关于海上风电桶基础-塔架-船舶组合体浮动运输安全的研究

《Ocean Engineering》：Research on floating transportation safety of offshore wind bucket foundation - Tower - Ship

　　郭耀华|张新伟|孟灵倩|王海军|李家乐|连继健
中国天津市天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，300072

**摘要**
为了解决海上风力发电桶基-塔架-涡轮机与船舶集成浮动运输过程中的多体耦合安全问题，本研究采用了一种结合室内缩比模型试验与原型监测的方法，重点研究了船舶与桶基之间的耦合作用以及结构的振动响应。设计并制造了一个1:50缩比的桶基-塔架-涡轮机-船舶系统模型，并在模型船舶拖曳水池中进行了拖曳试验。分析了吃水深度、航速、波高和桶裙高度对船舶-桶基接触力及塔架振动加速度的影响。原型监测关注实际的工程集成浮动运输过程，收集了船舶-桶基接触力、桶内水密封高度及结构振动的数据。研究结果表明：
1. 在模型试验中，船舶与桶基在整个运输过程中能够保持稳定接触；
2. 增加吃水深度有助于减少船舶-桶基接触力的波动和塔架的水平振动响应；
3. 波高是影响船舶-桶基接触稳定性和整个系统振动响应的最重要因素，波高的增加会显著放大接触力的波动和塔架加速度，而拖曳速度和桶裙高度的影响相对较小；
4. 在稳定拖曳条件下，吃水深度越大、拖曳速度越低、波高越小，整个拖曳系统的振动响应越弱，其中波高是影响振动响应的关键因素；
5. 原型监测结果显示船舶与桶基之间能够保持稳定接触，塔架的最大振动加速度满足安全要求。
模型试验与原型监测在船舶-桶基耦合作用、振动响应及其变化趋势方面显示出良好的一致性，从而共同验证了“桶顶式船舶”连接方式和集成浮动运输方案的安全性和可行性。

**引言**
随着全球能源需求的持续增长，资源和环境问题日益突出。在大力支持新能源发展的背景下（Wang et al., 2023），风能已成为仅次于热能和水能的第三大能源。目前，中国的风能发电仍以陆上风能为主，而海上风能正处于技术突破和有序、积极、稳步发展的阶段（Chen, 2011）。与陆上风能相比，海上风能具有更强的风速、更稳定的风向、更高的发电效率（Esteban et al., 2011）、对电网的影响更小（Guo et al., 2023; Du et al., 2025），并且不会占用沿海稀缺的土地资源（Chen et al., 2022）。从发展潜力、商业价值和综合社会价值的角度来看，海上风能将成为未来最具价值的可再生能源。

海上风基可分为固定基础和浮动基础（Wiser et al., 2021）。其中，固定基础是海上风电场的主要形式，但随着近海风电场的发展趋于饱和，推动海上风电向深海和远海区域扩展已成为工业发展的必然趋势（Roddier et al., 2010）。深海和远海风电场的建设面临着更复杂和恶劣的海洋环境，海上作业成本高、施工难度大、作业窗口少，从而大幅增加了海上风电发展的成本和建设周期（H. Díaz et al., 2020; Ma et al., 2025; Rasul et al., 2025）。为实现深海和远海风电场的工业化目标，海上风能设备必须具备抵抗极端环境的能力、长距离输电技术以及集成的运维系统。桶基被广泛用作浮动海上平台的锚固基础（Wang et al., 2023），适用的水深范围较广（Erbrich et al., 1999）。近年来，作为一种新型海上风基，桶基受到了广泛关注。宽浅桶基是一种新型桶基，将其与7个内部隔舱（桶直径25-40米、桶高5-20米）和预应力混凝土弧形过渡段有机结合。其底部桶基可以是钢筋混凝土结构或钢结构。7个内部蜂窝结构大大提高了结构的浮动稳定性（McNown et al., 1979），在自浮湿拖曳、整机辅助湿拖曳和下沉调平控制中发挥作用（图1）。由于隔舱板的存在，提高了复合桶基-塔架的整体浮动运输可能性。

由于桶基具有空气缓冲浮力和固有的浮动稳定性，学者们研究了各种桶基系统在浮动运输过程中的动态响应（Ding et al., 2019; Le et al., 2013），并对多桶空气浮动结构和带有隔舱的复合桶基进行了模型试验和广泛的现场拖曳监测，揭示了航速、吃水深度、锚绳长度、拖绳布置、初始倾斜角度和波浪参数对拖曳稳定性的影响（Liu et al., 2015）。通过理论计算、模型试验和数值模拟研究了复合桶基在波浪作用下的响应。利用空气浮力下降系数修正了浮体的初始稳定性，利用空气缓冲压缩系数修正和计算了浮体的大倾斜稳定性，为桶基的快速运输和安装提供了参考依据。Le et al.（2025）基于不规则波浪下的湿拖曳模型试验发现，吃水深度控制着自然周期；当谱峰值周期接近自然周期时可能引发俯仰/纵荡共振，增加波浪高度会提高隔舱压力和拖曳力并放大俯仰响应——因此，通过调整吃水深度可以避免共振并减少拖曳需求（Zhang et al., 2025）。Liu et al.（2022）对圆形矩形桶基结构进行了拖曳水池模型试验研究，研究了其在静水和波浪条件下的运动响应。Terrero-Gonzalez et al.（2025）对多体耦合浮动结构进行了动态分析，研究了不同波浪方向等因素对该结构连接件载荷的影响。尽管这些研究主要关注单桶拖曳系统，但针对桶基-船舶约束下界面接触力的形成机制及其与整体动态响应的耦合作用的研究还很有限。

当采用辅助船舶辅助的桶基-塔架-涡轮机系统的集成浮动运输方法时，可以有效满足深海和远海风电场的建设需求（Lian et al., 2019b, Lian et al., 2019a, 2021）。通过模型试验和数值模拟研究了不同波浪和潮流方向下的集成浮动运输运动响应特性，并提出了以塔架加速度和纵荡加速度为控制指标的安全控制策略。然而，现有研究尚未明确解释不同因素如何影响桶基与船舶在集成浮动运输过程中的耦合关系，以及这种耦合如何影响整个风力涡轮机系统。因此，要实现桶基、塔架、涡轮机和船舶组成的多体耦合系统的集成浮动运输，不仅需要明确各耦合体之间的相互作用机制，还需要满足高度灵活的塔架和完全运行的风力涡轮机的安全要求。本研究通过室内模型试验和原型监测研究了吃水深度、航速和波高对船舶-桶基接触力以及塔架振动加速度和位移响应的影响。进一步利用多个原型拖曳操作的实时监测数据验证了试验方法和技术框架，为海上风力发电桶基的大规模应用和一步安装技术提供了基础和技术支持。

**章节片段**
**桶基-塔架-涡轮机系统的集成浮动运输方法**
当桶基、塔架和涡轮机作为整体单元运输时，系统的重心位置和边界条件都会发生变化。因此，整体安全性不再仅由基础本身的浮动稳定性决定，而主要受船舶-桶基耦合及其接触载荷的影响。与依靠自身浮动稳定性实现长距离拖曳的单桶基不同……

**模型与方案**
在工程中，桶基的直径根据地质条件和涡轮机载荷来确定。本研究监测的桶基直径范围为30至35米。模型试验中使用了35米直径的桶基（某实际项目中最大的尺寸）和安装船舶的模型进行了初步验证研究。

**整体吃水深度的影响**
为了研究静水中不同吃水深度对整体浮动运输期间塔架振动特性的影响，分别进行了0.06米、0.08米、0.10米和0.12米吃水深度的拖曳试验。选定的统一边界条件为：航速0.36米/秒、波高0米和桶高23厘米。图15和图16展示了稳定拖曳过程中的水平和垂直加速度时间历史曲线。

**船舶-桶基相互作用力和液体密封安全性的原型监测分析**
在桶基-塔架-船舶的整体浮动运输过程中，它们将面临极其复杂的海洋环境，许多测试数据需要通过实测数据进行检验和验证。本章利用原型现场监测数据来验证第2章缩比模型试验中得到的船舶-桶基耦合和界面接触力的结论。此处选取了实际项目中的拖曳过程进行……

**整体浮动运输过程中的振动响应原型监测分析**
本章利用原型振动监测结果来验证第3章缩比模型试验中得到的振动响应规律和安全结论。第3章的模型试验利用塔架加速度来研究吃水深度、航速和波高对涡轮机振动水平的影响。在本章的原型监测中，通过现场测量获得塔架振动加速度和位移数据，并将其与模型试验结论进行比较。

**结论**
本研究结合室内缩比模型试验、现场原型监测和理论分析，研究了在辅助船舶辅助下浮动运输过程中桶基-塔架-涡轮机系统的船舶-桶基接触稳定性及振动响应。主要结论如下：
1. 增加吃水深度有助于提高集成浮动运输的安全性。随着吃水深度的增加，船舶-桶基接触力的均方根值变化较小……

**作者贡献声明**
郭耀华：撰写——原始草稿
张新伟：监督、软件开发
孟灵倩：数据整理
王海军：验证
李家乐：撰写——审稿与编辑
连继健：概念构思

**利益冲突声明**
所有作者声明不存在利益冲突。