i-SDEPCI海上风电桩基冲刷检测分析系统的设计与实现.pdf

152http:/电 力 勘 测 设 计增刊1耦合作用下海上风电机组的载荷特性研究表明，波浪对机组塔筒底部结构载荷影响较大。常增亮4等针对海上风电工程结构安全监测的需求构建了水上、水下一体化安全监测体系基础框架。关于风电桩基冲刷检测数据处理分析相关DOI：10.13500/j.dlkcsj.issn1671-9913.2023.S1.027i-SDEPCI海上风电桩基冲刷检测分析系统的设计与实现尤超帅，高兴国(山东电力工程咨询院有限公司，山东济南250013)摘要：由于海洋环境条件复杂，动态冲刷情况下的冲刷量计算分析系统研发处于空白，且手动计算冲刷量较为繁琐，无法满足日益增长的海上风机基础维护需求。基于 TIN 的冲填量计算方法，实现 i-SDEPCI 海上风电桩基冲刷检测分析系统，可便捷开展海上风电桩基冲填计算分析等工作。通过在江苏滨海南H3#风电场的应用，计算结果与南方 CASS 的计算精度基本一致，平均误差为-2.12 m3，均方根误差为 5.09 m3，相对误差百分率为 1.54%，决定系数 R2为 0.998，可用于海上风电工程单桩基础及多桩基础冲刷检测相关工程计算。关键词：海上风电；桩基冲刷；填挖方；滨海南 H3#中图分类号：P2 文献标志码：A 文章编号：1671-9913(2023)增刊1-152-06Design and Implementation of i-SDEPCI Offshore Wind Turbine Pile Erosion Detection and Analysis SystemYOU Chaoshuai,GAO Xingguo(Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.,Ltd.,Jinan 250013,China)Abstract:Due to the complex Marine environmental conditions,the research and development of the brush volume calculation and analysis system in the case of dynamic scour is blank,and the manual calculation of the brush volume is cumbersome,which cannot meet the increasing needs of offshore fan foundation maintenance.The TIN-based filling capacity calculation method implements the i-SDEPCI pile foundation erosion detection and analysis system for offshore wind power,which can facilitate the calculation and analysis of pile foundation for offshore wind power.Based on the application in the South H3#wind field of Binhai,Jiangsu Province,the calculated accuracy of CASS is basically consistent with that of CASS in South China.The average error is-2.12 m3,the root mean square error is 5.09 m3,the relative error percentage is 1.54%,and the coefficient of determination R2 is 0.998,which can be used to calculate the scour detection of single pile foundation and multi-pile foundation in the offshore wind power engineering.Keywords:offshore wind power;pile erosion;fill in the excavation;H3#Binhai South*收稿日期：2023-02-28 第一作者简介：尤超帅(1996)，男，硕士，主要从事电力工程勘察测绘等工作。0引言海洋环境中气象条件复杂、地质条件及海况恶劣，导致海上风机冲刷监测运维难度较大1。于徽2等结合实地调研制定了海上风电安全作业过程中的风险管控措施。付德义3等对风浪153i-SDEPCI海上风电桩基冲刷检测分析系统的设计与实现http:/ 工程勘测 增刊1 系统目前研发及应用较少，不利于相关工程应用的流程化、便捷化以及作业效率的提升。本文着眼于海上风电工程结构安全监测体系基础框架主要技术流程中的监测数据处理与分析、监测结果对比分析与评价 2 个部分，主要进行风机冲刷系统设计、实现及应用。1研究区概况江苏滨海南 H3#项目位于江苏省盐城市滨海县废黄河口扁担港口之间的近海海域，滨海港水域港界南侧，离岸距离 36 km，海底地形变化较小，水深约 18 20 m，装机规模 300 MW，安装 75 台单机容量 4 MW 海上风电机组，配套建设 1 座 220 kV 海上升压站和陆上集控中心。该项目于 2020 年 4 月份完成首台风机吊装，8 月份开展首次桩基冲刷监测，10 月份首批风机并网。滨海南 H3#项目与滨海北 H1#100 MW、滨海北 H2#400 MW 共同构成亚洲规模最大的海上风电集群，对促进地方经济绿色发展、拉动地区能源转型升级发挥重要意义。2系统设计及实现2.1 研究方法水下地形分析中，冲填量的计算方法主要有断面法、散点法和三角网法等5-8：断面法通过对封闭区域等间隔划分断面，结合剖面面积和断面间隔计算规划区域的填挖方体积，计算结果随断面间隔而变化；散点法采用面积加权平均计算当前格网填挖方量，适用于局部区域内高程变化较小的地形，散点数量对计算结果影响较大；三角网法把离散高程点按照 Delaunay 剖分方法构建不规则三角网(triangulated irregular network，TIN)，多 个三角网构建了基于 TIN 的数字地表模型(digital surface model，DSM)，每个三角网所对应的冲填量汇总后即为最终的填挖方量。冲填量计算系统采用基于 TIN 的冲填量计算方法，该方法系统性能优，可较好地顾及平原和山地等不同地形地貌特征。冲刷量计算通过对多波束测量测线的条带数据矢量化、网格化处理得到标准化数字高程模型(digital elevation model，DEM)栅格数据，结合风机桩位设计及施工坐标进行指定区域的边界范围绘制、环形面状区域绘制、区域数据提取，并计算高程最大值、最小值和平均值，环形区域的平均值用作当前风机研究区域的规划目标高程值。系统冲填量计算分析算法流程如图 1 所示。?(X?Y)?D?100 m100 m?DEM?TIN?图1冲填量计算分析算法流程图154http:/电 力 勘 测 设 计增刊12.2 整体架构桩基冲填计算分析系统可归纳概括为 8 个模块：项目管理模块、数据管理模块、视图操作模块、数据处理模块、专题制图模块、报表输出模块、用户管理模块和系统帮助模块，各功能模块集成应用于主体程序框架。整体应用系统通过面向服务管理架构模式实现应用组件的有效整合、统一化管理及维护。系统资源管理包括结构化资源和非结构化资源 2 类，系统应用及分析需完成 2 类资源的有效采集和管理：对于非结构化资源，通过相应的资源采集工具完成数据的统一管理与维护；对于结构化资源，通过多维接口管理体系进行相应资源采集模板的定制，采集后的数据通过资源审核和分析处理后整合到数据交换平台进行有效管理。系统逻辑架构如图 2 所示。?C#?Python?ArcGIS Engine?ArcGIS Python?Windows.Net?图2冲刷平台逻辑架构图系统主要用于处理海上风电运维阶段中的冲刷检测工作，包括多波束测深系统的数据格式转换、测深数据处理、图形拓扑运算、数据存储、地图可视化、等高线绘制、三维效果渲染、冲刷现状成图、冲填量计算、报表输出等功能。其中，风机桩位空间管理功能提供空间域的相对位置关系，包括风机桩位坐标数据导入、桩基面域数据生成、桩基周围 100 m 范围研究区面域数据生成、桩基研究区 DEM 数据生成；数据导入及存储包括坐标系选择、地理数据投影、数据入库、数据调用；地图可视化提供直观的数据展示，包括为风机桩位相对关系的展示、冲刷现状的浏览等功能；制图功能涉及到区域地形、多类专题图的生产，包括海洋水深图、冲刷现状图、三维透视图、三维渲染图、等高线填充图。2.3 业务实现系统平台基于 ArcEngine 嵌入式 GIS 组件库及敏捷式开发模式集成风机冲刷监测运维中常见的多波束数据预处理、冲刷现状可视化、专题图绘制及自动化报表输出等功能，为冲刷维护提供快速、可靠、易操作的专业运维系统。系统平台主体架构基于 C#语言实现，结合混合编程方式耦合了 Python 语言中的 ArcGIS Scripting 地理数据分析包、Mayavi 三维可视化155i-SDEPCI海上风电桩基冲刷检测分析系统的设计与实现http:/ 工程勘测 增刊1 扩展包、Matplotlib 面向对象绘图包等类库资源。针对多源 GIS 数据处理的业务进行了封装，有效地集成了业务流，提高了数据处理的规范化程度和效率。数据库基于 MS Access 关系数据库管理系统。3相关讨论系统平台实现了风机冲刷监测中常见的多波束数据预处理、冲刷现状可视化、专题图绘制及报表输出等功能。结合成图结果可知，冲刷坑主要沿风机桩位四周发育，受漩涡水流的泥沙输移影响，最大冲刷深度从 0.62 6.62 m不等，属环向冲刷9-10。恒流条件下，桩基冲刷影响范围为桩基直径 D 的 3 倍11，以风机桩基基础为中心的 3 倍桩基直径范围内，海底整体地形起伏较大，风机桩基基础中心附近有明显冲刷坑形成，风机桩基基础周边的输电海缆表征为高于海底的线状特征。3.1 局部冲刷结合系统生成局部冲刷成果图可知，风机#A 冲刷面发育至整个桩基，属环向冲刷，趋于恒流条件下的冲刷平衡，但潮流冲刷过程随时间发生改变，与恒定流冲刷成果存在差异9-10,12-14。升压站使周围的波浪和水流发生改变，加强马蹄涡的强度及冲刷时间，对附近海床的局部冲刷产生一定影响。风机#B 位于风机阵列中部，属环向冲刷。风机#C 冲刷面呈扇形发育，最大冲刷深度发生在桩基洋流冲刷显著的方向，结合成果图推测该风场波浪反射区主要位于西侧，桩基东侧波浪掩护区较大。风机#D 因防冲刷保护措施影响，冲刷面不规则且趋于环向冲刷。风机#E 冲刷面呈半圆形发育，趋于环向冲刷，未达到稳定状态。风机#F 采取防冲刷保护措施后，3 倍桩基范围内冲刷量较小，同时该机位离岸距离较远，受海洋波流影响较大，表明防冲刷保护措施效果显著，定期开展相关工作具有一定价值。典型风机 3 倍桩基直径范围内冲刷状况空间分布如图 3 所示。3.2 整体冲刷结合系统生成 100 m 范围内成果图可知，6 台典型风机在 100 m 范围空间尺度下均存在桩基冲刷现象，防冲刷措施在风机#C、#F 处效果最为明显，但由于海洋潮流和近底层漩涡运动影响，冲刷程度整体存在差异性。100 m 研究范围内三维冲刷分布如图 4 所示，二维冲刷状况空间分布如图 5 所示。#A#B#E#C#F#D?/m-18N-22m5图3局部冲刷状况空间分布成果图#A#B#E#C#F#D图4三维冲刷分布成果图#A#B#E#C#F#D图5二维冲刷状况空间分布成果图桩基 100 m 范围内海底地形的高程最小值、最大值和平均值等冲刷趋势成果如图 6 所示，桩基周围海底地形起伏较大，海底高程平均值为-19.151 m。桩基冲刷量及计算标高成果如图 7 所示，风机和升压站桩基周边建成后进行了固化土防冲刷保护施工，风机桩基保护效果较好，冲刷156http:/电 力 勘 测 设 计增刊1量 100 m3，但是部分风机桩基冲刷量较大，应及时针对相关机位加强工程防护。1642047101316192225283134374043464952555861646770?10?14?18?22?26?3073S1?m?m?图6研究区域冲刷趋势成果图11 2001 00080060040020004710 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70?15?17?19?21?23?2573 S1?m3?m?图7冲刷量及计算标高成果图在使用相同标高情况下，结合 CASS 测量系统进行计算结果的精度评定。随机选择风机 5 处算例进行精度验证，计算结果精度指标中平均误差BIAS为-2.12 m3，均方根误差RMSE为5.09 m3，相对误差百分率为 1.54%，决定系数 R2 为 0.998。南方 CASS 填挖方计算结果与 i-SDEPCI 系统计算结果的精度对比分析如图 8 所示。350400250300150100150200250y=0.9566x+8.7995BIAS=-2.12RMSE=5.09RE=1.54%R2=0.9983i-SDEPC?m3CASS?m3300350400200图8i-SDEPCI系统计算结果精度评价图4结论1)i-SDEPCI 海上风电桩基冲刷检测分析系统可进行海上风电桩基冲填计算分析等工作。通过在滨海南 H3#风场的应用，计算结果与南方 CASS 填挖方计算结果精度指标相近，表明该系统可用于海上风电工程单桩基础及多桩基础冲刷检测相关工程计算。2)相关成果表明该风场存在桩基冲刷现象，前期防冲刷措施效果显著，有效削弱了海洋环境对桩墩结构的影响。波流共同作用对冲刷坑深度和发育的空间分布影响较大，当前冲刷坑形态主要趋于环向冲刷。参考文献1 张金鑫.海上风力发电管理模式研究分析J.中国设备工程，2021(19)：69-70.2 于徽，李能斌，伍海蓉，等.浅谈海上风电平台的安全作业风险管控J.中国水运，2021，21(10)：33-34.157i-SDEPCI海上风电桩基冲刷检测分析系统的设计与实现http:/ 工程勘测 增刊1 3 付德义，李婷，王安庆，等.风浪耦合作用下海上风电机组载荷特性研究J.太阳能学报，2021，42(9)：256-262.4 常增亮，马超，麻德明，等.海上风电工程结构安全监测体系框架设计J.海洋开发与管理，2021，38(7)：68-72.5 王丽华，施一民，王卫安.水下地形分析中基于TIN的土方量计算方法J.同济大学学报：自然科学版，2004，32(2)：3.6 吴立军.断面法土石方测量与计算的自动化J.地理空间信息，2005，3(5)：58-59.7 周一平，王勇泽，王惠媛.散点法在土地整理土方计算中的应用J.科技信息，2009(8)：63.8 张增荣，邬亦俊，雷挺，等.基于DEM和ArcGIS的挖填土方量计算在净水厂设计中的应用J.给水排水，2011，37(2)：5.9 陈国平，左其华，黄海龙.波浪作用下大尺径圆柱周围局部冲刷J.海洋工程，2004，22(1)：7.10 袁春光，王义刚，杨华，等.波，流及其共同作用下桩墩局部冲刷问题试验研究现状J.海洋通报，2019，38(2)：12.11 MELVILLE B W，SUTHERLAND A J.Design Method for Local Scour at Bridge PiersJ.Journal of Hydraulic Engineering，1988，114(10)：1210-1226.12 闻云呈，薛伟，闫杰超，等.潮流对桥墩局部冲刷影响研究综述J.水道港口，2021，42(2)：16.13 SUMER B M，FREDSOE J.Scour around pile in combined waves and 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