海上风电场风机桩基局部冲刷计算

王卫远，杨娟，李睿元

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014）

风电作为清洁的可再生能源，得到了全世界的关注和重视，各国都相继出台了风电发展规划。相比于陆上风电，海上风电有着占地少、风速大和风向稳等优点，因此，我国沿海各省市都在积极开展海上风电场的建设工作。

然而，海上风电场所处的环境条件十分复杂，风、浪、流等气象水文要素对风机产生的影响不可忽视。尤其需要注意的是，风电场建成以后，在海洋动力的作用下，风机桩基周围将产生局部冲刷，可能影响风机基础的稳定性。因此，开展海上风电场风机桩基局部冲刷问题研究，具有重要的理论意义和工程价值。

目前，对于桩基局部冲刷问题的研究主要通过现场观测和模型试验来进行。相关单位曾对胜利埕岛油田两个海上石油平台基础周围的水下地形进行现场观测，实测桩基最大局部冲刷深度在3.0～3.5m之间[1]。埕岛油田地处黄河口附近的淤泥质海岸，与废黄河口附近苏北沿海的海洋动力、地质等条件相似，埕岛油田的实测桩基局部冲刷深度对于苏北沿海淤泥质海岸具有重要的参考价值。

在进行波浪、潮流作用下桩基局部冲刷深度试验研究时，一般根据圆柱直径D与波长L比值的大小分别加以讨论。当D/L＜0.2时为小直径情况，当D/L≥0.2时为大直径的情况。风机桩径较小，通常属于小直径的情况。目前，已有部分相关研究成果[2-4]给出了桩基局部冲刷深度计算公式，但是，桩基局部冲刷涉及水动力、底质、桩径等多种因素，问题十分复杂，现有的研究成果多为根据试验数据提炼出的经验公式，使用条件受到一定的限制，使用前应利用实测资料进行验证。

本文结合拟建的大丰C2特许权工程，收集与其海洋动力、地质条件相似的胜利埕岛油田海上石油平台桩基局部冲刷现场资料，利用国内公认较好的局部冲刷经验公式进行计算，并与实测资料进行比较，改进计算方法，据此计算拟建工程风机桩基的局部冲刷深度。

1 工程场区概况

拟建的大丰C2特许权工程位于大丰港外海的东沙北部海域，计划安装80台单机容量为2.5MW的风机，总装机容量200MW。代表风机所处水深约为-2.30m，详见图1。根据设计资料，风机桩径有2.10m三桩基础和4.30m单桩基础两个备选方案，海洋动力环境和底质中值粒径等参数见表1。

图1 工程场区及代表风机位置示意图

表1 环境参数（5 a一遇）

2 经验公式及其验证

目前，国内用于计算波浪、潮流作用下桩基局部冲刷深度的经验公式较多，以下将重点介绍其中的两个公式，并采用实测资料进行验证。

2.1 经验公式简介

国内桩基局部冲刷经验公式中，韩海骞公式[5]和王汝凯公式[6]的计算条件较为符合本工程的实际情况。其中，韩海骞公式重点考虑潮流作用下小直径圆柱周围的局部冲刷，而王汝凯公式为考虑波流共同作用下小直径圆柱周围的局部冲刷。

2.1.1 韩海骞公式

韩海骞研究了潮流作用下杭州湾大桥、金塘大桥和沽渚大桥的实测冲刷数据，结合水槽试验（60多组试验数据），采用因次分析法，得出了潮流作用下的局部冲刷公式，通过与实测及试验结果的对比，该公式可以反映出在潮流的作用下桥墩局部冲刷深度与潮流、泥沙及桥墩等各因子之间的关系，显示出了较高的精度。

式中：hb为潮流作用下桥墩的局部冲刷深度，m；h为全潮最大水深，m，取值范围为4.5～31.0m；B为全潮最大水深条件下平均阻水宽度（墩宽或桩径，m），取值范围为0.8～42.0m；d50为河床泥沙的平均中值粒径，m，取值范围为0.008～0.140mm；Fr为水流Froude数潮最大流速，m/s，取值范围为1.4～8.0m/s；g为重力加速度，m/s2；k1为基础桩平面布置系数，条带型k1=1.0，梅花型k1=0.862；k2为基础桩垂直布置系数，直桩k2=1.0，斜桩k2=1.176。

2.1.2 王汝凯公式

1982年，我国学者王汝凯在美国德克萨斯农工大学海洋工程实验室做了在波、流共同作用下桩基周围海底冲刷实验研究。通过多组实验，建立了局部冲刷深度计算公式：

式中：Nf为水流的Froude数的平方；V为行近流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；h为水深，波陡；H为波高，m；L为波长，m；T为周期，s；Ur为Ursell数，Ur=

波流合成速度；ρs为泥沙密度，kg/m3；ρ为水密度，kg/m3；d50为泥沙的中值粒径，mm；Nrp为桩的雷诺数桩径，m；υ为运动黏滞系数，m2/s。

2.2 经验公式验证

通过比较分析，埕岛油田海域的波浪、潮流和底质等条件与拟建工程海域较为相似，因此，可以利用埕岛油田CB25C、CB12C平台桩基局部冲刷深度的现场实测资料，对上述两个公式进行验证。根据搜集的资料，埕岛油田海洋动力环境、桩径和底质中值粒径等参数列于表2。

表2 埕岛油田的环境参数

分别运用韩海骞公式和王汝凯公式进行计算，结果见表3。从表3中可以看出，考虑波流共同作用的王汝凯公式的计算结果大于实测值，而仅考虑潮流作用的韩海骞公式计算结果小于实测值，由此可以认为，本工程海域波浪对泥沙的作用较强，不可忽略。

表3 局部冲刷深度经验公式计算值及实测值m

3 考虑波浪的作用

为了考虑波浪对于局部冲刷的贡献，通过给定波浪水质点的平均水平速度，将其与潮流速度进行叠加，以期得到合理的波流合成速度，再运用韩海骞公式来计算拟建工程风机桩基的局部冲刷深度[7]。

可采用下式计算波浪水质点的平均水平速度：

式中：V2为波浪水质点的平均水平速度，m/s；H为波高，m；d为当地水深，m；C为波速k为波数；k=2π/L；L为波长，m；T为波周期，s。

用波流合成速度代替潮流速度，再次利用韩海骞公式计算埕岛油田的桩基局部冲刷深度，并与实测资料进行对比，计算结果见表4。我们发现，考虑波浪作用后，韩海骞公式的计算结果与实测值较为接近。由此可见，此处波浪对泥沙的掀动作用不可忽视。

表4 韩海骞公式局部冲刷深度计算值及实测值m

4 大丰C2特许权工程桩基局部冲刷计算

验证结果表明，两个公式可以用于计算大丰C2特许权工程风机桩基的局部冲刷深度。

根据表1所示的海洋动力环境参数，利用韩海骞公式（考虑波浪作用）和王汝凯公式，针对两个桩径方案，计算了拟建工程风机桩基的局部冲刷深度（见表5）。结果表明，桩径的增大导致局部冲刷深度的增大，从偏于安全的角度考虑，建议采用二者计算结果中的较大值。

表5 不同桩径对应的局部冲刷深度m

5 结语

考虑到江苏省大丰沿海位于废黄河口附近的淤泥质海岸，故收集了类似条件下埕岛油田海洋平台桩基局部冲刷深度的现场观测资料，据此对两个经验公式进行了验证，我们发现，对于近岸水域桩基的局部冲刷来说，由于水深较浅，波浪作用不可忽略。最后，对大丰C2特许权工程风机桩基的局部冲刷深度进行了计算，得到的结果对实际工程具有一定的参考价值。

[1] 仲德林，刘建立.埕岛油田海上石油平台基础冲刷研究[J].海岸工程，2003，22（2）：37-43.

[2] 周玉利，王亚玲.桥墩局部冲刷深度的预测[J].西安公路交通大学学报，1999，19（4）：48-50.

[3] 张佰战，李付军.桥墩局部冲刷计算研究[J].中国铁道科学，2004，25（2）：48-51.

[4] 梁利博，杨小亭，张新燕.圆柱桥墩局部冲刷的试验研究[J].中国农村水利水电，2010（1）：104-109.

[5] 韩海骞.潮流作用下桥墩局部冲刷研究[D].杭州：浙江大学，2006.

[6] 王汝凯.神仙沟（桩11）建油港的冲淤问题[J].海岸工程，1985，4（2）：32-38.

[7] 张玮，濮勋，廖迎娣.淤泥质海岸近海风电塔基局部冲刷计算研究[J].海洋工程，2010，28（2）：105-109.