冲刷现象对海上风力机单桩基础水平承载性的影响

2020-03-26魏克湘杨文献宁立伟

湖南工程学院学报（自然科学版） 2020年1期

杨博，魏克湘,，杨文献，宁立伟,，周舟

(1.湖南工程学院机械工程学院，湘潭 411104；2.湘电风能有限公司，湘潭 411102；3.风电运维与测试技术湖南省工程实验室，湘潭 411104)

0 引言

风能作为一种新型的清洁能源，在全球范围内不断的推广和建设.预计2020年底全球风电累计装机容量能达到792.1 GW[1].近年来，陆上风力机建设趋近饱和，未来海上风电场的建设必定成为风电领域发展的重要方向.自2007年我国海上风电领域得到较快的发展，截至2015年底已达到1014.68 MW，目前已有2307 MW的海上风电正在建设中，1240 MW的海上风电在待建中[2]，规划到2020年，我国将开发建设有30 GW的海上风电.而相比于众多的海上风力机基础，单桩式基础具有结构简单、受力明确、制造工艺成熟等优点，因此已占据75%的市场份额[3].面对恶劣的海上环境，单桩式风力发电机组必须在不更换发电机等大型设备的前提下，安全运行25年才能达到盈利的目的.在风力机整个运行周期内，要面临着100次大的荷载，106～108次中等荷载[4].而单桩式基础面对风、浪、流等多种荷载时，不仅会造成基桩的变形，还会引起基础周围床面出现冲刷现象.而基础的局部冲刷将减小了桩基的入土深度，不但降低基础的承载能力，还使支撑结构的自振频率发生改变，对风电结构的动力响应特性和稳定性造成极为不利的影响[5].

p-y曲线法作为分析基桩水平承载性最为广泛的方法，中国、美国、日本等国的规范都有推荐[6].国内外大量学者对p-y曲线开展了相关研究.Mcclelland和Focht等[7]根据原位试验和室内试验，提出了p-y曲线制作的一些方法.胡丹等[8]则是通过建立有限元模型，开展了冲刷形态对桩基水平承载性的研究.Andersen等[9]通过弹簧模拟桩体与土壤之间的p-y曲线研究了海床对风机支撑结构的影响.漆文刚等[10]探讨了冲刷对海上风力机单桩基础水平承载机理的影响及p-y曲线法的适用性，分析了冲刷对桩土相互作用的影响.Kishore等[11]通过模型试验分别探讨了冲刷现象对刚性桩和柔性桩水平承载力的影响.

本文研究了冲刷现象对海上风力机单桩基础水平承载性的影响.以往，众多研究人员通常以圆棒代替单桩基础作为研究目标，而本文则是建立了空心圆管有限元模型进行仿真分析，分析结果更加贴切实际.本文运用p-y曲线法探讨冲刷坑对单桩水平承载性的影响，分析冲刷效应对支撑结构动力学特性的影响规律.从而为桩基的设计、施工提供理论依据，确保风力机在海上复杂环境中安全运行，以促进我国大规模海上风电开发具有重要的经济和社会意义.

1 水平荷载对单桩的影响

风力机基桩面临的水平荷载有许多，其中影响最深的是风荷载和波、流荷载.与海上石油平台不同，当高耸的塔筒承受风、波、流荷载时，是通过水平荷载去转移水平力，而不是轴向荷载.基桩受到多种水平荷载后，桩身会将一部分荷载转移至桩顶和桩侧土.这时，基桩整体的弯矩、应力都会增大，施加的荷载较大时，基桩将会发生明显的位移，严重时基桩会发生断裂.同时桩侧土表面会发生破坏，下部的土处于弹性状态[12].另一方面海流荷载和波浪荷载在冲击基桩的同时，会引起下降水流的产生，同时由于海面水流速度大，海床表面水流速度小，因此存在一个压力梯度，形成一个横向旋涡并向下移动.下降水流携带着横向旋涡形成马蹄涡，与海床表面接触时不断掏蚀海床，使泥沙起动，圆柱两侧的加速水流则使已起动的泥沙处于悬浮状态.在桩的前后两侧存在一个压力梯度，从而形成一个向海面运动的尾流，处于悬浮状态的泥沙被带离基桩附近，形成冲刷坑.而冲刷坑的出现，导致土体传递荷载的能力减弱.单桩冲刷示意图如图1所示.

图1 单桩冲刷示意图

1.1 单桩在水平荷载下的变形过程

海上风力机单桩基础从承受风、浪、流等荷载再到发生桩基断裂，要经过三个阶段.第一阶段为弹性变形阶段，在这个阶段基桩可以承受一定范围内的水平荷载，基桩虽然会产生变形但是当荷载减小或者消失时形变都可恢复.第二阶段为塑性变形阶段，这时施加在基桩上的水平荷载要大于桩身材料的屈服极限，基桩的应力、弯矩均会有明显地增长，而产生变形则大多不可恢复，此阶段末所承受的荷载为极限荷载.第三阶段为破坏阶段.当基桩承受的水平荷载大于极限荷载后,基桩的位移、应力、弯矩随荷载变化关系曲线的斜率均会表现为爆发式的增长.同时桩侧土表面开始出现裂缝,明显破坏.

1.2 p-y曲线的应用原理

对于基桩水平承载力的计算方法有很多，但是p-y曲线法能较好反映桩土相互作用的变形特征，因此得到了广泛地应用.p-y曲线法，也称为复合地基反力系数法，该方法的基本思想就是在水平力H作用下，泥面以下深度X处土反力P与该点桩的挠度y之间的关系曲线，即p-y曲线.蒋建平[12]等人已对软黏土、硬黏土、沙土中的p-y曲线的计算方式作出了详细的介绍，本文就不再进行论述.

2 有限元建模

2.1 基桩及环境参数

涠洲海域已建某单桩海上风力发电机系统，基桩相关参数如表1所示，环境参数如表2所示.

表1 基桩物理力学参数

表2 环境参数

因桩基入土20 m深，则设置了20组p-y曲线，一组p-y曲线代表1 m管段上土反力P与该点桩的挠度y之间的关系曲线.其中经测量与计算后4～5 m泥深与9～10 m泥深的p-y曲线如图2所示.

图2 p-y曲线图

2.2 有限元模型

模型采用PIPE16、PIPE59、COMBIN39以及MASS21单元.PIPE16单元主要用于代表海床表面以上的基桩部分，海床以上的桩基的长度为43 m，因此设置44个单元，1个单元代表1 m的基桩管段，同时对这44个PIPE16单元进行编号，分别记为1～44号.而PIPE59单元则是用于代表海床表面以下的基桩机构，海床以下的桩基的长度为20 m，则设置20个单元，1个单元对应1 m的基桩管段，这20个单元分别编号为44～64号单元.而COMBIN39单元用于模拟桩土之间关系的p-y曲线，在本模型中因床面以下的桩基结构为20 m，因此设置了20层非线性弹簧单元，1个单元则对应于1条p-y曲线，单元编号分别记为65～85号.MASS21单元则是用于模态分析.基于Sumer[13]及Melville[14]等人的研究，最大冲刷深度为1.38倍桩径至2.4倍桩径.本文最大冲刷深度则取2倍桩径，因此模型建立的冲刷深度分别为0 m、1 m、2 m、3 m.有限元模型如图3所示.

图3 有限元模型

3 仿真结果分析

3.1 静力分析

基桩的结构整体变形图、节点位移等效云图以及单元弯矩分布云图，如图4所示.并且由图可知无冲刷现象时，桩身的最大水平位移为1.58051 m，最大弯矩以及最大水平应力值出现在第50节点，即海床表面下5 m附近.

图4 基桩的变形、位移、应力、弯矩分布图

图5 最大水平位移、最大水平应力、

当冲刷坑深度到达1 m时，模型的单元也随之改变，水中的PIPE16单元变为45个，泥沙中的PIPE59单元变为19个，象征着桩土关系的COMBIN39单元也由20个变为19个.通过对1 m、2 m、3 m冲刷深度进行对比实验，可得到最大水平应力值，分别出现在第51、52、53节点，而这就意味这冲刷深度下降1 m，桩身的最大水平应力出现的位置也下降1 m.不同程度的冲刷深度，对应的最大水平位移、最大水平应力、最大弯矩的关系曲线如图5所示.由图可知当无冲刷现象时，桩基的最大水平位移为1.58051 m，最大弯矩为2.25 MN·m、最大水平应力为259 MPa.当冲刷深度达到S/D=2时，桩基的最大水平位移为1.58966 m，最大弯矩为2.28 MN·m、最大水平应力为261 MPa.比无冲刷坑时，分别增长了0.58%、1.3%以及0.77%.在冲刷坑深度位于0～1.31倍桩径的区间时，桩基的最大水平位移，最大弯矩以及最大水平应力都是缓慢增长的.而当冲刷深度位于1.31～2倍桩径的区间时，三者都出现了快速增长的趋势，因最大冲刷深度为2.4倍桩径，所以在冲刷深度大于2倍桩径后最大水平位移，最大弯矩以及最大水平应力会逐渐的趋于平稳.

3.2 模态分析

模态分析则是采用MASS21单元，取前六阶模态，振型如图6所示.1阶模态固有频率为0.4726 Hz；2阶模态固有频率为2.6982 Hz；3阶模态固有频率为7.1816 Hz；4阶模态固有频率为13.841 Hz；5阶模态固有频率为22.667 Hz；6阶模态的固有频率为32.716 Hz.未发生冲刷时自三阶模态开始固有频率开始较快增长.

图6 模态分析图

当冲刷坑出现后，对基桩自身固有频率有着一定影响，不同冲刷深度条件下对基桩自身固有频率的影响如表3所示.1～6阶的固有频率均有所下降，其中下降最为明显的是一阶模态，下降幅度达1.8%.同时在基桩自身频率下降的同时，要注意避免共振，桩基的自身频率在风力机转子转动的频率1P(一般为0.17～0.33 Hz)和叶轮扫掠频率3P(典型的3叶片3P在0.5～1 Hz)之间时才不会发生共振[15].在设计阶段也要考虑到冲刷坑对基桩自身固有频率的影响，要避免基桩的固有频率降至1P.