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项目概况及需求
2021年5月份,在多波束测深系统“海卓MS8200”交付的现场培训环节,我们全程参与了连云港某海域“海上风电桩基冲刷检测”的外业扫测及内业数据处理工作。该任务计划使用多波束测深系统,通过对已完成安装的48台风电机组进行密集扫测,检查桩基100米范围内的冲淤状况,筛选排查风电机组水下部分的完全隐患。
勘测区域位于江苏省连云港市东南某海域,主要勘测的风电机组为48台,南北宽约6500米,东西长约8000米,由西南至东北逐渐变深,浅水区域水深3米左右,深水区域水深可以达到12米左右,风电机组安装分布图如下图1-1所示:

图1-1 风场风机分布图
勘测区域调查及难度评估:
■ 1、流速大
风场位于灌河入海口北岸,由于该处有新沂河,灌河,五灌河交汇行洪入海,流态比较复杂,流速大,海水含沙量较高。
■ 2、涌浪高
海床受河流及海流冲积影响,呈东北至西南的“葫芦形”,因而涌浪环境复杂。且测量船只为中小型船舶,抗风浪能力弱,摇摆幅度大。
■ 3、水不深
除了靠东北的两排水域较深外,其它区域水域低潮位水深3-6米,甚至更浅。
■ 4、经验少
由于桩基测量非传统全覆盖测量,只需要以桩基为圆心直径100范围内的数据。如何综合流速、流向、风向、水深等多种因素确定测量方案,及确保数据质量和测量过程的安全,又能提高测量效率是个全新课题。
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方案及实施

本次风机桩基勘测是在黄海海域,当地水质较为浑浊,海面涌浪在0.4米左右,采用如下方案:
■ 产品组合方案:
(1)MS8200多波束测深采用的是200kHz声波频率,且具有浑水测量功能。
(2)搭配海卓POS-S25姿态仪。该产品深度融合了加拿大Applanix公司的组合航姿测量相关技术,采用TrueHeave处理算法,升沉精度精确可靠最高可达2cm ; 支持Fugro Marinestar™ GPS和GNSS服务,可确保在任意位置都能实时获取优于分米级的定位精度。因而更适合此风场复杂的测量环境。

产品组合方案

■ 测量实施方案
根据测量区的水深分布、声速变化的调查情况等,把测量区域不均匀分成五个部分,并且在进行区域测量前、测量中、测量后分别进行声速剖面数据的采集,区域划分及测线布设。
(1)根据每台风机的水深情况在风机四个方位上进行测线布设,如下图2-1所示:

图2-1 单桩基计划测线布设
(2)根据声速的变化情况,把测区分成5部分进行勘测,如下图2-2所示:

图2-2 风场勘测区域划分图
按照解决办法,进行整个项目的测量实施。
(1)实施设备安装方案

图2-3 现场实施
(2)进入测区进行多波束测量

图2-4 现场实施
(3)进行多波束测量作业

图2-5 测量软件截图

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成果及优势

外业测量结束后,首先整理多波束数据、声速剖面数据、潮位数据,然后对多波束进行内业处理输出成果数据,完成此次风电桩基勘测任务。
■ 桩基测量成果分析:
(1)桩基损坏及冲刷范围分析,通过下面的冲刷模型,可以看到桩基周围存在冲刷,且桩基表面存在磨损现象,如图3-1所示:

图3-1 桩基勘测结果模型图
①受流速流向的影响,冲刷坑在基桩西侧和南侧较为明显,图3-1中的圈1是冲坑较为严重的地方,南北长29m,东西宽16.5m,进行不规则面积计算得出该冲刷坑602㎡,冲坑比桩基表面深0.8m,随着使用年限的增加,冲刷会越来越明显,是较为严重的安全隐患,图3-2所示为冲坑局部分布图:

图3-2 冲坑局部分布图
②桩基表面也有不同程度的磨损变化,图3-1中的框1、框2是桩基表面的磨损状况的建模分析,桩基表面的测深最浅值为6.4m,大部分区域测深值为6.5m,局部地区测深值达到6.8m,通过模型与测深数据的结合展现,可以判断桩基表面有较大面积的冲刷磨蚀,磨蚀高度达到0.1m,局部地方的冲蚀接近半米。

图3-3 桩基表面磨损状态
(2)通过与2020年7月份的测量数据进行对比,也能更好的反映出桩基水下地形的变化情况;
①下图为2020年7月份多波束测量,通过建模后的图像,与2021年5月份比较可以明显看出,在桩基西北方30米处存在一个安装船桩腿留下的冲淤坑,在我们此次测量中已经可以观察到被水流冲淤填平了。

图3-4 2021年5月多波束测量结果模型图
②通过对两次数据的叠加计算,我们可以得到间隔10月的桩基水下地形的冲淤变化量。通过观察下图可以判断出:
1)灰色部分是差值在±0.2m以内的冲淤变化;
2)绿色部分较去年升高了0.5m;
3)蓝色部分较去年降低了0.8m。

图3-5 两次测量结果对比分析模型
通过和上年度测量结果的量化比对,可以准确清晰的检测到桩基水下地形的变化情况,根据变化量精确的计算出缺陷的危害程度。
经过实测以及数据分析结果的验证,针对海上风电桩基冲刷检测工程,MS8200与POS-S25的组合具有独特的优势:
1)数据质量高。海卓MS8200多波束测深系统中“良好的信号跟踪性能”和“独特的浑水算法”,配上海卓POS-S25稳定独特的性能,能够有效的解决该区域浪涌高、流速大带来的各种复杂问题,具备了整体方案要求的微地形扫描能力,把桩基基础的细微变化精细准确的表现了出来。
2)展现成果直观丰富。成熟的应用模型,使用起来简单方便;历史结果的叠加对比,可以准确直观的展现桩基破损变化的尺寸、分布范围、坑体的体积以及对比变化量等信息。
我们坚信,随着海卓MS8200多波束测深系统与POS-S25组合的不断升级和完善,将会为我国海上风电事业做出更多的贡献。

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