《Ocean Engineering》：GAN-ANN-based optimization of graded honeycomb structure for impact load reduction in water entry
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多桶 jacket 基础近海安装时桶顶暴露引发局部冲刷问题，提出可随沉桶自动绽放的柔性防护方法（FPM）。通过水槽实验系统研究FPM布局、水流强度及桶顶高度对冲刷防护的影响，推导出最大冲刷深度预测公式（误差≤20%），验证FPM可显著改变流场形态及冲刷发展模式，使最大冲刷深度从0.45倍桶高降至0.2倍以下（保护效率74.4%），方法兼具经济性与施工便捷性，为近海风电基础冲刷防护提供新方案。
Jijian Lian|Junwei Yu|Jiale Li|Shunyi Wang|Yaohua Guo|Xiaofeng Dong
天津大学水利工程智能建造与运行国家重点实验室，天津，300354，中国
摘要
适用于大型风力涡轮机的多桶式夹套基础（MBJF）已逐渐在海上工程中得到实际应用。然而，暴露的桶顶会加剧局部冲刷，威胁基础的稳定性。基于浸没式桶基础的安装特性，本研究提出了一种自展开的柔性保护方法（FPM）。复杂的实验设计使得能够高精度地反演床面地形，从而系统地研究稳流条件下MBJF周围的流场和局部冲刷情况。评估了关键参数（FPM布局、流速强度、盖子高度）对冲刷防护效果的影响。研究结果得出了FPM保护下最大冲刷深度的预测公式，其误差范围在20%以内，并证明了FPM显著改变了周围流场和冲刷形态。基础周围的最大冲刷深度从桶高的0.45倍降低到0.2倍以下，相应的保护效率达到了74.4%。在实际工程中，固定部署的FPM可以最大化冲刷减缓效果。本研究为解决海上风力涡轮机基础的局部冲刷问题提供了宝贵的理论和技术支持。
引言
根据国际可再生能源机构（IRENA，2025年）关于可再生能源发展的报告，可再生能源发电的比例从2015年的22.7%增加到2024年的32.1%（图1）。其中，风能作为一种可再生和清洁能源，被各国认为是减少对化石燃料依赖的重要组成部分（Bin Abu Sofian等人，2024年）。与陆上风电相比，海上风电具有风能资源更稳定、不占用土地资源、环境影响较小以及成本较低等优点（Desalegn等人，2023年；Fan等人，2022年）。过去十年中，海上风电的装机容量增长率一直高于陆上风电（图1），预计将成为主要的清洁能源发电方式之一。随着全球对清洁能源需求的增加，海上风电将向更深的水域发展，并且装机容量也会进一步扩大（Choi等人，2023年）。
随着海上风电向更深水域发展，重力基础、桩基础、夹套基础和桶基础等固定基础由于水深增加而面临建造和安装成本的显著上升（Lian等人，2025年；Zhang和Wang，2022年），这使得它们在超过50米的深度下不再适用（Tian等人，2022年）。近年来，多桶式夹套基础（MBJF）因其结合了夹套结构的刚性和桶基础的抗倾覆及抗屈曲稳定性，以及便于浮动运输和安装的特点，在多个海上风电场得到了广泛应用（Li等人，2024年；Shen等人，2025年）（图2）。然而，在桶基础的浸没安装过程中，施工灌浆和土壤填充物导致桶顶暴露，会引起周围土壤的严重冲刷（Lian等人，2022年；Wang等人，2024年），这对基础的安全构成严重威胁（J. Li等人，2022a；H. Zhu等人，2024年）。因此，开发一种经济可行且技术上可行的冲刷防护方法变得至关重要，该方法既要可靠，又要适合MBJF的特点，并考虑浸没安装过程的特性。
过去十年中，许多研究人员对海上风电基础的冲刷防护进行了研究（Li等人，2023a），取得了显著进展。目前主要有两种冲刷防护方法：一种是采取基础附近的防护措施来增强海底的冲刷抵抗力，例如使用抛石（Bharadwaj等人，2024年；Valela等人，2022年；W. Wang等人，2023年；Whitehouse等人，2011年；Wu等人，2022年）、仿生草（Gao等人，2023年；G. Wang等人，2023年）、软质屏障（G. Wang等人，2023年）和固化土壤（Kou等人，2020年；Y. Li等人，2022年；Ma等人，2022年；Zhang等人，2023a，2023b）；另一种是通过调整基础周围的流场来实现防护效果，例如在桩表面添加不同形状和大小的防护环（Gupta等人，2024年；Kassem等人，2023年；Tang等人，2023年）或改变桩的形状（Grimaldi等人，2009年；J. Li等人，2022b；Moncada-M等人，2009年）。还出现了一些新型的冲刷防护结构，例如Zhu等人提出的多孔扇形吸力锚基础（MS2AF），其局部冲刷效果已通过数值模拟和实验研究进行了验证（C. Zhu等人，2024年）。Tang等人对三种防护结构（圆形和圆锥形）进行了实验研究（Tang等人，2024年）。Zhou等人提出了一种新的垂直旋转装置，能够在产生清洁能源的同时有效减少冲刷（Zhou等人，2024年）。Deng等人通过数值模拟和实验研究了水平轴潮汐涡轮机对冲刷特性的影响，并讨论了平衡冲刷条件下的发电性能（Deng等人，2025年）。
显然，当前的研究主要集中在单桩基础的冲刷防护上（Qi等人，2026年）。随着海上风电逐渐向更深水域发展，更多新型的基础结构如多桶式夹套基础正在出现。遗憾的是，针对这些新结构的冲刷防护研究仍然较少（Gao等人，2024年）。Li等人提出了一种用于多桶式夹套基础的深度嵌入式防护方法（Li等人，2025年），取得了显著的防护效果。然而，在实际工程中，需要预先挖掘并在泥线以下进行吸力处理，这可能在复杂的海洋环境中增加防护成本（Lian等人，2024年）。为了确保冲刷防护方法具有良好的经济可行性和施工便利性，本研究提出了一种柔性防护方法（FPM），该方法可以在桶的浸没安装过程中像花朵一样自动展开。与传统冲刷防护方法相比，其关键特点是能够在MBJF的浸没安装过程中自动展开，通过将沙带固定在柔性薄膜上来有效覆盖海底。这种方法可以显著降低冲刷防护成本，简化冲刷防护的施工过程，并适用于不平整的海底。因此，对FPM的可行性进行验证并探索其冲刷防护效果对于确保MBJF的安全性具有重要意义。
本研究首次将柔性防护方法（FPM）应用于多桶式夹套基础（MBJF），并提供了实验验证。本研究的主要目的是实验验证FPM在不同流速强度和盖子高度下减轻MBJF周围局部冲刷的效果。次要目标如下：（i）量化不同FPM布局下的防护效率；（ii）开发FPM保护下冲刷深度的预测公式；（iii）评估该方法在海上风力涡轮机基础中的实际应用性。
本文的结构如下。第2节介绍了像花朵一样自动展开的柔性防护方法（FPM），并推导出FPM下沉时间的理论公式。第3节提供了使用耦合结构光深度测量和点云重建技术的室内模型实验的详细设计，包括比例选择、模型沙选择、速度校准和冲刷持续时间确定。第4节揭示了在恒定流速和FPM保护下MBJF周围的流场分布和局部冲刷演变情况；研究了布局、流速强度和盖子高度对FPM防护性能的影响；并推导出FPM下平衡冲刷深度的预测公式，旨在为类似海上风电基础的冲刷防护设计和施工提供理论和技术支持。
部分摘录
FPM的概念设计
FPM的特点体现在两个方面：首先，它可以伴随桶的浸没安装；其次，它可以自动展开以紧密贴合海底表面。因此，为了确保这些特性的成功实现，需要解决以下概念设计问题。
首先，FPM主要由柔性薄膜和其上布置的沙带组成，包括环形沙带和径向沙带。
实验装置和设备
实验在天津大学前沿技术研究所的一个大型循环水流水池中进行（宽2.4米，长18米，高0.8米）。水池的示意图如图6所示。该循环水流水池包括一个6米长的入口稳定段、一个6米长的测试段和一个6米长的尾水段。入口稳定段配备了斜坡和格栅，以确保水流均匀稳定地进入
流场分布
MBJF的局部冲刷涉及水流、沉积床和基础结构之间的复杂相互作用。根据实验中观察到的流动现象，准备了一个简单的示意图来说明MBJF的局部冲刷机制和FPM的防护机制（图11）。
图12(a)和(b)展示了在没有防护的情况下，桶周围监测点的床面流速以及相应的冲刷深度
结论
为了解决海上风电应用中由于MBJF安装不完全导致的局部冲刷加剧问题，以及缺乏考虑浸没安装特性的适用冲刷防护方法的问题，提出了一种可以伴随桶下沉并自动展开的柔性防护方法（FPM）。通过室内模型实验，研究了在恒定流速条件下的冲刷地形演变情况，并探讨了
CRediT作者贡献声明
Jijian Lian：监督、项目管理、资金获取。Junwei Yu：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、方法论、调查、正式分析、概念化。Jiale Li：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、方法论、调查、正式分析。Shunyi Wang：监督。Yaohua Guo：撰写——审阅与编辑、监督。Xiaofeng Dong：监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢国家自然科学基金、国家创新人才博士后计划和中国博士后科学基金的支持，资助编号分别为52501350、52501321、BX20250042和2025M773148。对这些支持表示衷心的感谢。
