基于實測振動數(shù)據(jù)的海上風(fēng)電基礎(chǔ)沖刷損傷識別分析

摘 要：運用數(shù)值模型分析樁周海床沖刷對海上風(fēng)電機(jī)組動力特性的影響，發(fā)現(xiàn)單樁基礎(chǔ)的風(fēng)電機(jī)組自振頻率對沖刷較為敏感，而高樁承臺基礎(chǔ)的機(jī)組則不敏感，可通過分析單樁基礎(chǔ)機(jī)組的頻率變化來反演樁周沖淤變化情況。進(jìn)一步地，選取了3臺典型機(jī)組，利用機(jī)組的振動實測數(shù)據(jù)及沖刷掃測數(shù)據(jù)，分析了振動信號時變特性同樁周海床沖淤變化的關(guān)系。當(dāng)樁周海床發(fā)生沖刷、淤積或基本不變時，機(jī)組自振頻率呈現(xiàn)出下降、上升和基本不變的趨勢，驗證了通過機(jī)組實測振動信號判斷樁周海床沖淤特性的可行性。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；局部沖刷；動力特性；損傷識別；單樁基礎(chǔ)；高樁承臺

中圖分類號：P751 " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

海上風(fēng)電作為一種安全高效的清潔能源［1］，因其具有利用小時數(shù)高，發(fā)電中心同負(fù)荷中心近，可規(guī)?；_發(fā)等優(yōu)點，日益受到社會矚目。中國擁有超過1.8×104 km的大陸海岸線，得天獨厚的地域優(yōu)勢也為海上風(fēng)電的開發(fā)提供了廣闊的空間［2］。

從2010年中國第一個海上風(fēng)電場（上海東海大橋海上風(fēng)電場一期）的全容量并網(wǎng)，到2021年底中國海上風(fēng)電并網(wǎng)總?cè)萘寇S居全球第一，十余年間中國海上風(fēng)電獲得了長足發(fā)展，這得益于國家政策的鼓勵，也得益于海上風(fēng)電技術(shù)持續(xù)進(jìn)步。

伴隨著海上風(fēng)電場的大規(guī)模開發(fā)，一些新興問題也在工程實踐中突顯出來，基礎(chǔ)周圍海床局部沖刷［3-4］便是其中之一，如圖1所示。在海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，樁周海床沖刷是一種常見的現(xiàn)象。浪、流同樁周海床之間長期相互作用，會將樁周土體移動至遠(yuǎn)處，進(jìn)而在樁周海床上形成沖刷坑［5］。沖刷坑的存在會導(dǎo)致基礎(chǔ)入泥深度的減少，進(jìn)而影響海上風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)的整體剛度與承載性能［6-8］。

目前，在海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，通常會預(yù)留一定的沖刷深度，以保證結(jié)構(gòu)的安全。因此，如何監(jiān)測基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)沖刷狀態(tài)是否滿足初始設(shè)計要求，具有至關(guān)重要的意義。對于海上風(fēng)電基礎(chǔ)沖刷狀態(tài)檢測，通常采用船載側(cè)掃聲吶或多波束雷達(dá)的方式，該種方式費用較高、效率較低且難以做到實時監(jiān)測。為克服上述困難，本文提出一種基于風(fēng)電機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)振動信號反演樁周海床沖刷狀態(tài)的方法，并基于風(fēng)電場實際運行數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證分析。

1 風(fēng)電場基本情況

本文以江蘇某海上風(fēng)電場為研究對象，風(fēng)電場場區(qū)中心離岸距離約25 km，海底地形起變化較大，高程在[-18.9～0.6 m]之間變化。風(fēng)電場整體呈不規(guī)則四邊形，東西長約10 km，南北寬約8 km，面積約為82 km2。

場區(qū)內(nèi)混合排布有若干臺4 MW風(fēng)電機(jī)組和5 MW風(fēng)電機(jī)組。其中，4 MW機(jī)組采用單樁基礎(chǔ)，樁徑在5.5～6.0 m之間，基礎(chǔ)入泥深度在35～45 m之間；5 MW機(jī)組采用高樁承臺基礎(chǔ)，每個高樁承臺基礎(chǔ)由8根直徑2 m的斜樁及一個混凝土承臺組成。對于4 MW機(jī)組，其塔筒頂部布置有加速度傳感器，可采集相關(guān)部位的振動數(shù)據(jù)。

該風(fēng)場2017年初全面并網(wǎng)，至今已累計收集到數(shù)10臺機(jī)組持續(xù)5 a的塔頂振動數(shù)據(jù)，并于2019年、2020年、2021年分別開展過3次全面的樁周海床沖刷掃測工作。

2 數(shù)值模型

針對單樁基礎(chǔ)和高樁承臺基礎(chǔ)，分別選取典型機(jī)位，建立數(shù)值模型，開展整機(jī)（機(jī)頭+塔筒+基礎(chǔ)+地基）模態(tài)分析。運用數(shù)值方法，開展海床沖刷深度對于整機(jī)頻率影響的研究。

2.1 幾何模型

對于單樁基礎(chǔ)風(fēng)電機(jī)組，其幾何尺寸可見圖2，機(jī)組輪轂中心同塔筒底部的垂直距離H1為73 m，塔筒底同平均海平面的垂直距離H2為13 m，平均海平面同初始海床的距離H3為9 m，單樁基礎(chǔ)原始入泥深度H4為38 m。通過去除表層土體的方式來模擬海床沖刷，海床沖刷高度為H5，H5的變動范圍設(shè)為0～16 m。塔筒直徑在3.0～5.5 m之間，單樁基礎(chǔ)直徑在5.5～5.8 m之間。地質(zhì)參數(shù)參照典型機(jī)位實際情況確定，具體可見表1。機(jī)頭質(zhì)量為239 t。

對于高樁承臺基礎(chǔ)機(jī)組，其幾何尺寸可見圖3，機(jī)組輪轂中心同混凝土承臺頂部的垂直距離L1為92.7 m，承臺頂部同平均海平面的距離L2為14 m，平均海平面同初始海床的距離L3為12 m，高樁承臺基礎(chǔ)中各樁的原始入泥深度L4均為59 m。通過去除表層土體的方式來模擬海床沖刷，海床沖刷高度為L5，L5的變動范圍為0～13 m?；炷脸信_厚度為4 m，直徑為15.8 m，樁基礎(chǔ)進(jìn)入承臺的高度為2 m。塔筒直徑在4.7～6.0 m之間，樁直徑為2 m。地質(zhì)參數(shù)參照典型機(jī)位實際情況確定，具體可見表2。機(jī)頭質(zhì)量為349.5 t。

2.2 有限元模型

選取典型機(jī)位，使用通用有限元軟件ANSYS Mechanical，分別針對上節(jié)中敘述的單樁基礎(chǔ)和高樁承臺基礎(chǔ)幾何模型進(jìn)行簡化，建立有限元模型，并開展結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。

葉片與輪轂、機(jī)艙、塔內(nèi)附件（法蘭、平臺、爬梯等）采用質(zhì)量單元模擬，塔筒及樁基礎(chǔ)采用梁單元進(jìn)行模擬，混凝土承臺通過實體單元模擬。土體則通過API規(guī)范［9］推薦的P-Y、T-Z、Q-Z曲線來進(jìn)行簡化，將土體簡化為一系列3個平動方向的彈簧；進(jìn)一步地，對于實際工程中土體分層的現(xiàn)象，采用Georgiadis推薦的等效深度法來考慮土層的影響［10］。為簡化模型，重點考慮沖刷對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響，本文模型中暫不考慮水體與海生物附著對支撐結(jié)構(gòu)自振頻率的影響。

模型中原點設(shè)在塔筒底部中心點處，[X]軸為風(fēng)輪軸線方向，[Z]軸為向上且垂直與[X]軸，根據(jù)右手法則確定[Y]軸。兩種基礎(chǔ)的有限元模型可見圖4，有限元模型中各部件單元類型的選擇可見表3。

2.3 結(jié)構(gòu)動力特性分析

以土體沖刷深度為變量，建立不同沖刷深度下的“機(jī)頭+塔筒+基礎(chǔ)+地基”整體有限元模型，采用Lanczos算法求解模型的自振頻率。并將模型的[X]向一階自振頻率和[Y]向一階自振頻率繪于圖5。不同沖刷深度下，不同基礎(chǔ)形式下機(jī)組兩個方向的自振頻率可見表4。

從圖6及表4中可看出，對于使用單樁基礎(chǔ)的風(fēng)電機(jī)組，其一階自振頻率隨著海床沖刷，呈現(xiàn)出明顯下降趨勢；當(dāng)海床沖刷5 m后，一階[X]向和[Y]向自振頻率均下降約3.8%；海床沖刷10 m后，一階[X]向和[Y]向自振頻率均下降約7.7%；海床沖刷15 m后，一階[X]向和[Y]向自振頻率均下降約10.3%。對于使用高樁承臺基礎(chǔ)，其一階自振頻率隨海床沖刷，基本保持不變；當(dāng)海床沖刷5 m后，一階[X]向和[Y]向自振頻率下降僅約為0.14%；海床沖刷10 m后，一階[X]向和[Y]向自振頻率下降僅約為0.34%。

通過上述分析可知，使用單樁基礎(chǔ)的機(jī)組頻率變化對于沖刷較為敏感，通過監(jiān)測單樁基礎(chǔ)機(jī)組的頻率變化，可反演出樁周海床是否發(fā)生沖刷。但對于使用高樁承臺基礎(chǔ)的機(jī)組，因基礎(chǔ)剛度較大，其頻率變化值對基礎(chǔ)周圍的海床沖刷不敏感，較難通過監(jiān)測高樁承臺基礎(chǔ)機(jī)組的頻率變化來推斷基礎(chǔ)周圍海床是否發(fā)生沖刷。

值得一提的是，除沖刷因素外，塔筒與基礎(chǔ)自身的損傷（如法蘭螺栓松動［11-12］、塔筒開裂［13］）也會影響到風(fēng)電機(jī)組的頻率，但因此類損傷通?？赏ㄟ^肉眼觀測到，較易識別，故暫不在本文中討論。

3 實測數(shù)據(jù)分析

本文選取3臺（A#、B#、C#）典型機(jī)組，針對3種典型的樁周沖刷發(fā)展形態(tài)（沖刷、淤積、不變）同振動信號變化之間的關(guān)系進(jìn)行分析與描述。

塔頂處加速度傳感器采樣頻率為50 Hz，將每10 min記錄到的加速度數(shù)據(jù)作為一組，對其進(jìn)行傅里葉變換，即可得到該時刻整機(jī)的一階自振頻率。對不同時間處的整機(jī)自振頻率散點進(jìn)行平滑處理，可得到該機(jī)組的頻率平滑曲線圖，具體可見圖6。

通過船載多波束聲吶或側(cè)掃聲吶等方式對樁周海床開展掃測，是目前海上風(fēng)電領(lǐng)域最為常用的樁周沖刷識別方法，本文收集了該風(fēng)電場連續(xù)3 a單樁基礎(chǔ)樁周海床多波束掃測數(shù)據(jù)，掃測圖像可見圖7～圖9。并對樁周海床平均高程進(jìn)行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果可見表5。

至0.330 Hz。根據(jù)掃測結(jié)果，從2019年5月—2020年6月—2021年7月，樁周海床持續(xù)發(fā)生沖刷，其樁周半徑0～17 m范圍內(nèi)海床平均高程從[-4.97 m]下降至[-8.77 m]再下降至[-10.79 m]，其樁周半徑17～50 m范圍內(nèi)海床平均高程也從-2.87 m下降至[-5.81 m]再下降至[-7.55 m]。

同理，對于B機(jī)組，在2019年5月前，其自振頻率略有波動但變化不大；從2019年—2021年，其自振頻率存在明顯上升的趨勢，自振頻率從0.3301 Hz上升至0.3384 Hz。根據(jù)掃測結(jié)果，從2019年5月—2020年6月再到2021年7月，樁周海床持續(xù)發(fā)生淤積，其樁周半徑0～17 m范圍內(nèi)海床平均高程從[-11.66] m上升至[-10.40] m再上升至[-7.62 m]，其樁周半徑17～50 m范圍內(nèi)海床平均高程也從[-8.58] m上升至[-6.56] m再上升至-[4.60] m。

對于C機(jī)組，從2017年—2021年，其自振頻率基本維持在0.3384 Hz不變。從掃測結(jié)果中也可見，其樁周半徑0～17 m范圍內(nèi)海床平均高程在[-8.23]～[-9.46] m間小幅變化，變化幅度約1 m；其樁周半徑17～50 m范圍內(nèi)海床平均高程在[-5.82]～[-6.39] m間小幅變化，變化幅度約0.5 m。

綜上，通過對實測振動數(shù)據(jù)及樁周掃測數(shù)據(jù)的分析可知，樁周海床高程變化同風(fēng)電機(jī)組一階自振頻率存在明顯的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)樁周海床發(fā)生沖刷時，風(fēng)電機(jī)組整機(jī)自振頻率出現(xiàn)下降趨勢；當(dāng)樁周海床發(fā)生淤積時，風(fēng)電機(jī)組整機(jī)自振頻率出現(xiàn)上升趨勢；當(dāng)樁周海床變化幅度較小時，風(fēng)電機(jī)組整機(jī)自振頻率則保持基本不變。

4 結(jié) 論

本文以海上風(fēng)電基礎(chǔ)沖刷問題為研究對象，首先利用有限元模型研究不同基礎(chǔ)形式對風(fēng)電機(jī)組整機(jī)振動特性的影響，隨后通過對現(xiàn)場實測振動數(shù)據(jù)與沖刷掃測數(shù)據(jù)的對比研究，分析單樁基礎(chǔ)沖淤變化同整機(jī)動力特性變化之間的關(guān)系。得出主要結(jié)論如下：

1）對于使用高樁承臺基礎(chǔ)的風(fēng)電機(jī)組，因為高樁承臺基礎(chǔ)剛度較大，基礎(chǔ)周圍海床發(fā)生13 m沖刷后，風(fēng)電機(jī)組整機(jī)自振頻率下降幅度仍僅為0.5%，較難通過風(fēng)電機(jī)組自振頻率的變化，來判定高樁承臺基礎(chǔ)周圍海床是否發(fā)生沖刷。

2）對于使用單樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)電機(jī)組，其整機(jī)自振頻率對樁周海床沖刷較為敏感，自振頻率下降幅度同海床沖刷深度整體呈線性關(guān)系。當(dāng)基礎(chǔ)沖刷深度為10 m時，根據(jù)典型風(fēng)電機(jī)組有限元模型計算結(jié)果，其自振頻率下降幅度為7.7%，可通過監(jiān)測機(jī)組自振頻率的變化趨勢，來判斷單樁基礎(chǔ)周圍海床是否發(fā)生沖刷。

3）通過對3臺典型單樁基礎(chǔ)機(jī)組5 a振動實測數(shù)據(jù)和3次沖刷掃測數(shù)據(jù)的對比分析，研究3種典型樁周沖淤過程（沖刷、淤積、基本不變）同整機(jī)自振頻率變化之間的關(guān)系。當(dāng)樁周海床發(fā)生沖刷過程時，自振頻率呈下降趨勢；淤積時，則機(jī)組自振頻率呈上升趨勢；若機(jī)組自振頻率不變，則樁周海床沖淤幅度變化較小。通過實際案例，驗證了使用機(jī)組自振頻率變化特征來判斷樁周海床沖淤變化的可行性。

4）通過分析機(jī)組實時振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，可實時且便捷地判斷出海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)樁周海床的沖淤變化，可在一定程度上代替使用船載多波束掃測費用較高且無法實時提供樁周沖淤變化情況等問題。

5）由于海上風(fēng)電場單樁基礎(chǔ)沖刷問題較為復(fù)雜，本文僅對樁周海床沖淤情況同機(jī)組自振頻率變化之間的關(guān)系進(jìn)行定性分析。進(jìn)一步地，對相關(guān)問題開展定量分析，提高基于振動數(shù)據(jù)識別樁周沖淤狀態(tài)的精度仍有待深入研究。

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IDENTIFICATION AND ANALYSIS OF SCOUR DAMAGE OF OFFSHORE WIND TURBINE FOUNDATION BASED ON MEASURED VIBRATION DATA

Qiu Xu1，2，Li Hui1，2，Si Guangquan3，Wang Jinshou4，Zhao Hao1，2，Liu Xin1，2

（1. China Huaneng Group Clean Energy Technology Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 102209， China；

2. National Energy Offshore Wind Power Engineering and Operation Research Center， Beijing 102209， China；

3. China Huaneng Power International， Inc， Beijing 100031， China；

4. Yantai Power Plant of Huaneng Shandong Power Generation Co.， Ltd.， Yantai 264001， China）

Abstract：In this paper， a numerical model is used to analyze the influence of scour around foundations on the dynamic characteristics of offshore wind turbines. The natural vibration frequency of wind turbines with monopile foundation is more sensitive to scour， while that of turbines with multi-pile cap foundation is not. The variation of scour and deposition around piles can be inverted by analyzing the frequency variation of monopile foundation. Further， three typical wind turbines are selected， and the relationship between the time-varying characteristics of vibration signals and the scour and deposition changes of the sea bed around the pile was analyzed by using the measured vibration data and scour scanning data of the wind turbines. When the sea bed around the pile was scour， silted or basically unchanged， the natural vibration frequency of the wind turbine shows a trend of decreasing， increasing and basically unchanged. The feasibility of judging the scouring and silting characteristics of the sea bed around foundations by the measured vibration signal of the wind turbine is verified.

Keywords：offshore wind power； local scour； dynamic analysis； damage characteristics； monopile foundation； high-pile foundation