海洋污损生物对海上风机基础的影响

(上海勘测设计研究院有限公司， 上海 200234)

0 引 言

海上风机基础设计考虑因素复杂，对海上风力发电成本影响大，在整个海上风电设计中占有重要地位，已成为海上风力发电研究的重要课题。海上风机基础结构主要分为重力式基础、桩基础、吸力式基础和浮式基础。海上风机桩基础又可分为单桩基础、高桩承台基础、三脚架/四脚架基础和导管架基础等。海上风机基础在设计使用寿命期内受多种类型的荷载，包括自重、操作荷载、环境荷载及偶然荷载等[1]影响。环境荷载由风、浪、流、冰、地震等引起，其中波浪和水流产生的水动力载荷占较大比重。海上风机基础建造完成后，基础结构上某些位置的淹没杆件表面在一定时间后会被多种类型的海洋污损生物附着，这些海洋污损生物的附着会对风机基础产生一定影响。关于海洋污损生物对海上结构物影响的研究工作起步较晚并且内容较少。WOLFRAM等[2]基于包含真实海洋污损生物的试验确定附着海洋污损生物的圆柱体结构的水动力因数，发现海洋污损生物使管状杆件的直径增大了50～100 mm，同时增加了粗糙度，进而导致拖曳力因数增大70%左右。THEOPHANATOS[3]深入研究海洋污损生物及其对海上结构物水动力载荷的影响发现，海洋污损生物显著增加了水动力载荷，这种增长因海洋污损生物的类型而异，拖曳力的增加主要由海带引起。MSUT等[1]分析指出海洋污损生物的附着对海上结构物水动力载荷有显著影响并从理论上阐述海洋污损生物的种类、分布及其对海上结构物的影响，同时讨论控制和移除海洋污损生物的几种常见方法。SCHOEFS[4]基于一种能够为承受极端荷载和疲劳荷载的海上结构物上的荷载变量提供显式近似的响应面法，通过数值分析研究海洋污损生物的影响。SHI 等[5]基于模型试验研究50 m水深中导管架基础受到的不同厚度和密度的海洋污损生物以及不同水动力因数的影响发现：海洋污损生物厚度显著影响水动力载荷的极大值和支撑结构的第三阶固有频率，但是对第一阶固有频率的影响较小；惯性系数对第二阶和第三阶固有频率的影响大；密度对结构的影响较小。AMERYOUN 等[6]基于响应面法利用随机模型模拟海洋污损生物的粗糙度，研究几内亚湾的导管架平台，发现水动力载荷对粗糙度异常敏感。Al-YACOUBY等[7]基于试验研究海洋污损生物对刚性圆管柱体结构水动力因数的影响，试验结果表明：当2.31 m直径的管状结构上海洋污损生物平均厚度为110 mm时，水动力载荷增加16%～90%，具体与波高和频率有关。WRIGHT等[8]基于数值模型研究海洋污损生物对张力腿平台浮式风机的动力影响发现，海洋污损生物厚度对平台的影响远大于粗糙度对平台的影响，时间不变阻力系数法与时变雷诺数阻力系数法结果一致。目前国内关于海洋污损生物的研究基本上局限于南海和渤海，而且大多数研究重点是海洋污损生物的种类组成、分布及发展变化规律等，对海洋污损生物影响的研究很少。黄宗国等[9-10]分别对渤海湾、琼州海峡和雷州半岛的污损生物进行研究。黄修明等[11]研究渤海石油平台的附着生物生态。曾地刚等[12]研究东海污损生物群落的种类组成和分布。严涛等[13-14]分别对南海一些海域的污损生物进行研究。严涛等[15]综合论述海洋污损生物对海洋结构物的影响和中国近海污损生物的研究进展、存在问题等，并对未来的研究方向和重点进行探讨。

基于之前的相关研究，本文首先简要介绍海洋污损生物的定义和种类，然后总结归纳水动力载荷的相关理论，最后根据福建海域的水文地质资料,使用结构分析软件SACS建立3种海上风机基础型式——导管架、高桩承台和单桩的模型并计算分析海洋污损生物产生的不同附着厚度和表面粗糙度对海上风机基础结构的影响，从而弄清楚海洋污损生物的作用机理和影响程度。

1 海洋污损生物

海洋污损生物被定义为栖息或附着在任何海上固定或浮式结构物表面的动物、植物和微生物等有机体的总称。海洋污损生物形成的过程大概是：最初两到三周时间内某些细菌附着在结构物表面并形成一层黏液层，使钢表面的物理和化学性能发生改变从而为其他硬质污损生物群落的栖息铺平了道路[3]。根据地理位置，两到三年后一个由软质的污损生物组成的次级污损生物群落过度生长并超越硬质污损生物占据主导，同时海藻开始在靠近水面的区域出现[3]。一般地，所有的海洋生物都直接竞争空间、食物和光，因此在食物充足、水温较高的水面处海洋污损生物的厚度更显著。海洋污损生物可分为3大类：硬质海生物、软质海生物和细长海草。硬质海生物包括藤壶、牡蛎、贻贝、双壳类和管状细菌。软质海生物由海藻、软珊瑚、海绵、海葵、水螅、海草和藻类组成。细长海草是海带，也可被视为软质海生物，是唯一具有较大尺寸的海生物。海洋污损生物的分布和物理特征主要受地理位置、水深、水温、季节、水流、结构物设计和运行等因素的影响。

2 水动力载荷

水动力载荷是由波浪水流与结构相互作用产生的，是海洋结构物所受环境荷载的重要组成部分，包括波浪荷载和水流荷载，其中波浪荷载占主导。

在计算圆管结构所受波浪荷载时，需根据杆件直径D与波长L的比值选择合适的计算理论：

本文采用的3种风机基础形式都可视为细长杆件结构，杆件直径D与波长L的比值小于0.20(见表1)，基础结构对水质点运动的影响忽略不计，可采用Morison方程计算。

表1 3种风机基础形式杆件的直径与波长比

Morison方程表达了作用在单位长度圆管结构上的总波浪力，包括拖曳分量和惯性分量两部分，计算式为

(1)

在Morison方程中，因数(拖曳力因数和惯性因数)以及根据波浪运动理论计算得到的水质点的速度和加速度对波浪荷载的计算结果影响最大，选择合适的因数和波浪理论很重要。本文依据DNV-OS-J101[17]和海港水文规范(JTS 145-2-2013)的相关规定选择波浪理论并确定因数。当结构所处海域水流流速较大时，应考虑水流荷载。计算水流荷载时首先应确定水流流速，然后将水流流速代入Morison方程中即可。

3 桩基础计算模型

根据福建A区、B区和C区等3个海域的基本情况，采用结构分析软件SACS分别建立导管架基础、高桩承台基础和单桩基础模型，如图1所示。各基础模型的计算输入参数如表2～表4所示。

图1 SACS计算模型示例

构件名称外直径/m壁厚/mm密度/(kg·m-3)泥面高程/m顶高程/m塔筒过渡段6.0070～857 850上部斜撑3.5038～507 850下部斜撑1.50～2.0030～507 850X撑0.61～0.7122～407 850下部桩基2.00～2.4030～507 850-53.823.0

表3 高桩承台基础模型主要输入参数

表4 单桩基础模型主要输入参数

4 海洋生物附着对基础结构的影响

选择两个比较重要的关于海洋生物附着的影响因素——海生物平均附着厚度、表面粗糙度k，采用控制变量法分别将影响因素输入SACS中，通过静力和模态计算得到一些基本物理量的值，诸如结构受到的水动力载荷、基底剪力/倾覆力矩、内力/位移、频率。分析比较这些物理量的变化，研究海洋生物附着对结构的影响。

4.1 海生物平均附着厚度和表面粗糙度的设置

海生物平均附着厚度通过改变圆管结构直径和质量等影响结构。在模型计算考虑海生物平均附着厚度的影响时：分别将海生物的平均附着厚度设置7个不同的数值；将海生物密度统一设置；拖曳力因数Cd和惯性因数Cm按照海港水文规范规定，光滑时Cd取1.2、Cm取2.0，粗糙时Cd和Cm分别乘以增大因数n；表面粗糙度k统一取0.05 m。相关参数设置如表5所示。

表5 考虑不同海生物平均附着厚度的参数设置

表面粗糙度通过改变水动力因数(拖曳力因数Cd和惯性因数Cm)影响结构。在模型计算考虑表面粗糙度的影响时，根据DNV-OS-J101，在无实测资料的情况下，对于海洋生物附着的情况，假定k=0.005～0.050，在模型中分别将k取11个不同的数值。然后，根据DNV-OS-J101的相关公式分别计算Cd和Cm。海生物平均附着厚度和密度统一设置。相关参数设置如表6所示。

表6 考虑不同表面粗糙度的参数设置

分别采用福建A区、B区和C区等3个海域的水文和地质资料，进行静力和模态计算。

4.2 水动力载荷

模型静力计算得到的水动力载荷结果如图2所示。

图2 水动力载荷的变化曲线

3个海域的水动力载荷均随海生物平均附着厚度的增加而增大。当厚度达到150 mm时，A区、B区和C区的水动力载荷相比厚度为0 mm时分别增大34.4%、27.9%和30.8%。当表面粗糙度从0 m增大到0.005 m时，A区、B区和C区的水动力载荷分别增长32%、11.5%和3.1%，此后A区和B区的水动力载荷随表面粗糙度的增大先缓慢增加然后趋于稳定，而C区的水动力载荷随表面粗糙度的增大一直缓慢增加(由于Cd未达到稳定)。

4.3 基底剪力与倾覆力矩

模型静力计算得到的基底剪力结果如图3所示。

图3 基底剪力的变化曲线

模型静力计算得到的倾覆力矩结果如图4所示。

图4 倾覆力矩的变化曲线

3个海域的基底剪力和倾覆力矩均随海生物厚度的增加而增大。当厚度达到150 mm时：A区、B区和C区的基底剪力与厚度为0 mm时相比分别增大26.7%、12.5%和21.1%；A区、B区和C区的倾覆力矩与厚度为0 mm时相比分别增大12.4%、1.8%和6.0%。A区和B区的基底剪力和倾覆力矩随表面粗糙度的增加先快速增大然后缓慢增长最后趋于稳定，C区的基底剪力和倾覆力矩一直随表面粗糙度的增加而增大。

4.4 杆件UC、拔力与泥面转角

分别选取A区导管架基础的杆件最大UC、B区高桩承台基础的桩基最大拔力和C区单桩基础的泥面最大转角等3个特征参数进行分析，结果如表7和表8所示。

表7 杆件最大UC、最大拔力和泥面转角随海生物平均附着厚度变化

续表7 杆件最大UC、最大拔力和泥面转角随海生物平均附着厚度变化

表8 杆件最大UC、最大拔力和泥面转角随表面粗糙度变化

从表7和表8可知：A区导管架基础的杆件最大UC、B区高桩承台基础的桩基最大拔力和C区单桩基础的泥面最大转角均随海生物平均附着厚度的增加而增大，随着表面粗糙度的增加先增大后趋于稳定。

4.5 频率

经模态计算和分析，3个海域的风机基础一、二阶频率几乎不受海生物平均附着厚度和表面粗糙度的影响，仅三阶频率稍微受到影响。模态计算得到的三阶频率结果如图5所示。

图5 风机三阶频率的变化曲线

从图5可知：3个海域的风机三阶频率均随海生物平均厚度的增加而减小，其中B区的高桩承台基础频率变化不明显；A区风机三阶频率随表面粗糙度的增加而减小，而B区和C区的风机三阶频率几乎不受表面粗糙度的影响。

5 结 论

(1) 海洋污损生物主要通过增加杆件直径、质量和拖曳力因数影响海上风机基础结构，平均附着厚度和表面粗糙度是2个主要指标，拖曳力因数随二者的增大而增大。

(2) 海上风机基础结构上的水动力载荷、内力、位移和频率均受平均附着厚度的影响，其中前三者随平均附着厚度的增加而增大，频率随海生物平均附着厚度的增加而减小。海生物平均附着厚度对水动力载荷的影响最大，对频率的影响最小。

(3) 海上风机基础结构上的水动力载荷、内力、位移和频率均受表面粗糙度的影响，其中前三者随表面粗糙度的增加先增大后趋于稳定，频率几乎不受表面粗糙度的影响。经模型计算验证，海洋污损生物对海上风机基础结构的影响在水动力载荷占比大时较为显著，导管架基础型式对海洋污损生物的变化最敏感，平均附着厚度和表面粗糙度较大时对结构的内力和位移不利。