一种基于CEL模拟并结合温度类比法的多桶式基础贯入整平研究

让海上塔架保持垂直

海上风电场和平台依赖于固定在软海底沉积物中的坚固基础。如果这些基础在安装过程中发生倾斜，其承载能力和安全性都会下降，而在海上纠正倾斜既昂贵又难以试验。本研究展示了计算机模拟如何廉价且可靠地预测一种由多个大型“桶”组成的特殊基础在海床上的沉降与整平过程，包括这一过程中海水如何在沙中渗流。

为什么多桶式基础重要

工程师可以采用多桶式基础替代向海床打入许多长桩，这类基础看起来像由框架连接的倒置罐群。此类系统具有施工更快、在某些情况下可重复使用、对海床扰动小于传统方法等优点。然而，不均匀的海床条件或局部土体强度差异可能导致整个基础在沉入时发生倾斜。海上结构的规范将这种倾斜限制在几度之内，因此施工时必须精确控制对各桶施加的抽吸量——即在桶内施加的温和真空。目前关于如何操作的大部分建议仍来自耗时且规模有限的试验池实验。

在数字沙箱中把流动当作热传导

模拟这一过程具有挑战性，因为桶周围的土体会发生大变形，同时海水通过孔隙渗流。常规数值工具在土体网格拉伸和扭曲过大时会遇到困难，许多工具也无法直接处理伴随大变形的水流。作者采用了耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法，该方法允许土体在固定网格中“流动”，而钢制桶在其中移动。为了在不引入专门流体单元的情况下捕捉水的运动，他们利用了一个数学上的巧合：描述稳态渗流的方程与固体中热扩散方程具有相同的形式。通过将孔隙水压力视为“温度”，将渗流视为热通量，可以利用软件的热传导模块来追踪渗流。

检验类比与模型

在信任这一捷径之前，团队先在两个经典问题上验证了它：水通过高沙柱的流动以及水绕埋入土中的不透水墙体的运动。在这两种情况下，基于“温度”的模拟在应力、压强变化和流动模式上都与传统渗流计算一致，表明该类比对慢速饱和流是可靠的。随后他们建立了一个详尽的虚拟模型，复现了此前在实验池中测试的四桶基础。仅在现实范围内调节少数土工参数后，模拟再现了自重沉入的深度、将基础推入目标深度所需的附加力，以及对较高一侧桶施加适度抽吸时移除的倾斜量。

在整平过程中窥见海床内部

有了对模型的信心，作者利用温度类比来观察整平过程中的土体内部，这是实验室中无法做到的。他们在若干关键时刻冻结桶的运动，计算一对桶周围的稳态渗流分布。结果显示，孔隙水压的变化集中在施加抽吸的桶下方及其近邻区域，向下扩散比横向更明显。最大的水流速度出现在桶缘，尤其是内壁一侧，而桶内部中间区域的流速则要慢得多。随着桶进一步贯入，这些渗流速度逐渐下降，表明更深的埋置允许略强的抽吸而不至于触发土体破坏。

对海上设计的意义

简而言之，该研究提供了一种快速且实用的方式，可以在计算机上“演练”多桶式基础的整平策略，而不必仅依赖昂贵的试验池测试。在其适用范围内——慢速、饱和条件和简化的土体模型——该方法能够预测在调整抽吸时倾斜基础的移动量，以及周围沙体中渗流最强的区域。这为工程师优化安装方案、降低过度倾斜或局部土体侵蚀的风险，并更好地理解这些桶群与海床相互作用提供了有力工具，有助于海上风电和其他海工结构向更深水域扩展。

引用: Gao, K., Cheng, Z., Yu, K. et al. A CEL simulation approach for penetration-leveling of the multi-bucket foundation incorporating the temperature analogy method. Sci Rep 16, 16165 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45440-1

关键词: 海上风电基础, 多桶式基础, 土壤渗流, 数值模拟, 海床工程