用于海上风电单桩保护的固化浆体的流变特性和抗冲刷性能

《Ocean Engineering》：Rheological properties and scour resistance of solidified slurry for offshore wind monopile protection

海上风电机组单桩基础防冲刷性能研究中，固体化浆料流变特性与抗冲刷阈值关联性分析显示，HPMC掺量0.3%时抗冲刷阈值达最优，超量后收益递减。钠硅酸盐可加速早期水化但长期效应减弱，低水固比主要提升粘度而抗冲刷效果有限。通过建立非线性的Scour Resistance Coefficient（SRC）模型，揭示了浆料流变参数与抗冲刷阈值（Vs）的耦合机制，为优化浆料配比提供理论支撑。

　　

吴宇|乔远树|段少林|戴松|张青松

山东大学隧道工程国家重点实验室，济南，250061，山东，中国

摘要

本研究系统地探讨了用于海上风力涡轮机基础保护的污泥基固化浆体的流变特性和抗冲刷性能。通过系统的旋转粘度测量和创新的水槽试验方法，建立了浆体组成、流变特性与临界抗冲刷速度（V_s）之间的关系。研究结果表明，HPMC含量对早期抗冲刷性能的影响最为显著。当HPMC含量为0.3%时，抗冲刷性能达到最佳；超过这一含量后，屈服应力的进一步增加并不会使V_s成比例提高。硅酸钠能有效加速早期水化过程并提高短期抗冲刷能力，但其效果在较长的固化时间内会减弱。虽然低水固比显著提高了屈服应力，但对V_s的提升作用有限。为了描述这些相互关系，提出了一种无量纲的抗冲刷系数（SRC），揭示了流变特性与抗冲刷性能之间的非线性关系。这些发现为平衡工作性和耐久性提供了实用的配方框架，从而推动了固化浆体在海上风力单桩抗冲刷保护中的可持续应用。

引言

海上风电技术被广泛认为是提供清洁、可行的可再生能源以缓解全球气候变化的关键解决方案。由于资源丰富、土地利用效率高且适合大规模部署，海上风电已成为未来可再生能源发展的必然趋势（Dai等人，2021年）。在海上区域，单桩基础是海上风力涡轮机的主要支撑结构，由于其结构简单且成本效益显著而被广泛采用（Geng等人，2024年；Guan等人，2019年；Kim等人，2025年）。值得注意的是，在欧洲，单桩基础占安装基础总数的80%以上（Luo等人，2025年）。这些桩的存在阻碍了水流，导致基础周围形成了复杂的三维流动模式。这包括桩上游形成的马蹄形涡流，该涡流显著增强了床面剪切应力，是冲刷发生的关键因素（Qi和Gao，2014年）。然而，冲刷过程不仅受马蹄形涡流的影响，还涉及多种相互作用机制，包括桩前的下游流动、侧面的流动加速和下游区域的不稳定涡流脱落，所有这些因素都加剧了床面剪切应力和沉积物输送（Baykal等人，无日期；Roulund等人，2005年；Sumer等人，1992年，2001年）。通常，最终冲刷深度主要由海底特性和流速决定，同时也受到抗冲刷措施、波浪作用和其他因素的影响。当冲刷达到临界程度时，会严重损害基础的承载能力和结构稳定性（Hu等人，2022年）。此外，相关研究表明，冲刷导致的桩嵌入深度减小会显著改变结构的自然频率，这可能引发动态载荷共振和放大，从而显著增加结构失效的风险（Kallehave等人，2015年）。目前的抗冲刷方法主要分为两类（Zhang等人，2023年），包括增强海底抗剪切能力的抗冲刷系统和改变局部流场的流动改进建议。抗冲刷系统主要使用石料护坡、沙袋和回收轮胎（Pandey等人，2020年）。其中，石料护坡因其低成本和易获得性而最为普遍。然而，石料护坡抗冲刷系统的设计必须仔细解决关键问题，以确保长期有效性。这些问题包括减轻边缘冲刷，这是一个众所周知的现象，通常需要将保护范围扩展到易冲刷区域之外，以防止周边地区的退化侵蚀（Gao等人，2024年；Nielsen等人，2015年；Wang等人，2025年，Wang等人，2025年）。流动改进建议，如流动环或牺牲桩，存在施工难度大和维护困难的问题，因此限制了其广泛应用（Hamidifar等人，2018年）。此外，这种方法还可能进一步导致抗冲刷保护边缘的冲刷，从而引起海上风力涡轮机基础和抗冲刷保护的变形（Petersen等人，2015年）。近年来，提出了固化浆体技术，并将其应用于海上风力涡轮机桩基础的抗冲刷保护和修复（OuYang等人，2022年），如图1所示。固化浆体抗冲刷保护涉及在现场制备一种特殊的浆体，这种浆体具有抗水下分散性和在施工船上的流动性。然后将浆体直接泵入冲刷坑中。固化后，固化浆体作为一种新型保护措施，可以减缓冲刷的进展。尽管有少量的先驱工程应用，但关于固化浆体作为抗冲刷方法的研究仍处于起步阶段。据报道，通过室内试验确定了不同桩直径的最佳保护范围后，这种新型固化浆体技术在实地得到了验证，证明了其作为海上风力涡轮机桩基础抗冲刷措施的可行性和有效性（Wu等人，2024年）。

已有大量研究报道了水下建筑材料的性能，主要包括水下混凝土和地下灌浆材料。通过在传统混凝土中加入抗冲刷外加剂（AWAs），水下混凝土能够抵抗水侵蚀，从而改变混凝土的内部结构和流变参数。现在，它被广泛用于各种内陆河流结构和海洋工程项目（Lu等人，2022年）。同样，在高水压和具有显著导水通道的隧道挖掘过程中（例如喀斯特地质中的情况），能够在水动力条件下抵抗冲刷的灌浆材料是必不可少的。Zhang等人开发了一种由水泥、膨润土和抗冲刷剂组成的灌浆材料，成功密封了隧道施工过程中的水流（Zhang等人，2018年）。尽管水下混凝土、地下灌浆和固化浆体都被泵入水中，但固化浆体面临的条件要苛刻得多。与封闭的地下应用或混凝土模板不同，它们暴露在开放的动态水流中。这无疑对固化浆体的性能提出了更高的要求。研究人员开发了一种主要由海泥、普通波特兰水泥（OPC）、羟丙基甲基纤维素（HPMC）和硅酸钠制成的固化浆体（Li等人，2024年），并通过搅拌流模拟试验评估了其抗冲刷性能。通过实验室冲刷试验研究了流变特性和水动力速度对固化浆体抗冲刷性能的影响，并建立了固化过程中的临界起始速度和保留率的计算公式（Wu等人，2024年）。该研究使用疏浚污泥作为主要材料，添加了水泥、无机硬化剂和HPMC来制备固化浆体。在研究中，使用自开发的冲刷试验系统评估了抗冲刷性能，并建立了抗冲刷性能与主要成分之间的关系（Ma等人，2018年）。尽管研究表明固化浆体在持续的水动力冲刷下可以保持结构完整性（Kang等人，2024年；Sha等人，2025年；Wang等人，2025年，Wang等人，2025年），但关于材料在泵入放置坑到初次凝固之间的关键阶段的保留情况的研究仍然较少。这一过渡期至关重要，因为它决定了材料的最终保留率。虽然之前的研究已经证明了固化浆体用于抗冲刷的可行性，但在浆体组成、放置过程中的流变行为和最终抗冲刷性能之间的定量关系方面仍存在关键知识空白。鉴于材料的保留效率——由其与放置和初次凝固之间的水动力相互作用决定——直接决定了抗冲刷保护的持久性，这一忽视尤为重要。本研究通过全面调查关键成分（水泥、HPMC、硅酸钠和疏浚污泥）如何控制固化浆体的流变特性和抗冲刷性能，填补了这些空白。通过使用RST-SST流变仪和一种创新的固化浆体抗冲刷测试方法，研究了固化浆体的流变参数和抗冲刷性能。

因此，本研究旨在系统地研究固化浆体的流变行为和抗冲刷性能，特别关注关键组成变量（水泥含量、HPMC剂量、硅酸钠添加量和水固比）的协同效应。通过综合的粘度分析和创新的水槽试验方法，本研究试图建立浆体组成、演变屈服应力与临界抗冲刷速度（V_s）之间的定量关系。此外，提出了一种无量纲的抗冲刷系数（SRC）来评估抗冲刷效率。这些发现有望为优化浆体设计提供科学依据，从而促进固化浆体作为海上风力单桩基础可持续抗冲刷保护措施的可靠应用。

章节摘录

材料

考虑到固化浆体的经济效益，选择合适的原材料对其实际应用至关重要（Meng等人，2025年）。在本研究中，固化过程的主要成分包括疏浚污泥、水泥、羟丙基甲基纤维素（HPMC）和硅酸钠。使用的是山东省山水水泥厂生产的普通波特兰水泥，该水泥符合中国的国家标准。

固化浆体的流变模型

图5显示了不同HPMC含量水平下固化浆体的流变曲线。在流变测试中，τ表示旋转过程中施加在浆体样本上的剪切应力，γ表示施加在浆体上的剪切率。它们的关系反映了克服内部结构阻力所需的应力大小，以及这种应力如何随运动中的流速变化。

讨论

实验结果为理解用于海上风力单桩抗冲刷保护的固化浆体的流变特性和抗冲刷性能提供了新的见解。一个关键发现是屈服应力与临界抗冲刷速度（V_s）之间的非线性关系。虽然水泥水化和外加剂都能提高屈服应力，但V_s的改善并不总是成比例的。这一观察结果强调了全面理解

结论

本研究系统地研究了基于污泥的固化浆体的流变特性和抗冲刷性能，重点关注了水泥、HPMC、硅酸钠和水固比的影响。主要结论如下：

1.

固化浆体表现出剪切稀化特性和屈服应力依赖性行为，这可以通过Herschel–Bulkley模型准确描述。屈服应力对HPMC剂量和水固比非常敏感，而水泥水化则影响其长期发展。

2.

作者贡献声明

吴宇：撰写——初稿撰写、调查、数据分析、概念构思。乔远树：数据可视化、调查、数据整理。段少林：方法论设计、数据整理。戴松：撰写——审稿与编辑、数据分析。张青松：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

作者感谢泰山学者项目专项基金的财政支持。