在新能源发展政策的大力推动下，中国海上风电总装机容量快速增长，2021年末达26.0 GW，装机规模位居世界第一^[1]。海上风电单桩基础由于结构简单、施工便利、承载性能好，是目前普遍采用的基础类型。桩基础的存在改变了原始流场，在波流共同作用下形成的马蹄涡和尾涡等涡流系统提供了冲刷的主要动力。冲刷坑的形成会导致基础埋深减少，增大基础悬臂长度且减少持力层深度，一方面降低了基础承载能力，另一方面降低了结构刚度，可能导致基础振动频率降低，诱发结构共振，严重威胁风机的安全^[2]。因此，开展风电基础冲刷动力特性及在线监测预警，对于指导冲刷防护工作和保障风机结构稳定具有重要意义。

桩基础冲刷监测最早可以追溯到19世纪90年代，Prendergast等^[3]总结了常用的水下冲刷监测装置，包括声呐、探地雷达、电导探针和一次性浮出装置等，监测机理都是通过判断水沙界面物理性质的变化来测量冲刷深度。传统固定式的冲刷监测装置均需要在水下安装，施工运行成本高，可维护性差，并不适用于复杂的海洋环境。目前海上风电基础冲刷监测依赖于船载多波束测深系统定期出海测量。因为出海成本高昂，作业条件受限，无法及时反馈现场的冲刷情况，所以急需一种基础冲刷低成本在线监测预警方法。

冲刷深度的研究^[4-7]一般是基于室内试验提出冲刷平衡深度的预测公式。其中挪威船级社推荐1.3倍桩径作为平衡冲刷深度^[8]。近年来，利用结构振动频率进行冲刷监测逐渐成为研究热点。文[9-13]结合试验和有限元仿真结果，提出风机结构固有频率随着冲刷深度降低明显下降，且高阶振型受影响更大；Weijtjens等^[14]在5台海上风电机组上安装了振动监测系统，发现二阶频率比一阶频率受冲刷影响更显著；Tang等^[15]建立了风机一体化模型来评估冲刷对基础动力响应的影响，并且开发了一套针对基础倾角和加速度的实时安全监测系统。由此可见，基于结构振动频率的冲刷监测方法能够在水上使用，安装运行成本低，是海上风电基础冲刷监测的主要发展方向。

本文基于风机-塔筒-基础一体化仿真模型，评估冲刷对桩基动力响应特性的影响，结合仿真结果和现场监测数据提出基于基础固有频率变化的冲刷深度预警方法，并研发海上风电基础冲刷在线监测系统，基于在江苏某海上风电场的应用，分析提出未来基础冲刷监测的改进方向。

桩基周围的冲刷形成机理如图 1所示。冲刷的动力来源于水流和波浪，因桩基存在而形成的二次流(马蹄涡和尾涡)是造成冲刷的主要因素。由于桩基的阻挡作用，水流在桩前减速并形成强压力驱动的下降水流，冲刷海床面并形成马蹄形涡流；水流流经桩周围时流线收缩，形成沿桩基周围的侧向加速绕流，在桩后与桩壁分离形成向下游水面消散的尾涡区，其升力将泥沙带出冲刷坑。

图 1 桩基周围冲刷形成机理

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冲刷起始时，马蹄形涡流初始强度较弱；随着冲刷坑的不断扩大，涡流系统的尺度和强度迅速增大；当冲刷坑尺寸达到一定大小后，其增大速度开始衰减，马蹄涡附近的床面切应力随着冲刷的发展而逐渐减小，侵蚀力降低；在某段时间内，冲刷坑达到冲淤平衡，此时冲刷深度达到最大。最大冲刷深度出现在冲刷较为严重的桩前及桩侧。桩基后方压力梯度与桩前正好相反，尾涡形成的局部负压区使得泥沙易随紊流搬运出冲刷坑，桩后涡流水流逐渐扩散，水流速度减小，在背流侧泥沙逐渐沉积并形成沉积区。

桩周围的涡流系统提供了桩基周围海床冲刷的主要作用力。涡流速度分量使冲刷坑内局部床面剪切应力增大，从而引起冲刷坑内的泥沙大量起动和输运。即使在来流流速不足以达到床面起动流速的情况下，桩周的流场变化也能增大床面切应力，以达到泥沙起动的临界条件。Chiew等^[16]研究表明，当平均行进流速达到泥沙起动流速的1/2时，冲刷开始进行。在波流共同作用下，桩周围的马蹄涡强度受波浪荷载周期性变化的影响，会加剧冲刷发展并扩大冲刷的影响范围。

因此，工程设计推荐以起动流速为标准，判断工程海域是否发生冲刷。根据地质勘探结果计算海床泥沙的临界Shields数^[17]，表示如下：

其中：D′为无量纲砂土颗粒粒径；d₅₀为泥沙中值粒径，mm；s为泥沙密度；g为重力加速度，9.81 m/s²；v为水的运动黏滞系数，1.004×10^-6 m²/s。

将式(1)代入紊流断面平均流速公式^[18]中，计算得临界起动流速U_critical，表示如下：

其中：χ为Einstein修正系数，可取1.0；h为水深，m；k为粗糙突起高度，可取d₅₀的值。

根据海洋水文勘探结果，可确定机位处的垂线平均流速U_current和波浪振荡流速U_wave。其中不同水深下波浪振荡流速的计算式表示如下：

其中：n=2π/L，为波数；H为波高，m；T为波周期，s；L为波长，m；z为垂直坐标距海面的距离，z=0时为海面。

根据上述计算结果即可初步判断工程海域基础是否会发生冲刷：当${U_{{\rm{current }}}} + {U_{{\rm{wave }}}} \le \frac{1}{2}{U_{{\rm{current }}}}$时，可认为该工程海域不会出现基础冲刷现象，不用采取防冲刷措施和冲刷监测；反之，则应考虑适当的防冲刷方式和冲刷监测。对于可能发生冲刷的机位，一般以1.3倍桩径作为最终冲刷深度设计依据，但在海上风电场的长久运行数据显示仍有不少风机基础冲刷深度超过了设计值，且对风机稳定运行产生了威胁。

为研究冲刷对桩基动力响应特性的影响，本文利用ABAQUS有限元分析软件，建立海上风力发电机组结构一体化仿真模型，如图 2所示。模型包括风机、塔筒、基础和周围土体等，其中机舱和转子以集中质量点的形式加在塔筒顶端，基础和土体均采用三维八节点缩减积分实体单元(C3D8R)。基础和塔筒表面为自由表面，土体表面为自由表面，土体外侧为法向约束，土体底部为固定约束。

图 2 海上风力发电机组一体化模型

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塔筒和基础为钢管桩，基础直径为6.00 m，塔筒为变径管，直径3.70~6.00 m。模型参数设置参考江苏某海上风电场工程实际数据。其中土体为砂土，浮容重γ=10.27 kN/m³，弹性模量E_s=15 MPa, Poisson比为0.3，黏聚力c=0.5 kPa，内摩擦角为φ=38°，剪胀角Ψ=0°；塔筒和基础材料为钢材，密度为7 800 kg/m³，弹性模量E=210 GPa，Poisson比为0.3。大直径单桩与土体之间界面的相互作用是高度非线性的问题，采用通用接触算法，桩土接触面属性定义为摩擦Coulomb罚函数，摩擦系数为0.4。

结构动力响应计算以冲刷深度作为变量，设置0、3.0、6.0和9.0 m这4种工况。一阶振型的振动频率是工程设计和监测的主要参数，因此下文以一阶频率讨论冲刷深度与结构振动频率的关系。图 3为桩基一阶振动频率随冲刷深度S的变化曲线，3种冲刷深度的频率分别降低了0.009 3 Hz(相较无冲刷工况下降3.3%)、0.017 2 Hz(下降6.3%)和0.027 0 Hz(下降10.2%)，这表明一体化结构的一阶频率随着冲刷深度的增加基本呈线性降低。除结构自身刚度和质量外，结构振动频率还受埋深、土体性质影响，但通过振动频率的下降幅度来判断冲刷情况仍然是可行的。

图 3 一阶振型振动频率随冲刷深度变化

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海上风力发电机组结构作为动力敏感性结构，环境荷载的变化可能导致结构过振，直接影响机组的正常运行，甚至导致结构疲劳失效^[19]。因此海上风机结构在运行阶段需要确保整体结构的固有频率与各种激振频率不重合，避免发生由冲刷导致的频率下降，进而引发结构共振破坏。为实现运行期风机基础冲刷和基础结构安全的在线监测与评估，本文结合全面感知、真实分析、实时控制、持续优化的智能建造理论^[20]，建立基础冲刷在线监测方法系统。

在海洋复杂环境下，各种随机频率的外部荷载作为激振力，作用在风机整体结构上。当某个外部荷载的频率接近结构固有频率时，便会引起较小的共振，因此在风机结构的频谱分析中很容易就能得到结构的固有频率。风机结构固有频率是风机-塔筒-基础所组成的一体化结构在特定地基条件下的动力响应特征，不随周围环境荷载变化而改变，在风力发电机组服役期内主要受基础埋深变化的影响。因此基础冲刷在线监测方法可通过监测结构固有频率的变化，来推测基础冲刷的情况。鉴于目前尚未有精准的风机结构固有频率与基础冲刷深度的相关关系计算公式，工程中一般以一定的频率变化值或频率最低允许值作为预警值。风机结构固有频率的采集采用低频速度传感器或加速度传感器，通过对实时采集的数据进行滤波处理和快速Fourier变换(fast Fourier transform，FFT)计算，得到风机结构振动的时域、频域曲线和固有频率值。

海上风电基础冲刷在线监测系统的逻辑架构，包括低频振动传感器、信息采集与存储单元、状态信息管理计算机、云服务器和用户端，如图 4所示。低频传感器(频率响应范围0.250 0~200.000 0 Hz)安装于风机塔筒不同方位(见图 5)，频率响应范围应在风机结构振动频率范围内；信息采集与存储单元用于存储监测数据，并将监测数据上传至状态信息管理终端；状态信息管理计算机用于存储每个风机对应的参数信息，并根据设计参数信息和监测数据确定输出信息至云服务器；云服务器根据输出信息输出对应的基础状态报告至指定的用户端，用户端根据报告做出基础维护决策。本系统使用风场电源，配备备用电源和断电重启系统以适应恶劣的海洋运行环境。

图 4 海上风电基础冲刷在线监测系统架构

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图 5 传感器安装位置

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由图 4可知，系统中信息数据流如下：1) 低频振动传感器组每隔4 h采集一组结构加速度数据，由信息采集与存储单元实时处理、存储数据。2) 状态信息管理计算机读取加速度数据，识别风机信息和数据信息，通过计算程序解析风机结构固有频率并与基准值进行比较，判断基础是否处于安全状态，固有频率与基准值的偏差安全阈值根据工程现场使用经验可取0.010 0 Hz；状态信息管理计算机通过存储的风机信息，包括基础桩径和近期冲刷深度扫测结果，判断基础冲刷是否正常；若冲刷深度小于1.3倍桩径，则认为基础冲刷正常。3) 状态信息管理计算机将基础安全状态和基础冲刷状态上传至云服务器，云服务器进一步形成报告发送至指定用户端。4) 用户可以在云服务器的数据库中查看固有频率历史变化曲线和基础状态报告，可基于报告内容对海上风电基础是否需要防护做出决策，实现预警闭环管理。

图 6展示了2020年7月10日某10 min内1#机组在4个不同方位的频域和时域曲线。由图 6可知，1#机组4个方位的固有频率基本一致，分别为0.267 0、0.267 0、0.267 0和0.270 0 Hz，而北偏东45°和南偏西45°方位的振幅和时域值要相对其他2个方位更大一些，这可能是由于此刻的主风向为东北—西南方向。值得注意的是，图 6的频域曲线中，有另一个幅值较小的峰值，频率为0.702 0 Hz，这是风机运行过程中叶片转动的频率。

图 6 1#机组不同方位的频域和时域曲线

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图 7展示了1#机组不同高程处南偏东45°方位的振动频域图，包含了2020年7月10日某1 h内的振动数据，可以看出在不同高程处测得数据计算的固有频率值均为0.265 4 Hz。虽然振动幅值随着传感器安装高程的下降，即越接近塔筒底部，其振动幅值也越小，但对于整体结构一阶频率的计算和识别没有影响。

图 7 1#机组不同高程的频域曲线

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根据工程应用实践，当机组频率下降幅度大于0.010 Hz导致出力明显下降时，将发出预警。此时需要排查频率下降原因并对基础冲刷情况进行观测。在系统运行期间，并未出现由基础冲刷深度发展导致的整体结构固有频率下降过大的问题。表 1为2019年11月至2020年7月江苏某海上风电场7#、15#和17#机组的一阶频率变化，图中数据为当日某1 h监测数据的计算值。由表 1可知，这3台机组结构固有频率均有略微下降，分别下降0.001 3、0.001 1和0.002 3 Hz。而根据现场船载多波束测深数据显示，机组的基础冲刷深度由2019年9月的3.47、5.21和6.11 m增大至2020年4月的5.12、5.48和6.95 m，符合振动频率与冲刷深度变化的基本规律。

振动频率监测开始于机组投产发电后数月，缺乏基础冲刷快速发展的前期监测数据，故难以将结构固有频率与冲刷深度相关的理论模型用全周期的现场数据进行验证。建议未来在现场应用时，以风力发电机组投产日期的监测值为基准，当在此基础上的结构固有频率的变化超过预警值时，则需要判断是否要对基础冲刷进行进一步防护。

本文针对海上风电单桩基础冲刷问题，开展了冲刷动力特性与结构动力响应仿真分析和现场监测研究，主要结论如下：

1) 通过风机-塔筒-基础一体化仿真，研究了海上风力发电机组一阶频率与冲刷深度的关系。冲刷深度的增加会导致风机整体结构的一阶频率下降，下降幅度随海床泥沙承载能力的增加而变大。

2) 研发了海上风力发电机组基础冲刷在线监测系统，现场监测数据显示结构固有频率与冲刷深度呈负相关，且结构固有频率监测的传感器安装位置受高程和方位影响有限。

3) 跟踪监测显示应用工程风机运行未出现由冲刷深度过大导致的固有频率大幅下降情况。

建议在其他同类工程的使用中提前安装监测系统，以机组投产日期的结构固有频率为基准值，在机组运行频率下降幅度达0.010 0 Hz时，发出预警，以达到全周期智能安全监测。