鉴衡认证中心-冲刷仿真工作

鉴衡认证中心—海上风电场冲刷仿真简介创

新协

同诚

信进

取CONTENTS目

录前言

冲刷简介01

冲刷仿真的意义02

冲刷仿真的介绍

03

冲刷仿真的成果

04

冲刷仿真的应用前言：冲刷简介冲刷按照形态来分，主要分为以下三种类型：1

、泥沙冲淤（General

Scour）——某一特定区域内，由于潮流、波浪、泥沙等条件综

合作用下，泥沙呈冲刷态势的输移情况，一般冲刷与结构无关。2

、局部冲刷（Local

Scour）——

当一根圆柱体桩柱被放置在床面时，水流和波浪立刻

发生明显变化，增大底床切应力，并增加泥沙输运率，造成冲刷。3

、整体冲刷（Global

Scour）——在结构物周围或整体范围内造成的冲刷。底床创面的剪切应力会增大，使得土体颗粒

起动，发生输移。2、波浪作用：波浪是一种基础附近的周期性往

复运动，边界层和基础前马蹄涡得不到充分的发展，在波浪作用下，底床冲刷往往出现在基础背浪侧，是由于尾涡脱落造成的冲刷。3、波流混合作用：在自然环境中，几乎没有单

一的波浪或者潮流冲刷，而是浪和流相互作用后的水动力条件，对基础形成冲刷。大多数情况下，潮流起到冲刷作用，而波浪起到冲刷后的回淤。前言：冲刷简介冲刷按照作用机理来分主要分为以下三种类型：1、潮流作用：在潮流作用下，迎流侧基础前马蹄涡与底床创面的土体颗粒发生相互作用，单一流潮流前言：冲刷简介冲刷按照对象来分主要分为以下三种类型：1、单桩冲刷，单桩基础占主导作用的冲刷为局部冲刷，

其数量级一般大于一般冲刷一个量级，由于单桩基础间的距离较远，不存在桩群效应，不存在整体冲刷；2、导管架及高桩承台冲刷，导管架与高桩承台结构，

在桩径及基础结构上比较相似，除存在一般冲刷外，桩腿之间距离相对较近，存在桩群效应影响，产生整体冲刷，并且在每个桩腿附近也会存在局部冲刷，但是由于桩腿的桩径一般小于单桩基础的桩径，局部冲刷的深度也相对单桩基础的局部冲刷在数值上会小很多；3、海缆冲刷，海缆路由一般不存在其他结构物，冲刷

以一般冲刷为主。01

冲刷仿真的意义冲刷对海缆安全性的影响：1）一般冲刷会使海缆埋深减少，使

海缆更容易受到锚害、捕鱼作业等风险的破坏；2）桩基础周围的局部冲刷极易使桩

周附近的海缆出现裸露悬空。根据保险机构公开数据，海缆（含送

出线缆、集电线缆）约占海上风电保险索赔事件的75%-80%。01.

冲刷仿真的意义冲刷对桩基础安全性的影响：随着局部冲刷深度的增大，桩基的自振频率变化，桩基的承载力将会下降，

进而导致结构增加发生倾覆的风险。依据不完全统计，大多数桩/墩基础

破坏都是局部冲刷导致的。冲刷风险防控防控措施局部冲刷防控手段一般冲刷防控手段优点局限性工程措施抛石、砂被、固化

土、人工海草、打

小桩等多种形式金属或混凝土材料的

连锁排、套管保护、

重新掩埋等直接有效建设成本高、措

施条件限制大、

环境影响大海缆扫测利用多波束测深仪

和侧扫声呐扫描海

底地形浅地层剖面仪、多波束测深仪、侧扫声呐

结合扫描海底地形，判断海缆埋深技术成熟，数据

定量受扫测范围和频

率影响大，无法实时预警实时监测单波束旋转探头、

多条单波束探头、多波束探头通过海缆中提前布设

的光纤传感器，捕捉

环境扰动实时预警、数据支撑监测技术尚未成

熟，已建工程无法应用冲刷仿真可以通过工程公式直接计算，也可以结合软件仿真通过软件仿真潮流场、

波浪场、泥沙场，并进行耦合分析成本低、与各种

防控措施兼容、

可以动态调整需要大量实测数据支撑，需要经

验累积01.

冲刷仿真的意义02

冲刷仿真的介绍02.

冲刷仿真的介绍（1）

理——计算流体力

为主，结合

分

和工程

式潮流场仿真控制方程——（二维浅水方程）

波浪场仿真控制方程——（波浪全谱方程）泥沙场仿真控制方程——（质量平衡方程）02.

冲刷仿真的介绍（1）

理——计算流体力

为主，结合

分

和工程

式局部冲刷仿真控制方程——DNV规范工程公式仿真选用的模块：潮流场仿真——MIKE21HD模块波浪场仿真——MIKE21

SW模块泥沙场仿真——MIKE21

ST/MT模块局部冲刷仿真——MIKE21

Scour

Calculator模块

其他工具：网格划分工具——Mesh

Generator极值分析工具——EVA

Editor结果输出工具——Plot

Composer

、Time

Series

Comparator辅助工具——MIKE21Toolbox

、MIKE

Zero

Toolbox02.

冲刷仿真的介绍（2）冲刷仿真的选用软件—DHI

MIKEMIKE由丹麦水利研究所（DHI

，

Danish

Hydraulic

Institute

）开发，是一个专业的工程

软件包，用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境。仿真分类资料清单流场仿真波浪场仿真1.工程区附近测站坐标及测站资料年限2.海图资料（模型大范围水深）3.工程区测图资料（工程区加密水深）4.水文（包含波浪、潮流、泥沙）、气象观测报告5.工程设计报告（可研、初设、施工图阶段设计）6.研究海域的数值模拟或文献引用的数模、实测资料7.

国家海洋局公开资料数据泥沙仿真1.地勘或地质分析报告2.海缆扫测或其他地形变化资料02.

冲刷仿真的介绍（3）冲刷仿真需要的资料清单

步骤1：分析问题——如何仿真

步骤2：数据收集与前处理——仿真准备

步骤3：搭建模型——参数设置

步骤5：模型率定与验证

仿真校核

步骤6：方案计算——仿真应用

步骤7：结果分析与后处理——仿真结果02.

冲刷仿真的介绍（4）冲刷仿真流程

步骤4：运行模型——仿真计算仿真结果与实际贴近仿真结果

偏差较大03

冲刷仿真的成果03.

冲刷仿真的成果（1）潮流场、波浪场仿真成果输出指定工程区的潮流场、波浪场成果——流场的流速、流向、波浪场的波高、

谱峰周期、波浪方向03.

冲刷仿真的成果（1）潮流场、波浪场仿真成果输出指定点位的潮流场、波浪场成果——流场的流速、流向、波浪场的波高、

谱峰周期、波浪方向03.

冲刷仿真的成果（2）泥沙场仿真成果输出一般冲刷的泥沙场仿真成果——可以输出底床变化速度等指标（2）泥沙场仿真成果输出局部冲刷成果——体现冲淤过程，冲刷坑形态，极限冲淤平衡深度03.

冲刷仿真的成果04

冲刷仿真的应用04.

冲刷仿真的应用冲刷仿真与工程设计、建设相结合—

防患未然1

、考虑基础附近局部冲刷对海缆的影响，在

设计进出缆方向时，根据仿真的冲刷坑形态，

将进出缆方向尽量布置在冲刷坑的短边上，减

少冲刷后海缆裸露、悬空的长度。2

、考虑一般冲刷对海缆路由及海缆埋深的影

响，在设计海缆路由时，尽量选择一般冲刷较

少或呈整体淤积态势的海域，呈冲刷态势的海

域必要时考虑增加海缆埋深，减少海缆裸露及

锚害风险。04.

冲刷仿真的应用冲刷仿真与局部冲刷监测相结合—

降本增效1

、通过冲刷仿真判断风电场冲淤相对性，在

冲刷严重的桩位布置监测设备，根据仿真的

冲刷坑形态布置监测设备的朝向，提高监测

效果，优化监测设备数量，降低项目成本。同时也可以根据仿真的冲刷坑形态，在建设

期考虑进出缆方向，避免海缆冲刷后裸露、

悬空。2

、通过冲刷仿真细化局部冲刷的警报值，综

合考虑工程公式和冲刷仿真结果，设定冲刷

深度报警和冲刷坑范围报警，充分考虑局部

冲刷对海缆及单桩基础的安全性的影响，制

定精细化的运维方案，降低冲刷风险，节约

运维成