随着经济的发展和人们对环境的日益重视，清洁能源越来越受到人们的青睐。中国沿海地带经济发达、人口稠密、海洋资源丰富，为海上风电能源的发展提供良好契机。与陆上风电场相比，海上风电场风速更高、风电机组单机容量更大、年利用小时数更高。但海上风电场建设的技术难度也较大，建设成本一般是陆上风电场的2～3倍，其维护过程也更困难。海上风电场在建设完工后，随着服役时间的增加，不可避免地出现桩基下海床冲刷、海缆裸露等情况，给水下桩基和海缆带来一定安全风险。因此，评估风电场水下桩基和海缆在役期的安全稳定性是极为重要的环节。以往开展此类评估多借助人工潜水探摸、侧扫声呐等技术，不仅风险较大，且无法得到所需要的完整数据。随着水下声呐技术的发展，3D声呐得到广泛应用，为水下桩基和海缆的状态检测、评估提供新的方法。

一、检测内容和目的

⑴获取风电场水下桩基和周围海床的三维影像，量化桩基周围海床冲刷情况，估算修复桩基周围海床冲刷坑所需的土石方量。

⑵获取连接桩基的海缆影像，判断海缆数量、走向，量取海缆裸露长度、悬空高度等数据。

二、主要使用设备

主要使用设备为POS-MV惯性导航系统和Echoscope水下3D声呐系统，分别见图1、图2。设备和软件用途见表1。

图1 POS-MV惯性导航系统

图2 Echoscope水下3D声呐系统

表1 设备和软件用途

三、实施方案

测量时采用RTK-DGNSS技术进行平面和高程控制。3D声呐系统搭载在测量船舶上，使用配套软件进行3D声呐系统配置和外业数据采集。

⒈设备安装和校准

⑴声呐头和惯性导航系统安装

按照设备安装要求，将承载3D声呐头的安装支架固定在测量船的舷侧位置，保证连接声呐头的安装杆垂直于水面。3D声呐头安装支架和安装杆见图3。

图3 3D声呐头安装支架和安装杆

安装时采用铅垂仪进行调整校准，并保证安装紧固。在安装惯性导航系统时，2个接收天线的连线应平行于艏艉轴线，并将主天线放在船尾侧。

⑵惯性测量单元校准

在惯性导航系统连通后，先对惯性测量单元进行对准校正，校正通过后再进行下一步操作。

⑶系统姿态参数校准

按照姿态参数校准方法，首先在特定海床海域设计校准测线，其次按测线航行并采集外业数据，最后在后处理软件中计算出姿态校准参数。

⒉外业实施

使用船载电台接收基准站发射的差分信号，并将差分信号导入惯性导航系统中进行位置修正，以获得高精度实时三维定位数据。惯性导航系统输出时间数据，用以消除时间延迟误差。使用POS-MV惯性导航系统输出姿态和艏向数据，实时改正船体姿态，消除船体姿态变化带来的不良影响。采用声速剖面仪获取水体声速数据，并输入改正软件，消除声速变化产生的误差。通过USE采集软件和云台调节声呐头角度，使声波发射方向对准扫测目标，再根据接收到的图像实时调整声呐系统的增益、阈值、量程等参数，使图像数据最优化。

为了获取清晰的图像，同时保证设备安全，计划在风机两侧各布设1条测线，每条测线以声呐头25°和35°的角度各扫测1次；在距离风机两侧14m、21m、28m、35m处各布设1条测线，以声呐头40°的角度进行周围地形扫测。测线布设图见图4。

 图4 测线布设图

考虑到水上作业时间较短，设置声波发射的频率为375kHz，声呐视场角为50°×50°，扫测过程中船速不大于5kn。

⒊数据处理

首先，对扫测的数据进行去噪处理和影像拼接，得到水下桩基和海缆的三维影像。其次，利用软件工具量取桩基周围海床的冲刷坑深度、海缆裸露长度、悬空高度等数据。最后，对桩基周围海床的点云数据进行抽稀，形成地形数据并导入CASS软件中，通过建立DTM模型计算冲刷坑回填至桩基周围平均海床参考面高程的土石方量。

⑴海缆编号

海缆编号规则：因为海缆通常位于风机北侧，故从风机北侧开始沿逆时针方向依次将海缆编号为#1、#2和#3（假若存在）。海缆编号示范图见图5。

图5 海缆编号示范图

⑵海床冲刷坑深度和海缆裸露情况量取方法

①海缆悬空高度的量取方法。在三维影像图中，以冲刷坑最低处为基点，插入1个与其等高的水平面，量取海缆最高处的下沿到该水平面的垂直距离，即为该海缆悬空高度。

②海缆裸露长度的量取方法。以海缆与桩基连接点为起点，海缆进入泥面的点为终点，2点之间的长度即为海缆裸露长度。

③冲刷坑深度量取方法。以桩基周围海床的最高处为基点，插入1个水平面，该水平面至冲刷坑最深处的垂直距离即为海床冲刷坑深度。海缆悬空高度、裸露长度和海床冲刷坑深度标示见图6。

图6 海缆悬空高度、裸露长度和海床冲刷坑深度标示

⑶冲刷坑回填土方量计算方法

基于流体力学理论，桩基周围冲刷坑的范围不超过4.5倍的桩径，所测风电场的桩基直径约6.2m，因此理论上冲刷坑半径不超过15m。为避免桩基周边冲刷坑深度影响平均海床参考面高程的计算，以桩基中心15m外未受到冲刷海床区域的平均高程作为平均海床参考面的高程，并以此作为修复冲刷坑所需土方量的高程起算面。此举可保证回填后桩基周围海床高度与周围保持一致。回填土方量的具体计算方法如下：

①在CASS软件中绘制出以桩基中心为圆心、半径15m的圆，再绘制出以桩基中心为中心、边长45m×45m的正方形。

②对桩基周围海床的点云三维地形数据进行抽稀，导入CASS软件中形成高程点。在CASS图中将15m半径圆以内的高程点和45m×45m的正方形以外的高程点删除，留取剩余的高程点用来计算平均海床参考面。

③将步骤2中留取的高程点输出至Excel表中，在Excel中计算高程值（Z值）的平均值，作为平均海床参考面的高程值。

④在CASS软件中绘制出以桩基中心为圆心、半径3m（桩基半径）的圆。

⑤将抽稀后的桩基周围海床三维地形数据导入CASS软件中，形成高程点。再在CASS图中将3m半径圆以内的高程点和45m×45m的正方形以外的高程点删除，留取剩余的高程点用来计算冲刷坑的回填土石方量。

⑥利用步骤5中留取的海床地形高程点，在CASS软件中建立DTM模型，结合计算得到的平均海床参考面高程，用三角网法计算出冲刷坑回填至平均海床参考面的土石方量。

四、检测结果分析

⒈桩基下海床冲刷深度和海缆裸露情况分析

⑴#15风机

#1海缆向南通往#14风机，海缆管口到海缆入泥处有长度约6.65m的裸露段，悬空高度约5.89m。#15风机水下桩基和海缆3D声呐影像见图7。

图7 #15风机水下桩基和海缆3D声呐影像

#15风机桩基周围海床存在直径约28m的环形冲刷区域，冲刷区域最深处相对深度（以周围海床的最高处为起算面）约6.03m。#15风机水下桩基周围海床地形渲染图见图8。

图8 #15风机水下桩基周围海床地形渲染图

⑵#30风机

#1海缆向东通往#29风机，海缆管口到海缆入泥处有长度约7.50m的裸露段，悬空高度约5.59m。

#2海缆向西通往#31风机，海缆管口到海缆入泥处有长度约9.96m的裸露段，悬空高度约4.96m。#30风机水下桩基和海缆3D声呐影像见图9。

图9 #30风机水下桩基和海缆3D声呐影像

#30风机桩基周围海床存在直径约32m的环形冲刷区域，冲刷区域最深处相对深度约6.21m。#30风机水下桩基周围海床地形渲染图见图10。

图10 #30风机水下桩基周围海床地形渲染图

⑶#32风机

#1海缆向东通往#31风机，海缆管口到海缆入泥处有长度约7.14m的裸露段，悬空高度约5.23m。

#2海缆向西通往#33风机，海缆管口到海缆入泥处有长度约6.86m的裸露段，悬空高度约3.41m。#32风机水下桩基和海缆3D声呐影像见图11。

#32风机桩基周围海床存在直径约25m的环形冲刷坑，冲刷坑最深处约4.36m。#32风机水下桩基周围海床地形渲染图见图12。

将海上风电场水下桩基周围海床冲刷坑深度和海缆裸露情况进行汇总。水下桩基周围海床和海缆现状检测结果见表2。

图11 #32风机水下桩基和海缆3D声呐影像

图12 #32风机水下桩基周围海床地形渲染图

表2 水下桩基周围海床和海缆现状检测结果   

⒉桩基平均海床参考面和冲刷坑回填土方量计算结果

将海上风电场水下桩基周围平均海床参考面高程和修复冲刷坑所需的回填土石方量进行统计汇总。水下桩基周围平均海床参考面高程和回填土石方量见表3。

表3 水下桩基周围平均海床参考面高程和回填土石方量

五、结语

对某海上风电场3个水下桩基和海缆进行3D声呐扫测，可获得水下桩基和海缆的三维清晰影像、高密度的水下构筑物和海床地形点云数据，使海上风电场水下桩基和海缆检测精度和效率得到提高，并实现检测结果的可视化。

文章来源：《溪流之海洋人生》https://mp.weixin.qq.com/s/yZJU42dzUmD-wZFvAMs_5g