制聲吶圖像;多波束圖像具有分辨率低、圖像質(zhì)量差、隨機(jī)干擾因素多、不直觀、可讀性差及無法實(shí)時(shí)比對(duì)等缺點(diǎn)。二者都是采用聲學(xué)方法，通過向海底發(fā)射接收聲波進(jìn)行海底測繪，但二者的側(cè)重點(diǎn)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(bǔ)性，國外學(xué)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(yīng)用實(shí)時(shí)三維成像聲吶系統(tǒng)和多波束掃測系統(tǒng)，對(duì)海上風(fēng)電基礎(chǔ)沖刷情況進(jìn)行檢測，對(duì)其周圍沖刷情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沖刷防護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐，進(jìn)而為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的安全性、穩(wěn)定性評(píng)估工作提供新的技術(shù)手段。
一、儀器設(shè)備和測試方法
⒈多波束水深測量
水深測量采用Sonic2024型號(hào)多波束測深儀;定位采用天寶DGPS接收機(jī)，接收RBN-DGPS臺(tái)站發(fā)布的RTCM104(2.0)標(biāo)準(zhǔn)差分信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)差分定位;導(dǎo)航及測深數(shù)據(jù)采集采用Qinsy8.0系統(tǒng)軟件。
多波束的換能器采用舷側(cè)安裝。固定后量取換能器探頭、GPS天線、運(yùn)動(dòng)傳感器與船重心的相對(duì)位置關(guān)系，實(shí)時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)中換能器探頭、GPS天線位置的變動(dòng)進(jìn)行姿態(tài)改正。
測深作業(yè)時(shí)，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(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)，進(jìn)行導(dǎo)航定位和多波束水深數(shù)據(jù)采集。共布設(shè)1個(gè)測線文件，風(fēng)機(jī)周邊測線以風(fēng)機(jī)為中心，按“井”字形進(jìn)行布設(shè)(如圖1所示)，測線間隔以測區(qū)全覆蓋為原則，根據(jù)現(xiàn)場水深情況適當(dāng)調(diào)整，保證覆蓋風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周邊各50m的范圍。
圖1 測線布設(shè)
⒉實(shí)時(shí)三維聲吶測量
本次勘測使用EchoscopeC500實(shí)時(shí)三維成像聲吶。設(shè)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(shè)置模塊，設(shè)置外業(yè)采集的通信及坐標(biāo)系統(tǒng)等參數(shù)，調(diào)整聲吶的采集參數(shù)，直至獲得真實(shí)海底。經(jīng)測試，實(shí)時(shí)三維聲吶系統(tǒng)正常工作。
風(fēng)機(jī)和升壓站基礎(chǔ)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(jì)劃測線(如圖2所示)。圖中為計(jì)劃測線，測量過程中需根據(jù)當(dāng)前水深情況調(diào)整測量間距和探頭朝向，以保證掃測結(jié)果能夠完整呈現(xiàn)出樁四周的情況。
圖2 測線布設(shè)
二、應(yīng)用實(shí)例
試驗(yàn)選取廣東某海上風(fēng)電場某風(fēng)機(jī)組，距陸域最近距離約10～15km，機(jī)位水深約-9～-3m，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式為6.5m直徑單樁，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用砂被保護(hù)型式，保護(hù)范圍為35m×35m;升壓站基礎(chǔ)型式為4根單樁導(dǎo)管架，無防沖刷保護(hù)，水深約-8m。為了評(píng)估海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和砂被保護(hù)效果，以及評(píng)估基礎(chǔ)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(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和升壓站基礎(chǔ)沖刷進(jìn)行勘測。
⒈檢測風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沖刷
以風(fēng)機(jī)外圍平坦海床高程為標(biāo)準(zhǔn)，以風(fēng)機(jī)周邊地形比平坦海床低0.5m處作為沖刷坑外邊緣，4個(gè)方向取平均值作為沖刷范圍半徑。通過對(duì)多波束掃側(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行聲速剖面校正、潮位改正后，得出風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍水深平面圖(如圖3所示)和三維圖(如圖4所示)。
圖3 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍區(qū)域水深
圖4 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍區(qū)域三維地形
可以看出，在距離機(jī)位中心半徑35～50m范圍內(nèi)，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(fēng)機(jī)中心半徑35m范圍內(nèi)，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(fēng)機(jī)基礎(chǔ)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(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍區(qū)域地形剖面圖?？梢钥闯觯饕臎_刷區(qū)域發(fā)生在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍10m范圍內(nèi)，具有明顯的沖刷坡，最大坡度為45°，超出風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍10m范圍后，沖刷坡度很小，沖刷效果不明顯。以風(fēng)機(jī)中心為圓心，35m半徑范圍內(nèi)最大水深與最小水深相減得到風(fēng)機(jī)周邊的最大沖刷深度，及風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的最大沖刷深度。最大沖刷深度發(fā)生于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的北方向，為5.5m，其余3個(gè)方向沖刷深度為4.5～5m。根據(jù)對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍的多波束掃側(cè)結(jié)果可得，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周邊的防沖刷的主要區(qū)域應(yīng)該位于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍的10m范圍內(nèi)，尤其對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的北向范圍進(jìn)行重點(diǎn)的防護(hù)，在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)運(yùn)營期通過定期對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍區(qū)域地形進(jìn)行定期監(jiān)測，可獲得風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沖刷的效果，以采取相應(yīng)的沖刷防護(hù)措施。
圖5 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)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(shù)對(duì)風(fēng)電基礎(chǔ)周圍進(jìn)行掃測，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯L(fēng)機(jī)北側(cè)有3個(gè)海纜喇叭口，共有3根電纜引出。右側(cè)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(cè)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(shí)可以看出，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周圍有較明顯的砂被防護(hù)痕跡，風(fēng)機(jī)周邊存在較為明顯的沖刷坑，風(fēng)機(jī)北側(cè)沖刷深度最大，三維聲吶成果與多波束成果一致。
圖6 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)三維掃測
對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)三維掃測數(shù)據(jù)進(jìn)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(jù)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)之間的裸漏懸空長度共為10.51m。
利用三維成像聲吶技術(shù)對(duì)風(fēng)機(jī)附屬電纜沖刷情況進(jìn)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(shè)環(huán)境，可為風(fēng)機(jī)附屬電纜后期維護(hù)和懸跨處理方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
⒊檢測升壓站基礎(chǔ)沖刷監(jiān)測
由于升壓站基礎(chǔ)周圍電纜較多，海底水域情況復(fù)雜，采用常規(guī)手段難以對(duì)其敷設(shè)狀態(tài)和水下環(huán)境進(jìn)行精細(xì)化探測，而采用三維成像聲吶技術(shù)可準(zhǔn)確掌握水下工程現(xiàn)狀。采用三維聲吶掃測技術(shù)對(duì)升壓機(jī)基礎(chǔ)周圍進(jìn)行掃測，結(jié)果如圖7所示。升壓站基礎(chǔ)未采取防護(hù)措施，由三維掃測成果可以看出，升壓站基礎(chǔ)相對(duì)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(duì)較大。對(duì)照兩次三維測圖(相隔6個(gè)月)可以看出，升壓站框架結(jié)構(gòu)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(duì)比
三、結(jié)論
通過合理布設(shè)測線、人工操控的調(diào)查方式，實(shí)現(xiàn)多波束和三維聲吶的綜合應(yīng)用，可安全高效地對(duì)復(fù)雜水下環(huán)境下風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)和升壓站基礎(chǔ)沖刷情況進(jìn)行監(jiān)測，試驗(yàn)結(jié)果表明：
⑴多波束測深系統(tǒng)可獲取風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的平面位置，通過對(duì)測深數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，實(shí)現(xiàn)三維可視化，更加直觀詳細(xì)了解風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)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(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的防沖刷維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。
⑵三維聲吶掃測技術(shù)可呈現(xiàn)風(fēng)電基礎(chǔ)周圍海底地形的高分辨率的二維平面圖像，可直觀掌握風(fēng)機(jī)附屬電纜的敷設(shè)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(chǔ)的沖刷狀態(tài)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，可為風(fēng)機(jī)附屬電纜后期維護(hù)和懸跨處理方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
