适用于张力腿式海洋风机基础冲刷深度的监测方法

摘要

本发明公开了一种适用于张力腿式海洋风机海底基础冲刷深度的水上监测方法，包括：（1）将海底基础、张力腿、上部风机结构以及海底基础侧摩阻力约束简化，形成振动模型；（2）平均划分海底基础埋深长度，将各埋设长度的侧摩阻力简化为弹簧约束，并计算弹簧约束的刚度系数；（3）在风机水面以上安装加速度传感器监测风机的纵向振动信号，获取风机的纵向振动的模态信息；（4）推算冲刷后海底基础的根据侧摩阻力简化的弹簧的刚度；（5）将冲刷后海底基础的弹簧约束的刚度与未冲刷时的弹簧刚度进行对比，确定侧摩阻力降低程度，推算冲刷深度。本发明实现了水面以上实时监测，识别准确，安全系数高，操作难度低，运行、维护成本少。

权利要求

1.一种适用于张力腿式海洋风机海底基础冲刷深度的水上监测方法，其特征是，包括：第一步，将海底基础、张力腿与上部风机结构简化，形成风机‑张力腿‑海底基础模型；

第二步，根据张力腿式风机海底基础的设计标准和工程条件，平均划分海底基础埋深长度，将各埋设长度的侧摩阻力简化为弹簧约束，并计算弹簧约束的刚度系数；

风机及张力腿的质量需根据设计标准确定，二者的质量之和为集中质量单元的质量M；

张力腿的轴向刚度需要根据设计指标进行确定，轴向刚度记为K1；未冲刷时的海底基础的侧摩阻力简化而成的弹簧约束，该弹簧约束的刚度需要根据工程设计值计算，记为K2；首先将海底基础的埋深进行平均划分，自上而下编号，每段的长度为d，并根据公式(1)计算该段基础的侧摩阻力：

其中：τm代表第m段的侧摩阻力，m∈[1,n]，n为大于1的自然数；τ(m)代表海底基础侧面单位面积极限摩阻力；U为海底基础的横截面周长；动力条件下，简化后的弹簧约束的刚度系数 等于该段基础的侧摩阻力τm；式(2)转化为式(3)K2＝τ1+τ2+τ3+...+τm+...+τn‑1+τn                式(3)；

第三步，在风机水面以上部分安装多个加速度传感器，用来记录风机的纵向振动加速度信号，并根据信号识别原理获取风机的纵向振动的模态信息，即基于ERA信号处理技术获取整个风机‑张力腿‑海底基础系统的固有频率及振型；

第四步，根据已知的外部荷载信息、系统的模态信息以及质量矩阵和刚度矩阵，基于结构动力学理论推算冲刷后海底基础侧摩阻力简化弹簧约束的刚度 根据结构动力学基础扰动问题中绝对运动问题的基本原理对海底的基础侧摩阻力求解：将风机、张力腿及海底基础的质量进行集中，记为M，通过ERA分析加速度传感信号获得的频率记为 根据式(4)推算冲刷后海底基础侧摩阻力简化弹簧约束的刚度2

其中：K1为张力腿的轴向刚度，为已知量；r 为外部荷载与浮式风机纵向振动频率比，为已知量；

第五步，将计算得到的冲刷后海底基础侧摩阻力简化弹簧约束刚度 与未冲刷时未冲刷前的海底基础的侧摩阻力简化弹簧约束刚度K2对比，确定侧摩阻力的降低程度，根据降低程度推算冲刷深度；未冲刷前的海底基础的侧摩阻力简化弹簧约束刚度K2与冲刷后海底基础侧摩阻力简化弹簧约束的刚度 的差值为 设划分后海底基础泥面处为第1段，若τm+1+τm+2+...+τn‑1+τn<α<τm+τm+1+τm+2+...+τn‑1+τn，则证明冲刷深度应该在第m段深度范围，因此可以确定出冲刷深度的范围在(m‑1)d到md之间。

2.如权利要求1所述的适用于张力腿式海洋风机海底基础冲刷深度的水上监测方法，其特征是，第一步中，根据海上风机的外形，构建风机集中质量模型，形成包含波浪简谐荷载、风机和张力腿质量、张力腿轴向刚度及海底基础的侧摩阻力荷载的振动模型。

说明书

适用于张力腿式海洋风机基础冲刷深度的监测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种海上风机基础稳定性分析及基础防灾减灾领域，具体是涉及一种适用于张力腿式海洋风机海底基础冲刷深度的水上监测方法。

背景技术

[0002] 随着陆地资源的稀缺，各国均加快海洋资源的开发与利用。但是海洋环境条件极度恶劣，海面附近波涛汹涌，海底附近波流涌动。张力腿式浮式风机是近几年新兴起的基础
形式，其优点是经济性好，安全性高以及具有优越的动力性能。但是，由于海底基础的存在
改变了其周围的水流环境，基础周围的冲刷现象随即产生并且愈演愈烈。随着冲刷现象的
不断进行，张力腿式浮式风机海底基础周围的土体被带走，海底基础的抗拔承载力下降，打
破了各张力腿之间原本的平衡状态，极易引起浮式风机大幅度的不规则运动，严重威胁其
稳定运营，造成重大损失。

[0003] 由于冲刷现象发生在海底，直接进行冲刷深度的测量难度非常大，经济成本高，不仅耗时耗力，而且具有危险性。现有的冲刷深度预测理论主要依靠经验和半经验公式来计
算冲刷深度。但是，计算过程复杂，适用条件要求高，预测结果具有较大的误差。现有的冲刷
监测方法主要依靠复杂的监测仪器和稳定的工程环境来进行水下作业，而对于安装吸力式
桶形基础的水域及地基类型，冲刷后随着长期的浑浊水质及不规则坑陷，非常不适合监测
仪器及人员的水下作业。

[0004] 申请人申请的中国专利CN 109610528 A公开了一种对海洋桩基周围土体冲刷深度检测方法，包括：(1)建立桩‑土系统；(2)利用集中质量法将桩基划分n个节点并编号，节
点与节点之间通过长度为d的无质量弹性杆连接，节点与下部连接杆为一个单元，杆长度d
即为单元厚度。(3)将基础周围土体分层，每层厚度与单元厚度相同为d，简化为节点周围无
质量弹簧约束，并确定弹性系数；(4)建立桩‑土系统下整体刚度矩阵与质量矩阵；(5)检测
不同冲刷深度下桩基各阶固有频率和振型。(6)采用交叉模型交叉模态法(CMCM法)得出刚
度修正系数，找出修正系数突变处所对应节点，即受损单元，并确定出受损单元与泥面处桩
基单元之间单元数，通过单元数与单元厚度相乘确定出冲刷深度范围。但是该发明专利的
适用对象为桩基础，张力腿式结构的振动表现主要为纵荡和垂荡，也就是纵向振动。而中国
专利CN109610528A的监测原理聚焦于桩基础的横向振动而非纵向振动，该专利无法适用于
张力腿式海上风机基础的冲刷深度监测。中国专利CN109610528A中涉及到模型简化方法、
ERA信号识别技术以及CMCM模型更新方法，过程较为复杂并且需要依据有限元模型进行多
次迭代计算。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为克服上述现有技术的计算、监测方式的不足和局限性，提供一种适用于张力腿式海洋风机海底基础冲刷深度的水上监测方法，该方法克服了水下海底基
础冲刷深度监测困难的难题，通过在风机海面以上的部分布置多个加速度传感器，获取张
力腿式浮式风机的模态信息，推算海底基础的侧摩阻力损失程度进而获取冲刷深度范围。
通过确定出张力腿式浮式风机海底基础的侧摩阻力的损失程度，对冲刷深度进行科学计算
和监测。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

[0007] 一种适用于张力腿式海洋风机海底基础冲刷深度的水上监测方法，包括：

[0008] 第一步，将海底基础、张力腿与上部风机结构简化，形成风机‑张力腿‑海底基础模型；

[0009] 根据海上风机的外形，构建风机集中质量模型，形成包含波浪简谐荷载、风机和张力腿质量、张力腿轴向刚度及海底基础的侧摩阻力荷载的振动模型；

[0010] 第二步，根据张力腿式风机海底基础的设计标准和工程条件，平均划分海底基础埋深长度，将各埋设长度的侧摩阻力简化为弹簧约束；

[0011] 风机及张力腿的质量需根据设计标准进行确定，二者的质量之和为集中质量单元的质量M；张力腿的轴向刚度需要根据设计指标进行确定，轴向刚度记为K1；未冲刷时的海
底基础的侧摩阻力简化而成的弹簧约束，弹簧约束的刚度需要根据工程设计值进行计算，
记为K2；首先将海底基础的埋深进行平均划分为n段，自上而下进行编号，每段的长度为d，
并根据公式(1)计算该段基础的侧摩阻力：

[0012]

[0013] 其中：τm代表第m段的侧摩阻力，m∈[1,n]，n为大于1的自然数；τ(m)代表海底基础侧面单位面积极限摩阻力；U为海底基础的横截面周长；动力条件下，简化后的弹簧约束的
刚度系数 等于该段基础的侧摩阻力τm；式(2)转化为式(3)

[0014]

[0015] K2＝τ1+τ2+τ3+...+τm+...+τn‑1+τn   式(3)

[0016] 第三步，在风机水面以上部分安装加速度传感器来监测风机的纵向振动信号，并根据信号识别原理获取风机的纵向振动的模态信息；

[0017] 在风机水面以上部分安装多个加速度传感器，用来记录风机的纵向振动加速度信号；基于ERA信号处理技术获取整个风机‑张力腿‑海底基础系统的固有频率及振型；

[0018] 第四步，根据已知的外部荷载信息、系统的模态信息以及质量矩阵和刚度矩阵，基于结构动力学理论推算海底基础侧摩阻力简化弹簧的刚度；

[0019] 根据结构动力学基础扰动问题中绝对运动问题的基本原理对海底的基础侧摩阻力求解：

[0020] 将风机、张力腿及海底基础的质量进行集中，记为M，通过ERA分析加速度传感信号获得的频率记为 根据式(4)推算冲刷后海底基础侧摩阻力简化弹簧约束的刚度

[0021]

[0022] 其中：K1为张力腿的轴向刚度；r2为外部荷载与风机纵向振动频率比，需要根据工程设计状况决定，一般

[0023] 第五步，将计算得到的未冲刷前的海底基础的侧摩阻力简化弹簧约束刚度K2与冲刷后海底基础侧摩阻力简化弹簧约束的刚度 对比，确定侧摩阻力的降低程度，根据降低
程度推算冲刷深度；

[0024] 根据式(2)和式(3)计算得到未冲刷前的海底基础的侧摩阻力简化弹簧约束刚度*
K2，根据式(4)得到冲刷后海底基础侧摩阻力简化弹簧约束的刚度 K2与K2都是侧摩阻力
*
弹簧刚度，不同的是K2为冲刷前的侧摩阻力刚度系数，是已知量。K2为冲刷后的侧摩阻力刚
度系数，为未知量。二者的差值为 设划分后海底基础泥面处为第1段，若τm+1+
τm+2+...+τn‑1+τn<α<τm+τm+1+τm+2+...+τn‑1+τn,则证明冲刷深度应该在第m段深度范围，因此
可以确定出冲刷深度的范围在(m‑1)d到md之间。

[0025] 本发明的有益效果是：

[0026] (1)本发明利用信号识别及监测的方法对张力腿式浮式风机的海底基础冲刷深度进行实时监测，克服了水下海底基础冲刷深度监测困难的难题。通过在风机海面以上的部
分布置多个加速度传感器，获取张力腿式浮式风机的模态信息，推算海底基础的侧摩阻力
损失程度进而获取冲刷深度范围。通过确定出张力腿式浮式风机海底基础的侧摩阻力的损
失程度，对冲刷深度进行科学计算和监测。

[0027] (2)本发明充分考虑了张力腿式浮式风机的海底基础的实际冲刷情况，将海底基础的侧摩阻力简化为弹簧约束，海底基础埋深的变化反映为弹簧的刚度变化。考虑到张力
腿式浮式风机的振动情况，通过监测风机的纵向振动获取风机的模态信息，可以比较准确
地获取海底基础侧摩阻力的变化情况，方便冲刷深度的推算。

[0028] (3)本发明仅依靠模型简化方法和ERA信号识别技术，操作简便，监测用时相比于中国专利CN109610528大大缩短。该发明识别准确，安全系数高，操作难度低，运行、维护成
本少，并且可实现实时监测。

附图说明

[0029] 图1为冲刷深度监测方法技术路线图；

[0030] 图2为张力腿式浮式风机各部分力学特性示意图；

[0031] 图3为张力腿式浮式风机各部分简化示意图；

[0032] 图4为张力腿式浮式风机海底基础冲刷简化示意图；

[0033] 图中：1‑风机主体部分；2‑张力腿；3‑海底基础；4‑土体；5‑风机浮体；6‑加速度传感器；7‑水面；8‑简化后的质量体；9‑简化后张力腿轴向弹簧约束；10‑简化后海底基础侧摩
阻力弹簧约束；11‑冲刷后卸载的侧摩阻力弹簧约束；12‑冲刷前土体泥面；13‑冲刷后土体
泥面，14‑冲刷的深度。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

[0035] 本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术
上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生
的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本
说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明
了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容
下，当亦视为本发明可实施的范畴。

[0036] 如图1‑图4所示，适用于张力腿式海洋风机海底基础冲刷深度的水上监测方法，包括：

[0037] 第一步，将海底基础3、张力腿2与上部风机结构(即风机主体部分1)简化，形成风机‑张力腿‑海底基础模型；

[0038] 根据海上风机的外形，构建风机集中质量模型，形成包含波浪简谐荷载、风机和张力腿质量、张力腿轴向刚度及海底基础3的侧摩阻力荷载的振动模型；

[0039] 第二步，根据张力腿式风机海底基础3的设计标准和工程条件，平均划分海底基础埋深长度，将各埋设长度的侧摩阻力简化为弹簧约束10；

[0040] 风机及张力腿2的质量需根据设计标准进行确定，二者的质量之和为集中质量单元的质量M；张力腿的轴向刚度需要根据设计指标进行确定，轴向刚度记为K1；未冲刷时的
海底基础的侧摩阻力简化而成的弹簧约束10，弹簧约束10的刚度需要根据工程设计值进行
计算，记为K2；举例说明：假设将海底基础的埋深平均划分为20段，泥面处单元为1号，基础
底部单元为20号，每段的长度为d，并根据公式(1)计算每个单元基础埋深的侧摩阻力：

[0041]

[0042] 其中：τm代表第m段的侧摩阻力，m∈[1,20]；τ(m)代表海底基础侧面单位面积极限摩阻力；U为海底基础的横截面周长；动力条件下，简化后的弹簧约束的刚度系数 等于该
段基础的侧摩阻力τm；式(2)转化为式(3)

[0043]

[0044] K2＝τ1+τ2+τ3+...+τ19+τ20   式(3)

[0045] 第三步，在风机水面以上部分(即风机主体部分1)安装加速度传感器6来监测风机的纵向振动信号，并根据信号识别原理获取风机的纵向振动的模态信息；

[0046] 在风机水面以上部分(即风机主体部分1)安装多个加速度传感器6，用来记录风机的纵向振动加速度信号；基于ERA信号处理技术获取整个风机‑张力腿‑海底基础系统的固
有频率及振型；

[0047] 第四步，根据已知的外部荷载信息、系统的模态信息以及质量矩阵和刚度矩阵，基于结构动力学理论推算海底基础侧摩阻力简化弹簧的刚度；

[0048] 根据结构动力学基础扰动问题中绝对运动问题的基本原理对海底的基础侧摩阻力进行求解：

[0049] 将风机、张力腿及海底基础的质量进行集中，记为M，通过ERA分析加速度传感信号获得的频率记为 假设计算得到的冲刷后海底基础侧摩阻力简化弹簧约束的刚度为
则根据式(4)推算冲刷后海底基础侧摩阻力简化弹簧约束的刚度

[0050]

[0051] 其中：K1为张力腿的轴向刚度，为已知量；r2为外部荷载与浮式风机纵向振动频率比，需要根据工程设计状况决定，为已知量。

[0052] 第五步，将计算得到的冲刷后海底基础的弹簧约束的刚度与未冲刷时的弹簧刚度进行对比，确定侧摩阻力的降低程度，根据降低程度推算冲刷深度。

[0053] 根据式(2)和式(3)计算出未冲刷前海底基础的侧摩阻力简化弹簧约束刚度K2，根*
据式(4)得到冲刷后海底基础侧摩阻力简化弹簧约束的刚度 K2与K 2都是侧摩阻力弹簧
*
刚度，不同的是K2为冲刷前的侧摩阻力刚度系数，是已知量。K2为冲刷后的侧摩阻力刚度系
数，为未知量。那么，二者的差值为 若τ3+τ4+...+τ19+τ20<α<τ2+τ3+...+τ19+τ20，
则证明冲刷深度应该在第2段深度范围，因此可以确定出冲刷深度的范围在d到2d之间。

[0054] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不
需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。