《Coastal Engineering》：Experimental study of the seabed responses induced by a floating column with a heave plate
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浮式平台垂向运动诱发海床冲刷机制研究：通过波浪水槽实验分析浮柱垂向位移、自由表面波、孔隙水压力及冲刷地形演化规律，发现运动周期主导频率响应，振幅控制近场能量强度，形成边缘环形沟槽与中心垂直压力梯度协同作用机制，高频振荡限制冲刷范围形成碗状冲刷，为浮式风电场基础设计提供依据。
季一鸣|童林龙|张继生|李浩然|陈浩|郭亚坤|谢守鹏
教育部沿海灾害与防护重点实验室，河海大学，南京，210098，中国
摘要
浮式平台的起伏运动引起的振荡流会改变海底孔隙压力梯度和流场剪切应力，可能引发沉积物搬运和冲刷作用。本研究在大型波浪水槽中进行了实验室实验，以探讨浮式柱体周围的海底响应。实验过程中测量并分析了柱体的垂直位移、自由水面高度、动态孔隙压力以及最终的海底形态。结果表明，起伏周期主导了自由表面波和孔隙压力的频率响应，而振幅则决定了近场能量强度。研究发现了一种明显的径向分区机制：涡流引起的剪切应力与不稳定的渗流作用共同作用，在柱体周围形成了环形沟槽，而中心区域则主要受垂直压力梯度的影响。值得注意的是，短周期高频振荡显著限制了沉积物搬运的径向范围，导致形成了碗状凹陷而非广泛的冲刷。这些发现为浮式风电场的选址、间距布置和冲刷防护提供了工程指导。
引言
目前，浮式海上风力发电机（FOWTs）的浮基础仍处于发展阶段。现有的浮基础设计缺乏足够的标准化，仅有少数项目完成了全尺寸测试。这种情况在实现大规模生产的同时控制风险以及降低资本支出和运营成本方面带来了重大挑战（Rebecca等人，2025年）。半潜式风力发电机平台由于吃水浅、稳定性好且适用水深范围广，在实际项目中得到了广泛应用（Chakrabarti等人，2005年；Liu等人，2016年；Wu等人，2019年）。为了抑制波浪引起的垂直运动，通常会在这些平台的柱体上安装起伏板（Robertson等人，2014年）。然而，在实际的海洋环境中，风和波浪的联合作用使浮式风力发电机始终处于运动状态（Antonutti等人，2014年；Chen和Basu，2018年），具有六个自由度。例如，OC4-DeepCwind半潜式平台的起伏幅度可达9米（Robertson等人，2014年）。这种显著的垂直振荡不可避免地改变了周围流场，可能导致海底形态发生变化。
确保海底的岩土工程完整性对于浮式海上风力发电机的长期运行至关重要。浮式结构引起的循环荷载会导致孔隙压力过度累积，从而降低土壤的有效应力和剪切强度——这种现象称为“循环退化”（Anderson，2009年；Tong等人，2026a）。这种退化显著降低了海底的抗侵蚀能力。因此，在起伏板的“泵送效应”下，脆弱的土壤容易被流体化并搬运，导致严重的地形变化（例如，冲刷坑或不均匀沉降）。如果忽视这一点，这种海底不稳定性可能会导致灾难性后果：它可能改变系泊缆绳的接触区（TDZ）的几何形状，加速疲劳和磨损；由于失去土壤支撑而导致阵列间电缆的自由悬垂；或者削弱锚的固定能力。例如，DNV-ST-0119标准（DNV，2021年）明确要求严格评估循环土壤退化情况，以确保结构安全。
尽管有这些工程需求，但与固定基础相比，关于浮式结构的相关研究仍然有限。例如，桩基础已知会产生复杂的三维流场，包括马蹄形涡流和尾流涡旋，这些涡流会引发局部冲刷（Sumer等人，1992年，1997年；Sumer和Freds?e，2001a年；Ting等人，2001年；Roulund等人，2005年；Chen等人，2023a年，2025年；Tong等人，2026b年）。除了固定结构外，振荡体的流体动力响应也引起了研究人员的关注（Tao和Dray，2008年；Liu等人，2016年；Li和Bachynski-Poli?，2021年；Rao等人，2021年；Zhang等人，2023年；Chen等人，2023b年；Lauria等人，2024年；Han等人，2024年）。早期关于“困住模式”的研究表明，起伏结构会激发自由表面波，其能量主要局限于结构附近（McIver等人，2003年；McIver和McIver，2003b年；McIver和McIver，2006年）。进一步的实验研究表明，振荡板产生的涡脱落显著影响了流体动力系数，如阻尼和附加质量。具体来说，起伏板边缘的涡流相互作用产生了复杂的湍流结构（Garrido-Mendoza等人，2013年；Garrido-Mendoza等人，2014年；He等人，2008年；Pinguet等人，2022年；Zhang等人，2025年；Chen等人，2026年）。此外，起伏板的厚度、海底土壤的孔隙率、KC数、板开口的角度以及板尺寸等因素也会影响阻尼和附加质量等系数（Molin等人，2007年；Wadhwa和Thiagarajan，2009年；Wadhwa等人，2010年；Garrido-Mendoza等人，2013年，2015年；Ezoji等人，2022年；Hegde和Nallayarasu，2023年；Turner等人，2023年；Zhao等人，2023年，2023年，2025年；Han等人，2024年）。
虽然起伏结构上的流体动力载荷已有详细记录，但海底的响应机制仍不甚清楚。对于固定结构而言，波浪引起的压力波动是土壤液化和冲刷的主要原因（Zen和Yamazaki，1990a年；Sumer和Freds?e，2001b年；Sui等人，2017年；Lin等人，2017年；Tong和Liu，2022年）。这是因为作用在海底表面的动态水压力改变了土壤的动力学特性（Sumer，2014年；Freds?e和Sumer，2002年）。其中，海底表面的剪切应力会导致海底形成波纹和沙丘等特征（Shields，1936年；Yamamoto，1978a年；Chanson，2000年；Fourriere等人，2010年；Colombini和Stocchino，2011年；Bola?os等人，2012年；Duran Vinent等人，2019年）。床形的大小、形状和间距取决于流场（例如，流速和流量）（Harms，1969年；Nelson等人，2011年；Dey，2014年）和沉积物特性（例如，颗粒大小和分布）（Pak和Behringer，1993年；Gyr和Kinzelbach，2004年；Juarez等人，2011年）。此外，由于海底是多孔介质，孔隙流体引起的孔隙压力及其梯度的变化也可能导致海底土壤的结构破坏，引发冲刷或液化（Rivera-Rosario等人，2017年；Yamamoto，1977年；Liao等人，2018年；Liu等人，2007年，2015年；Li等人，2024年）。其背后的物理机制非常复杂，主要是由上覆海底的向上渗流力引起的（Jeng，2018年）。
然而，在振荡体的情况下，机制可能有所不同。先前关于颗粒床附近起伏板的研究表明，垂直压力梯度可以使土壤流体化，从而形成堆积或沟槽（La Ragione等人，2019年；Prati等人，2021年，2024年；Laurent等人，2022年）。此外，Ojha等人（2019年）进一步揭示，垂直振荡的网格板产生的外部湍流可以显著改变近床流场结构，使床面剪切应力增加数十倍。实验还表明，沉积物搬运速率与Shields参数相关；在相同的Shields参数下，外部湍流增强时沉积物搬运速率也会增加。最近，Steiner等人（2025年）进一步阐明了这一动态过程，确认了推进阶段主要由压力驱动的径向挤压流控制，而收缩阶段则由涡环冲击引起的剪切应力控制。然而，流动-结构-海底相互作用（FSSI）研究的一个根本挑战在于实际海洋环境的复杂性，其中浮式平台受到风和波浪荷载的联合作用。在这种情况下，平台的低频共振运动通常与高频入射波的周期不同。同时研究这些耦合动态使得难以区分海底不稳定性是由波浪电流还是结构运动引起的。因此，评估起伏运动引起的海底响应的关键步骤是忽略波浪载荷。通过解耦这一特定自由度，本研究旨在建立一个基本基准，以识别起伏运动下地形变化的重要机制，为解决复杂的波浪-平台耦合问题并提供通用设计方法提供清晰的物理基础。
如前所述，结构在水中的起伏会显著改变周围流场结构，导致海底地形变形。尽管已经对单桩和波浪形浮式平台的流动结构进行了大量研究，但这些研究主要集中在运动优化的流体动力系数（如附加质量和阻尼）上，且通常将海底视为刚性边界。关于浮式海上风电系统周围海底稳定性的研究仍然相对较少，这激发了本研究的开展。本研究系统地探讨了自由表面波、海底沉积物中的有效应力响应以及在同轴双柱（上柱和起伏板）受迫起伏作用下的沉积物搬运地形变化。
本文结构如下：第2节概述了强迫起伏的实验设计。第3节分析了自由表面波、海底孔隙压力响应、流体动力载荷以及由起伏引起的冲刷地形特征，并揭示了它们随起伏幅度和周期的变化规律。第4节总结了主要发现并提出了未来的研究方向。
节选内容
相似性标准
根据流体力学中的相似性理论，实验模型被设计为在几何、运动学和动力学上与原型保持相似。为此，满足弗劳德数（Fr）、斯特劳哈尔数（St）和达西数（Da）的相似性，以确保模型与原型之间的波浪动力学和土壤动力学相似
观察结果
选择案例H4（A = 6厘米；T = 2秒；KC = 0.785）来观察涡流结构。在这些条件下，涡流扩散相对于对流足够强，使得染料能够清晰地标记涡流轨迹而不会过快被冲走。当KC数远高于此值时，涡流对流变得过于强烈，结构扩散和变薄的速度过快，导致染料无法保持连贯的轨迹。图4展示了涡流的演变过程
结论
本研究在1:75比例的单柱模型中进行了强迫起伏测试，使用了起伏板。系统地研究了结构起伏对自由表面行为、海底孔隙水压力响应、流体动力载荷和海底地形演变的影响。本研究的主要结论包括：
(1)自由表面波和海底孔隙压力的主导频率严格对应于柱体的起伏周期。短周期（高
CRediT作者贡献声明
季一鸣：撰写——原始草稿，可视化，调查，正式分析，数据整理。童林龙：撰写——原始草稿，监督，项目管理，调查，资金获取，正式分析，概念化。张继生：撰写——审阅与编辑，监督，资金获取。李浩然：撰写——原始草稿，方法论。陈浩：撰写——原始草稿，正式分析。郭亚坤：撰写——审阅与编辑，正式分析。谢守鹏：
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报告的工作。
致谢
作者感谢国家自然科学基金（批准编号：52101309）和中国华能集团科技项目（HNKJ23-H18）的支持。审稿人的建设性评论显著提高了论文的质量。
