1. 引言

除传统散石防冲刷设计外，替代方案采用不同材料，在成本效益、采购便捷性及安装易用性上更具优势。这类方案在海上风电领域应用较新，相关设计与部署指南目前较为匮乏。

在欧洲，通过物理模型试验研究了多种替代方案，以明确其在不同工况、不同基础结构下的性能及潜在失效机制。制定可靠的替代防冲刷系统设计指南，需结合物理缩尺模型研究与现场验证，而可控实验室环境下的方案测试，为这一迭代过程奠定了基础。

替代防冲刷系统的防冲刷机理，在水利工程领域并非新概念，其海上应用借鉴了桥梁冲刷防护、海岸防护等其他水利工程领域的经验。欧洲承包商的研究重点，聚焦于海上风电常见的海洋环境条件及基础结构；与散石防冲刷系统类似，本文讨论核心为这些系统的防冲刷水力性能。

本章概述替代方案，涵盖所涉替代系统共有的安装、运行及维护要点，具体方案将在其他文案详细探讨。

2. 替代防冲刷系统概述

下表列出替代防冲刷系统，包含简要说明及试验类型（中型试验：约1:30比例水池试验；大型试验：约1:6比例Delta水槽波浪试验）。

人工植被（叶状垫）、混凝土块垫、石笼及压载填充垫这四种方案，在制造工艺、材料、重量及柔韧性上存在差异，但均具备共同特性——由可制成不同形状的单元（垫体、床垫式结构）组成，这些单元是防冲刷系统的基本构建模块。

此类防冲刷系统优势如下：

- 采购与制造：可现场制造，或在其他地点预制后用当地可用材料压载，采购方式灵活（需注意质量控制）；

- 安装：系统单元（垫体）可通过海上起重机安装（散石防冲刷系统精准安装通常需落管船）；单元可设计为比同等效果散石防护系统更轻便，所需作业更少或对重型设备要求更低；

- 可设计预安装及自部署系统，简化安装流程。

替代方案也面临独特挑战，主要涉及单元间精准定位以避免间隙，以及可能更复杂的维护策略。对设计者而言，关键是充分了解防冲刷系统性能，以设计出参数适宜（如重量、柔韧性、厚度等）且能承受设计荷载的系统。

表 1 欧洲承包商测试的替代防冲刷方案概述

3. 安装方法

替代防冲刷系统在海底的安装多为受控过程，需使用相对轻便、简单的设备。多数系统在基础结构安装完成后安装，部分系统的同步安装方法仍在研发中；预安装应用较少，因需特殊设计才能避免或减轻基础结构安装对防冲刷系统的损坏。

下文概述安装方法及相关设备，特定系统的安装注意事项将在各系统单独章节详细讨论。

3.1 替代系统的后期安装

替代防冲刷系统后期安装可应用于单桩、导管架、电缆及管道等场景。需评估基础结构与防冲刷系统安装间隔期内的冲刷风险，必要时采取缓解措施。

3.1.1 通用安装方法

本项目研究的替代防冲刷系统由多个独立垫体组成，需分别安装。垫体制造完成并运输至已安装基础结构处后，通用安装流程如下：

1. 垫体最终组装并与起吊框架连接；

2. 起重机起吊并下放连接垫体的起吊框架；

3. 结合船舶起重机与潜水员、起吊框架GPS或遥控潜水器（ROV），将垫体定位在海底，确保精准放置；

4. 在海底释放垫体。

安装需使用的基础设备包括：

- 防冲刷系统单元；

- 起吊框架；

- 具备足够起吊能力的起重机；

- 用于垫体海底精准定位的ROV、潜水员或其他工具。

通常，DP2级（二级动力定位）船舶可完成（轻型）替代防冲刷系统安装。部分系统安装前可能需额外作业（如填充、布线），可在岸上完成（需足够甲板空间存放成品垫体）或海上完成（需额外设备及时间），具体取决于系统特性、可用甲板空间、特殊设备要求等因素。

3.1.2 起吊与搬运设备

不同方法、安装承包商、客户及地区的设备设计和规格可能不同，但所有起吊部件设计需具备足够安全系数，以应对：

- 空中及水中起吊荷载，及可能的双垫体同时起吊；

- 水中起吊的附加质量效应；

- 穿越飞溅区的影响；

- 恶劣环境下的多次使用；

- 垫体刚性导致的吊索（连接垫体与起吊框架）受力不均。

垫体安装可使用吊梁、机械起吊框架、多部署框架（可同时安装多个垫体）等多种起吊框架。垫体在海底的释放，通常通过机械释放（常需ROV配合）或液压释放实现，两种方式均能一次性释放所有挂钩/绑带。

3.1.3 垫体与起吊框架的索具连接

防冲刷垫体需通过足够强度的索具与搬运框架连接，确保作业安全简便。索具需按行业标准（如DNV等）检查、测试和认证，并依可靠作业规范设计；索具作业需由经培训、技术熟练且经验丰富的索具工，按索具设计方案执行。

搬运工具与垫体间需保持足够垂直间隙（尤其机械搬运设备，ROV可能需在下方作业）。需考虑船舶升沉运动及起重机类型（是否具备升沉补偿功能），这些因素决定织带吊索的合适长度。

索具设计需纳入足够安全系数，包括空中及水中重量的动态系数、附加质量系数及效应、含飞溅区影响的动态系数，以及垫体柔韧性导致的吊索（连接垫体与搬运设备）受力不均。

3.1.4 垫体在海底的放置

单个垫体在海底需相对彼此及结构精准定位，避免间隙（海床暴露）或过度重叠，这一点需在设计阶段考虑，因垫体水平安装精度存在限制（受系统、安装方法、工况等因素影响）。

模型试验结果显示，单个垫体间约0.10米的间隙可能导致泥沙显著流失。结合重叠区域范围（如延伸的土工织物），可初步估算最大水平安装公差（重叠范围+最大间隙尺寸）；需注意，人工植被因柔性叶状结构，情况可能不同。

垫体海底精准放置，通常通过船舶起重机结合潜水员、ROV或起吊框架专用设备（GPS、摄像头）实现；防冲刷系统安装完成后，建议进行目视检查，尤其关注靠近结构处的垫体放置，确保系统与结构过渡紧密。

在基础结构（单桩、导管架等）周围，因起吊框架或起重机作业范围限制，垫体难贴近基础安装。对部分防冲刷系统，自安装系统或预安装防冲刷系统可能是更优选择，以确保过渡紧密。

3.2 自安装系统

替代防冲刷系统通常由大型独立单元组成，可通过创新安装方法优化流程，如使用自安装框架——将防冲刷单元连接到整体结构，整体下放至海底后展开部署，前提是先安装结构（单桩），再将框架下放至其周围（下图为系统示例）。

对吸力桩，可考虑将防冲刷系统安装与结构安装结合的其他方法。采用自安装系统时，垫体间连接方式使其稳定性与独立未连接垫体不同；评估系统稳定性需考虑自安装框架设计。

知名海工承包商通过大型试验，明确了自安装系统的动力学特性；自安装框架的下放与展开，最好在平静工况下进行，因强潮流会影响展开过程。

自安装系统尤其适用于人工植被垫等轻型防冲刷方案。

3.3 替代防冲刷系统的预安装

部分情况下，先安装替代防冲刷系统再安装结构更有利，可能出于物流原因，或因结构复杂导致防冲刷系统需覆盖的部分区域难以接近（如导管架结构）。

需重点考虑防冲刷系统与结构安装的公差：垫体单元在结构安装后需保持完整性，不建议（甚至不可能）让基础桩穿透防冲刷系统；同时需尽量减小垫体与结构间隙，防止桩体附近泥沙流失。对预安装系统，可能需采取额外措施缓解淘刷风险。