鳞片结构让海底“拔罐”更牢固！中国石油大学(华东)这一研究取得新进展

青岛日报社/观海新闻1月7日讯 日前，中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院李大勇教授团队在海上风力发电吸力基础研究方面取得新进展，相关研究成果《一种新型仿生海上风电基础：鳞片式吸力基础》发表在能源领域权威期刊《可再生与可持续能源评论》。论文第一作者为李大勇，通讯作者为博士后吴宇旗，中国石油大学（华东）为第一署名单位。该研究得到国家自然科学基金和中国博士后科学基金项目的联合资助。

开发海上风能，减少化石能源消耗，推进能源体系清洁、低碳发展，是保障我国能源安全和实现“碳达峰、碳中和”目标的重要途径之一。2022年中国海上风电装机总容量达30.51GW，占全球海上风力发电装机容量的44.44%，中国海上风电装机容量已稳居世界第一，风机技术研发也处于世界领先水平。海上风机的基础结构是保障其安全运行的关键，但施工造价占比高达25~35%。寻求新型基础结构及其安装技术革新，以降低基础工程造价，成为海上风电场建设的首要问题。

吸力基础是一种底部开口、顶端的薄壁圆桶结构，具有安装速度快、适用水深范围广、无需使用大型驳船及打桩设备等优点，大大降低了施工费用。吸力基础海底安装原理与“拔罐”类似，在安装时将吸力基础定位到设计位置，将内部海水抽出，使内部压力减小，出现负压。此时外部水压大于内部压力，在压力差作用产生下沉力，吸力基础逐渐下沉直至设计深度。不过，传统吸力基础在沉贯安装及服役过程中仍存在缺陷，例如安装过程中桶壁阻力过大和土塞过高将导致吸力基础安装不到位，造成基础服役期间承载力损失。基础沉贯结束后内部土塞与基础顶盖之间存在空隙，工程中主要采用灌浆填充处理，这一工艺不仅增加了施工难度和成本，而且溢浆将造成海洋环境污染。

为此，李大勇团队对传统吸力基础进行了革新，利用仿生学理念提出了一种鳞片式吸力基础，这一灵感主要启发于蛇类爬行动物前进时阻力减小，后退时阻力增大的原理，在吸力基础的外侧壁采用了仿生鳞片结构，以实现利于沉贯、降低土塞量、提升承载力、免除灌浆工序的效果。通过模型试验和数值模拟相结合的研究方法，研究充分论证了鳞片式吸力基础的可行性，分析了吸力基础的沉贯特性和土塞效应，揭示了鳞片式吸力基础的承载特性和破坏机理，证实鳞片式吸力基础可降低土塞，具备消除灌浆工艺及提升承载力的效果，避免了灌浆对海洋环境造成的污染。

审稿专家对该成果均给予高度评价，认为仿生“鳞片式吸力基础”构思新颖，对当今海洋工程基础存在的关键问题提供了有效解决方案，是一种绿色、环保的新型海洋基础，在海上风电等海洋能源工程领域具有广阔应用前景。

据此，李大勇教授团队长期致力于新型海洋工程基础的研发以及从事海洋岩土-基础结构全寿命相互作用的试验与理论研究。团队在海洋岩土工程领域获得国家自然科学基金、省部级基金课题10余项，在Ocean Engineering、Applied Ocean Research、Géotechnique、Canadian Geotechnical Journal、《土木工程学报》及《岩土工程学报》等国内外海洋工程、岩土工程领域权威期刊发表论文近百篇，授权发明专利20余项，获省部级科技奖励4项，在海洋岩土工程领域形成了一定的影响力。（青岛日报/观海新闻记者 王世锋）