1. 引言

除傳統(tǒng)散石防沖刷設(shè)計(jì)外，替代方案采用不同材料，在成本效益、采購(gòu)便捷性及安裝易用性上更具優(yōu)勢(shì)。這類方案在海上風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用較新，相關(guān)設(shè)計(jì)與部署指南目前較為匱乏。

在歐洲，通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究了多種替代方案，以明確其在不同工況、不同基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下的性能及潛在失效機(jī)制。制定可靠的替代防沖刷系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南，需結(jié)合物理縮尺模型研究與現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，而可控實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的方案測(cè)試，為這一迭代過(guò)程奠定了基礎(chǔ)。

替代防沖刷系統(tǒng)的防沖刷機(jī)理，在水利工程領(lǐng)域并非新概念，其海上應(yīng)用借鑒了橋梁沖刷防護(hù)、海岸防護(hù)等其他水利工程領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)。歐洲承包商的研究重點(diǎn)，聚焦于海上風(fēng)電常見的海洋環(huán)境條件及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)；與散石防沖刷系統(tǒng)類似，本文討論核心為這些系統(tǒng)的防沖刷水力性能。

本章概述替代方案，涵蓋所涉替代系統(tǒng)共有的安裝、運(yùn)行及維護(hù)要點(diǎn)，具體方案將在其他文案詳細(xì)探討。

2. 替代防沖刷系統(tǒng)概述

下表列出替代防沖刷系統(tǒng)，包含簡(jiǎn)要說(shuō)明及試驗(yàn)類型（中型試驗(yàn)：約1:30比例水池試驗(yàn)；大型試驗(yàn)：約1:6比例Delta水槽波浪試驗(yàn)）。

人工植被（葉狀墊）、混凝土塊墊、石籠及壓載填充墊這四種方案，在制造工藝、材料、重量及柔韌性上存在差異，但均具備共同特性——由可制成不同形狀的單元（墊體、床墊式結(jié)構(gòu)）組成，這些單元是防沖刷系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊。

此類防沖刷系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)如下：

- 采購(gòu)與制造：可現(xiàn)場(chǎng)制造，或在其他地點(diǎn)預(yù)制后用當(dāng)?shù)乜捎貌牧蠅狠d，采購(gòu)方式靈活（需注意質(zhì)量控制）；

- 安裝：系統(tǒng)單元（墊體）可通過(guò)海上起重機(jī)安裝（散石防沖刷系統(tǒng)精準(zhǔn)安裝通常需落管船）；單元可設(shè)計(jì)為比同等效果散石防護(hù)系統(tǒng)更輕便，所需作業(yè)更少或?qū)χ匦驮O(shè)備要求更低；

- 可設(shè)計(jì)預(yù)安裝及自部署系統(tǒng)，簡(jiǎn)化安裝流程。

替代方案也面臨獨(dú)特挑戰(zhàn)，主要涉及單元間精準(zhǔn)定位以避免間隙，以及可能更復(fù)雜的維護(hù)策略。對(duì)設(shè)計(jì)者而言，關(guān)鍵是充分了解防沖刷系統(tǒng)性能，以設(shè)計(jì)出參數(shù)適宜（如重量、柔韌性、厚度等）且能承受設(shè)計(jì)荷載的系統(tǒng)。

表 1 歐洲承包商測(cè)試的替代防沖刷方案概述

3. 安裝方法

替代防沖刷系統(tǒng)在海底的安裝多為受控過(guò)程，需使用相對(duì)輕便、簡(jiǎn)單的設(shè)備。多數(shù)系統(tǒng)在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安裝完成后安裝，部分系統(tǒng)的同步安裝方法仍在研發(fā)中；預(yù)安裝應(yīng)用較少，因需特殊設(shè)計(jì)才能避免或減輕基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)安裝對(duì)防沖刷系統(tǒng)的損壞。

下文概述安裝方法及相關(guān)設(shè)備，特定系統(tǒng)的安裝注意事項(xiàng)將在各系統(tǒng)單獨(dú)章節(jié)詳細(xì)討論。

3.1 替代系統(tǒng)的后期安裝

替代防沖刷系統(tǒng)后期安裝可應(yīng)用于單樁、導(dǎo)管架、電纜及管道等場(chǎng)景。需評(píng)估基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與防沖刷系統(tǒng)安裝間隔期內(nèi)的沖刷風(fēng)險(xiǎn)，必要時(shí)采取緩解措施。

3.1.1 通用安裝方法

本項(xiàng)目研究的替代防沖刷系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立墊體組成，需分別安裝。墊體制造完成并運(yùn)輸至已安裝基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)處后，通用安裝流程如下：

1. 墊體最終組裝并與起吊框架連接；

2. 起重機(jī)起吊并下放連接墊體的起吊框架；

3. 結(jié)合船舶起重機(jī)與潛水員、起吊框架GPS或遙控潛水器（ROV），將墊體定位在海底，確保精準(zhǔn)放置；

4. 在海底釋放墊體。

安裝需使用的基礎(chǔ)設(shè)備包括：

- 防沖刷系統(tǒng)單元；

- 起吊框架；

- 具備足夠起吊能力的起重機(jī)；

- 用于墊體海底精準(zhǔn)定位的ROV、潛水員或其他工具。

通常，DP2級(jí)（二級(jí)動(dòng)力定位）船舶可完成（輕型）替代防沖刷系統(tǒng)安裝。部分系統(tǒng)安裝前可能需額外作業(yè)（如填充、布線），可在岸上完成（需足夠甲板空間存放成品墊體）或海上完成（需額外設(shè)備及時(shí)間），具體取決于系統(tǒng)特性、可用甲板空間、特殊設(shè)備要求等因素。

3.1.2 起吊與搬運(yùn)設(shè)備

不同方法、安裝承包商、客戶及地區(qū)的設(shè)備設(shè)計(jì)和規(guī)格可能不同，但所有起吊部件設(shè)計(jì)需具備足夠安全系數(shù)，以應(yīng)對(duì)：

- 空中及水中起吊荷載，及可能的雙墊體同時(shí)起吊；

- 水中起吊的附加質(zhì)量效應(yīng)；

- 穿越飛濺區(qū)的影響；

- 惡劣環(huán)境下的多次使用；

- 墊體剛性導(dǎo)致的吊索（連接墊體與起吊框架）受力不均。

墊體安裝可使用吊梁、機(jī)械起吊框架、多部署框架（可同時(shí)安裝多個(gè)墊體）等多種起吊框架。墊體在海底的釋放，通常通過(guò)機(jī)械釋放（常需ROV配合）或液壓釋放實(shí)現(xiàn)，兩種方式均能一次性釋放所有掛鉤/綁帶。

3.1.3 墊體與起吊框架的索具連接

防沖刷墊體需通過(guò)足夠強(qiáng)度的索具與搬運(yùn)框架連接，確保作業(yè)安全簡(jiǎn)便。索具需按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如DNV等）檢查、測(cè)試和認(rèn)證，并依可靠作業(yè)規(guī)范設(shè)計(jì)；索具作業(yè)需由經(jīng)培訓(xùn)、技術(shù)熟練且經(jīng)驗(yàn)豐富的索具工，按索具設(shè)計(jì)方案執(zhí)行。

搬運(yùn)工具與墊體間需保持足夠垂直間隙（尤其機(jī)械搬運(yùn)設(shè)備，ROV可能需在下方作業(yè)）。需考慮船舶升沉運(yùn)動(dòng)及起重機(jī)類型（是否具備升沉補(bǔ)償功能），這些因素決定織帶吊索的合適長(zhǎng)度。

索具設(shè)計(jì)需納入足夠安全系數(shù)，包括空中及水中重量的動(dòng)態(tài)系數(shù)、附加質(zhì)量系數(shù)及效應(yīng)、含飛濺區(qū)影響的動(dòng)態(tài)系數(shù)，以及墊體柔韌性導(dǎo)致的吊索（連接墊體與搬運(yùn)設(shè)備）受力不均。

3.1.4 墊體在海底的放置

單個(gè)墊體在海底需相對(duì)彼此及結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)定位，避免間隙（海床暴露）或過(guò)度重疊，這一點(diǎn)需在設(shè)計(jì)階段考慮，因墊體水平安裝精度存在限制（受系統(tǒng)、安裝方法、工況等因素影響）。

模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，單個(gè)墊體間約0.10米的間隙可能導(dǎo)致泥沙顯著流失。結(jié)合重疊區(qū)域范圍（如延伸的土工織物），可初步估算最大水平安裝公差（重疊范圍+最大間隙尺寸）；需注意，人工植被因柔性葉狀結(jié)構(gòu)，情況可能不同。

墊體海底精準(zhǔn)放置，通常通過(guò)船舶起重機(jī)結(jié)合潛水員、ROV或起吊框架專用設(shè)備（GPS、攝像頭）實(shí)現(xiàn)；防沖刷系統(tǒng)安裝完成后，建議進(jìn)行目視檢查，尤其關(guān)注靠近結(jié)構(gòu)處的墊體放置，確保系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)過(guò)渡緊密。

在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（單樁、導(dǎo)管架等）周圍，因起吊框架或起重機(jī)作業(yè)范圍限制，墊體難貼近基礎(chǔ)安裝。對(duì)部分防沖刷系統(tǒng)，自安裝系統(tǒng)或預(yù)安裝防沖刷系統(tǒng)可能是更優(yōu)選擇，以確保過(guò)渡緊密。

3.2 自安裝系統(tǒng)

替代防沖刷系統(tǒng)通常由大型獨(dú)立單元組成，可通過(guò)創(chuàng)新安裝方法優(yōu)化流程，如使用自安裝框架——將防沖刷單元連接到整體結(jié)構(gòu)，整體下放至海底后展開部署，前提是先安裝結(jié)構(gòu)（單樁），再將框架下放至其周圍（下圖為系統(tǒng)示例）。

對(duì)吸力樁，可考慮將防沖刷系統(tǒng)安裝與結(jié)構(gòu)安裝結(jié)合的其他方法。采用自安裝系統(tǒng)時(shí)，墊體間連接方式使其穩(wěn)定性與獨(dú)立未連接墊體不同；評(píng)估系統(tǒng)穩(wěn)定性需考慮自安裝框架設(shè)計(jì)。

知名海工承包商通過(guò)大型試驗(yàn)，明確了自安裝系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性；自安裝框架的下放與展開，最好在平靜工況下進(jìn)行，因強(qiáng)潮流會(huì)影響展開過(guò)程。

自安裝系統(tǒng)尤其適用于人工植被墊等輕型防沖刷方案。

3.3 替代防沖刷系統(tǒng)的預(yù)安裝

部分情況下，先安裝替代防沖刷系統(tǒng)再安裝結(jié)構(gòu)更有利，可能出于物流原因，或因結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致防沖刷系統(tǒng)需覆蓋的部分區(qū)域難以接近（如導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)）。

需重點(diǎn)考慮防沖刷系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)安裝的公差：墊體單元在結(jié)構(gòu)安裝后需保持完整性，不建議（甚至不可能）讓基礎(chǔ)樁穿透防沖刷系統(tǒng)；同時(shí)需盡量減小墊體與結(jié)構(gòu)間隙，防止樁體附近泥沙流失。對(duì)預(yù)安裝系統(tǒng)，可能需采取額外措施緩解淘刷風(fēng)險(xiǎn)。