复合筒型风电基础单向流局部冲刷试验研究

于通顺，练继建，齐 越，王鸿振

（1.中国海洋大学 工程学院，山东 青岛 266100；2.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；3.山东高速青岛发展有限公司，山东 青岛 266100）

1 引言

近海风电结构在我国沿海已大规模建设[1]，这些近海风电场有相当大一部分是建立在大洋环流地带或潮间带，受到单向海流或潮流的作用非常明显。海流作用下风电基础周围的冲刷会明显影响风机结构稳定性，海上风电支撑结构的稳定性已成为海岸与近海工程学科近年来关注的热点课题，最大冲刷深度也成为风电基础设计的重要参数之一。复合筒型基础[2－3]是一种新型的宽浅式海上风电基础，其抗倾覆能力强，适用于软弱地基，目前已成功应用到江苏启东地区的风电开发中[4]（如图1所示）。相对于桩基础等深基础，复合筒型基础周围地基的冲刷破坏对风机结构体系安全性的影响更加明显，因此，研究复合筒型基础地基局部冲刷特性很有必要。

图1 风力发电结构体系Fig.1 Wind power structural system

关于海流作用下风电基础[5－7]局部冲刷以及河流中桥墩[8－9]的冲刷已经展开，这些研究的对象主要集中于海上风电单桩或多桩基础以及各种直立体型的桥墩，针对复合筒型基础这种新型结构局部冲刷的研究相对较少。结合单桩绕流情况[10]及数值模拟，可以对复合筒型基础周围的绕流情况有定性的了解（如图2所示），由图可见，其绕流情况较桩基础更加复杂。赵雁飞[11]采用数值方法详细研究了海流作用下复合筒型基础局部冲刷情况，得出了一些结论，这些结论能否应用于工程实践尚需试验验证。因此，为填补海流作用下复合筒型基础冲刷试验研究的空白，本文借鉴桥墩等基础冲刷试验的研究方法[12－14]，建设了复合筒型基础冲刷试验场地，采用系列比尺模型的方法[15]进行了复合筒型基础局部冲刷试验，研究了单向流作用下复合筒型基础的冲刷特点，明确了实际工程中复合筒型基础最大局部冲刷深度，为工程设计提供了指导。

图2 复合筒型基础周围绕流情况Fig.2 Flow field around composite bucket foundation

2 模型试验概况

2.1 工程背景

工程位于江苏响水地区，单机装机容量为3 MW，风机基础采用复合筒型基础。工程所处海域水深为10 m，海流流速为1.32 m/s，土质为粉砂，级配曲线如图3所示。从级配曲线图可以看出，泥沙中值粒径d50=0.12 mm，泥沙粒径介于0.04～0.25 mm之间，颗粒分配比较均匀。

图3 颗粒级配曲线Fig.3 The grading curve of the sediment

2.2 试验场地介绍

物理模型试验在天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室的冲刷水槽中进行，水槽长为35 m，宽为7 m，深为1.6 m，如图4所示。整个试验场地由造流控制系统、自动定位系统、测试系统、整流系统等构成。造流控制系统（如图4(a)）中通过编写软件控制变频泵以在场地中产生恒定流速的水流。定位系统（如图4(d)）中通过计算机遥控软件控制铝合金型材导轨前后左右滑动，可以实现测量仪器的精确定位。整个试验过程中流速及冲刷深度的测量由ADV声学多普勒点式流速仪（如图4(e)）完成。

图4 冲刷试验场地Fig.4 Test site for scour experiment

2.3 试验模型介绍

复合筒型基础原型由钢筋（包括预应力钢筋）、混凝土、钢板（用作分仓板）构成，直径为30 m，筒高为6 m，筒裙厚为0.4 m，筒顶厚为0.3 m。选择动床冲刷模型试验中最常用到的系列比尺模型的方法进行试验，工程原型中最大冲刷深度可依据下式进行计算：

式中：λh为模型比尺；Xm为比尺λh所对应的试验最大冲刷深度值，从理论上讲，一般选择两组不同比尺的试验即可获取式（1）中未知量Xy、α 的值。当Xy、α 确定后，令 λh=1或lgλh=0即可确定实际工程中的最大冲刷深度mmax X。为增加试验结果的准确性，本试验选取3组模型比尺进行冲刷试验。根据复合筒型基础原型尺度及试验场地的范围，经过综合比选，确定模型比尺为1:20、1:40和1:70，复合筒型基础模型如图5所示。

图5 复合筒型基础模型Fig.5 Model of composite bucket foundation

单向流作用下结构物局部冲刷的模型试验中，应满足几个相似条件：重力相似、几何相似和阻力相似。根据运动方程和连续性方程，可得3组模型比尺试验中流速与水深参数，如表1所示。

表1 试验造流参数表Table 1 Experiment parameters of unidirectional current

2.4 地形测点布置

为了准确监测冲刷过程中复合筒型基础模型周围地形的变化情况以及判断冲刷是否达到平衡状态，在模型周围选取了8个特征监测点，以1:20模型为例，每个特征监测点的布置如图6所示。各个特征监测点沿着圆周均匀对称布置，每个监测点距离复合筒型基础模型外壁的距离为100 mm，为了方便说明，将①～⑧号特征监测点按照如下命名规则进行命名：①号点定义为0°监测点，②号点定义为45°监测点，以此类推，⑧号点定义为315°监测点。试验过程中，每间隔1 h对模型周围8个监测点进行冲刷深度的测量，绘制冲刷深度随时间变化的历时曲线，如果所有监测点连续3次测量的冲刷深度相等或者变化幅度非常小，可以认为冲刷已经达到平衡状态。

图6 监测点布置图Fig.6 Locations of monitoring points

在冲刷过程中，除了布置典型测点之外，在垂直于来流方向还设置了特征监测剖面，布置位置如图7所示（同样以1:20模型为例）。试验共设置了两个特征监测剖面，在复合筒型基础两侧呈对称布置，两个特征剖面距离基础中心均为0.85 m，每个特征剖面上均匀设置了35个监测点（特征剖面1上有1～35号测点、特征剖面2上有36～70号测点），相邻两个测点的距离为50 mm。试验过程中，每间隔1 h对特征剖面各点进行测量，绘制剖面各点随时间变化的历时曲线，观测冲刷坑的发展过程。

图7 监测剖面布置图Fig.7 Locations of monitoring profiles

当试验达到冲刷平衡以后，需对模型周围一定区域内的地形进行冲刷深度测量，以绘制冲刷地形图。具体测量区域要根据实际冲刷的范围来确定，本次试验中，测量区域的范围为3.6 m×3.6 m（同样以1:20模型为例），如图8所示。为了减少测试时间，同时尽可能详细地反映冲刷坑的形态，模型两侧的区域采用每隔100 mm取一测点进行深度测量，在冲刷较为严重的位置处采用局部加密测量的方法，局部加密测量区域每隔50 mm取一测点进行深度测量，整个区域共计2 500多个测点，测量完毕大约需要12 h。获取各个测点冲刷深度后即可通过TECPLOT软件绘出基础周围局部冲刷地形图。

图8 地形测点布置图Fig.8 Locations of measuring points for topography

3 单向流下基础局部冲刷试验分析

本试验分别研究了比尺为1:20、1:40、1:70的复合筒型基础模型在单向流作用下的冲刷情况，通过试验发现，各个比尺模型试验中冲刷特性相似，因此，本节主要以1:20比尺模型试验为例来说明复合筒型基础地基的局部冲刷特点，各数据均为模型试验原始数据，没有进行比尺换算。

3.1 冲刷平衡时间

单向流作用下1:20比尺模型试验中模型周围8个监测点冲刷深度随时间的变化曲线如图9所示（负值绝对值越大表示冲刷深度越大）。从图可以看出，在整个冲刷过程中，③号（90°）到⑦号（270°）5个监测点的冲刷深度波动范围比较小，一直在平衡位置附近波动，最大波动范围只有2 cm。①号（0°）号监测点的冲刷深度稳定上升，②号（45°）、⑧号（315°）两个监测点的冲刷深度波动比较大，一直呈现出深度不断增加的趋势。所有监测点的冲刷深度在34～36 h之内基本不再发生变化。表明此时冲刷已经达到平衡状态，所以此组试验的冲刷平衡时间为36 h。在冲刷过程中，监测点冲刷深度出现波动，可以认为是由于水流作用下海床地基沙波不断推进引起的[16]。

3.2 冲刷坑形态

3.2.1 特征剖面演化过程

单向流作用下1:20比尺模型试验中特征剖面1、2中35个测点冲刷深度的演化曲线分别如图10、11所示。从图10可以看出，随着冲刷过程地进行，特征剖面1（复合筒型基础模型后方）上受到明显冲刷的特征点的个数不断增多，冲刷深度也不断增大。从图中可以看出，特征剖面1处形成2个冲刷坑，监测到的最大冲刷深度达到124 mm，冲刷范围几乎贯穿整个特征剖面。从如图11可以看出，特征剖面2上各监测点的冲刷深度波动（同样由于水流作用下海床地基沙波不断推进引起）幅度很小，未发生明显的冲刷现象，某些位置甚至出现了轻微的淤积。

图9 监测点冲刷历时曲线Fig.9 Duration curves of monitoring points

图10 特征剖面1冲刷历时曲线Fig.10 Duration curves of monitoring profile No.1

图11 特征剖面2冲刷历时曲线Fig.11 Duration curves of monitoring profile No.2

3.2.2 冲刷坑形态及范围

待冲刷平衡后，依据图8所示测点进行基础周围地形的测量。测量完毕后，将水槽中的水放掉，发现复合筒型基础模型后方形成了两个冲刷坑，对冲刷坑进行编号，如图12所示。可以看出，复合筒型基础模型周围出现明显的沙波，模型的前方（如图12(c)所示）基本不发生冲刷，模型两侧的床面发生了非常轻微的冲刷。特征剖面1恰好穿过两个冲刷坑内部，从冲刷坑的范围来看，两个冲刷坑均呈现“宽胖”型，冲刷坑的中心位置冲刷最为严重，单向流作用下复合筒型基础仅一侧为迎水面，冲刷坑形态呈前深、后浅的勺状。①号冲刷坑与②号冲刷坑基本呈现对称分布。用直尺对冲刷坑中最大冲刷深度点的深度值进行测量，最大冲刷深度约为150 mm，并记录最大冲刷深度点的位置。

图12 冲刷平衡后地形图Fig.12 Topography after scouring balance

将各点冲刷深度导入TECPLOT软件并进行适当内插处理即可绘出1:20模型冲刷地形图，如图13所示。

在冲刷坑形成的过程中，冲刷坑沿着模型壁面逐渐向中心线方向发展，越靠近中心位置，冲刷坑的范围越大，待冲刷坑的基本形状形成以后，沿着水流的方向，逐渐向后方发展，如图14所示。因此，选用图中a、b、W、L 以及最大冲刷深度 Zmax5个参数来表征冲刷坑的几何形态，各个冲刷坑的特征尺寸如表2所示。

3.3 原型最大冲刷深度

通过3个比尺的冲刷试验得到了单向流作用下1:20、1:40、1:70比尺模型对应的最大冲刷深度分别为150、80、40 mm。利用系列比尺模型的方法，将3个比尺下各自对应的最大冲刷深度值绘制在双对数坐标纸上进行外延，即可得到筒型基础原型的最大冲刷深度值，如图15所示。从图中可以看出，在水深为10 m，流速为1.32 m/s的单向流作用下，此复合筒型基础周围中值粒径为0.12 mm的粉砂质海床最大局部冲刷深度为3.5 m。

图13 TECPLOT绘制的冲刷平衡后地形图Fig.13 Topography after scouring balance by TECPLOT

图14 冲刷坑形态示意图Fig.14 Schematic diagram of scour hole

表2 冲刷坑尺寸表Table 2 Size of scour hole

图15 单向流下复合筒型基础局部冲刷深度与比尺的关系Fig.15 Relationship between scour depth around composite bucket foundation and scale under unidirectional current

4 结论

（1）建设了复合筒型基础冲刷试验场地，研制了造流及测试系统，为同类问题的解决提供了借鉴。

（2）明确了单向海流作用下复合筒型基础地基局部冲刷特性，考察了复合筒型基础局部冲刷的冲刷平衡时间、冲刷坑的形态范围、最大冲刷深度，填补了复合筒型基础单向流局部冲刷研究的空白。

（3）通过系列比尺模型的方法得出：水深为10 m，流速为1.32 m/s的单向流作用下，复合筒型基础周围中值粒径为0.12 mm的粉砂质海床最大冲刷深度为3.5 m，为实际工程提供了指导。

（4）本文进行了单向流作用下复合筒型基础地基局部冲刷的试验研究，为便于复合筒型基础的推广应用，潮流及波浪与水流共同作用下复合筒型基础冲刷特性的研究需进一步展开。

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