海上风机单桩基础局部冲刷计算分析

2020-05-15张晓蕊吴子昂戴东鹰

水电与新能源 2020年3期

张晓蕊，吴子昂，戴东鹰

(上海勘测设计研究院，上海 200335)

海上风电作为一种可再生清洁能源，已经得到了全世界广泛的关注。海上风资源丰富，同时环境也更加复杂。需要注意的是，桩基础泥面位置由于波浪和海流的作用，会产生局部冲刷从而导致风机整体的稳定性降低。因此，针对海上风机基础局部冲刷问题开展一系列分析，将具有十分重要的工程意义[1-2]。目前，海上风电场风机基础局部冲刷深度主要依靠经验公式或根据已有的工程场区资料做参考。但由于场区资料较少，且各个海域环境相差甚远，经验公式一般作为首选方法。本文针对江苏某风电场，对比不同冲刷深度下结构频率、变形、承载力和疲劳寿命等的变化，分析特定海洋环境下局部冲刷对风力机基础结构的影响。

1 经验公式及验证

目前国内外用于局部冲刷深度计算的经验公式主要有以下三种，韩海骞公式，王汝凯公式和J&S公式[3]。

1.1 经验公式

1)韩海骞公式。浙江大学的韩海骞建立了单一潮流作用下桥墩局部冲刷计算公式。

(1)

式中：hb为潮流作用下桥墩最大局部冲刷深度，m；h为全潮最大水深，m；B为最大水深下平均阻水宽度，m；d50为河床泥沙的中值粒径，m；Fr为弗劳德数；g为重力加速度；k1为基础平面布置系数，条形取1.0，梅花形取0.862；k2为基础垂直布置系数，直桩取1.0，斜桩取1.176。

韩海骞公式适用范围：平均阻水宽度B为0.8～42.0 m；全潮最大流速u为1.4～8.0 m/s；全潮最大水深h为4.5～31.0 m；中值粒径d50为0.008～0.14 mm。

(2)王汝凯公式。王汝凯和Herbich基于粗砂模型，进行了波、流共同作用下小直径桩的局部冲刷研究，并建立了局部冲刷深度计算公式。

(2)

(3)

式中：Nf为水流弗劳德数的平方；V为行近流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；h为行近水深，m；H为波高，m；L为波长，m；T为周期，s；Ur为Ursell数；Ns为颗粒sediment数，Ns=Vfw2/[(ρs-ρ)/ρ]gd50；Vfw为波流合成速度，m/s；ρs为泥沙密度，kg/m3；ρ为水密度，kg/m3；d50位泥沙的中值粒径，mm；Nrp为桩的雷诺数；D为桩径，m；υ为运动粘滞系数，m2/s。

3)J&S公式。Jones和Sheppard提出了仅考虑流速的大型桥墩局部冲刷计算公式。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Ds为桩基极限冲刷深度，m；dp为桩径，m；D为水深，m；V为底部最大平均流速，m/s；Vcr为泥沙临界起动速度，m/s；Vuspb为垂线平均流速，m/s；d50为泥沙中值粒径，m。

1.2 公式验证

根据已有的埕岛油田海域环境条件(见表1)及冲刷数据[4]，对上述经验公式进行适用性验证。由于韩海骞公式和J&S公式仅考虑流速的影响，现参考《港口与航道水文规范》得到波浪水质点的平均流速与潮流速度之和带入公式进行计算，结果见表2。

表1 埕岛油田环境参数表

表2 平台局部冲刷深度及实测值表 m

从表2可以看出：适用粗砂的王汝凯公式在淤泥质土或细砂条件下，冲刷深度被放大，其计算结果比实测值大40%左右，过于保守，在实际工程中经济性较低；J&S公式虽然考虑了波流联合作用，但结果仍偏低，不推荐采用；考虑波流联合作用的韩海骞公式计算结果与实测值较为接近，实测值为经验公式的80%～90%。本文环境条件为近海海域，波浪对海底的影响不能忽视，所以采用考虑波流作用下的韩海骞公式进行局部冲刷计算。

2 SACS计算原理

SACS(Structural Analysis Computer System)是基于有限元分析的结构仿真平台，能够进行复杂海洋环境下的结构静力和动力性能分析。静力分析模块主要包括线弹性静力分析、桩-土-结构相互作用的非线性静力分析等。动力分析模块主要包括模态分析、疲劳分析，以及波浪作用分析等[5]。本文后续内容将采用SACS软件对风机基础结构性能进行计算分析。

3 风机基础局部冲刷计算

3.1 环境条件

本文针对江苏某海上风场进行单桩基础局部冲刷计算分析，具体环境条件如表3所示。采用波流联合作用下的韩海骞公式，分析桩径、中值粒径对冲刷深度的影响程度。

表3 江苏某海域环境条件表

根据表3中的数据，变换基础结构形式和尺寸，计算F30、F47机位特定地质条件下的局部冲刷深度，得到图1(a)。从图1(a)中可以看出，F30、F47机位4 m直径斜桩和将近7 m直径的直桩冲刷深度接近；1 m直径斜桩和将近2 m直径的直桩冲刷深度接近，从公式中也可计算得出相同冲刷深度的斜桩直径是直桩的0.608倍。小直径桩的多脚架基础和高桩承台对局部冲刷不如单桩敏感，但在实际工程中，单桩基础由于结构相对简单，海上施工作业期短，施工可靠性高等优点，成为颇受欢迎的一种基础型式。为防止钢管桩桩周冲刷，沿基础一定范围内会进行防冲刷地基处理。本文风场最大水深8～11 m，变化范围不大。从图1(b)中可以看出，水深对冲刷深度的影响较小，仅1.3%。图(a)、(b)中的曲线均随着x轴变量的增大而增大，而曲线斜率随x变量的增大而减小。

图1 局部冲刷结果图

3.2 计算分析

风机基础局部冲刷深度大多根据经验公式估算，在结构设计时放出相应的裕度。但经验公式适用条件为单向流，本场区实际为旋转流，流向并不固定，经验公式结果将放大波流对冲刷的影响。本文将对经验公式的局部冲刷深度计算结果进行适当折减，再通过SACS软件进行相应的结构受力变形等分析。

F30、F47机位拟采用3.3 MW风机，塔筒底部直径为5.5 m，单桩基础顶高程11 m，整机允许频率范围0.258～0.276 Hz。F47机位结构直径5.5 m，采用波、流联合作用下的韩海骞公式得到冲刷深度为5.28 m，对比不同折减系数下的结构静力计算结果，如表4所示。

表4 F47结构(D=5.5 m)计算结果表

注：承载力考虑安全系数1.5；结构压力乘以1.1倍放大系数。

由表4可以看出，同样的结构在不考虑冲刷时满足变形频率等要求，但是在折减系数为0.8时整机频率就十分接近安全范围的下界了，完全不考虑折减则更加无法满足频率要求，此时的变形和受力结果依然满足规范，结构尺寸以频率控制为主。选取适当的结构尺寸，需要与冲刷深度进行进一步的迭代计算。为提高频率的安全裕度重新建立直径5.5～5.7 m的单桩模型，考虑到海流为旋转流，我们取折减系数0.8的冲刷深度，得到冲刷深度为4.27 m，具体计算结果如表5，桩身位移曲线收敛如图2。

表5 F47结构(D=5.5～5.7 m)计算结果表

注：承载力考虑安全系数1.5；结构压力乘以1.1倍放大系数。

图2 F47(D=5.5～5.7 m)桩身位移曲线图

F30机位表层土为厚度1.3 m的砂质粉土(d50=0.070 9)，第二层是厚度10.7 m的淤泥质粘土(d50=0.015 3 mm)，由于表层土较薄，计算局部冲刷时中值粒径选取0.015 3 mm(见表6)。

由表6和图3可以看出，F30基础桩径比F47增大了0.2 m，使得泥面转角减小，但由于浅层土壤较差，整机频率仍然难以满足规定要求，且桩径的增大也加大了波浪力的作用，使得桩身位移曲线不收敛。解决这一系列问题，需增加桩径和桩长。重新建立直径5.5～6.1 m的单桩模型，桩长增加4 m，考虑到海流为旋转流，我们取折减系数0.8的冲刷深度，得到冲刷深度为4.42 m，具体计算结果如表7，桩身位移曲线收敛如图4。

表6 F30结构(D=5.5～5.9 m)计算结果表

注：承载力考虑安全系数1.5；结构压力乘以1.1倍放大系数。

图3 F30(D=5.5～5.9 m，冲刷4.37 m)桩身位移曲线图

表7 F30结构(D=5.5～6.1 m)计算结果表

注：承载力考虑安全系数1.5；结构压力乘以1.1倍放大系数。

综上可得，F47机位若要满足折减系数0.8的局部冲刷深度要求，结构最大桩径要在5.5 m基础上增加0.2 m，钢管桩重量增加将近17 t；F30机位若要满足折减系数0.8的局部冲刷深度要求，结构最大桩径要在5.9 m基础上增加0.2 m，且桩长增加4 m，钢管桩重量增加将近53 t。冲刷主要影响的是实际入泥深度，所以对整机频率和桩身侧向位移会有一定影响。单桩基础的刚度较小，表层土的冲刷对基础变位极其不利，所以通常会对海床表层土进行防冲刷处理，例如投放沙袋，砂被，连锁排和固化土等措施。如何既经济又安全的设计出最理想的基础方案，需要不断尝试并结合实际工程的观测结果进行更准确的预测。

图4 F30(D=5.5～6.1 m)桩身位移曲线图

3.3 疲劳分析

选取F47机位进行疲劳分析，由于缺乏一体化的载荷输入，本文将保守地采用风载荷损伤与波浪谱疲劳损伤直接相加的方式得到最终损伤值。设计疲劳安全系数为2，寿命25年。对比不同桩径，不同冲刷深度对结构疲劳寿命的影响，原泥面高程-5.49 m，钢管桩3 m一段，具体计算结果见表8。

从表8可以看出，F47基础D=5.5 m时冲刷4.22 m最大疲劳损伤是不冲刷的1.7倍；D=5.5～5.7 m时冲刷4.27 m最大疲劳损伤是冲刷4.22 m的1.01倍。相同结构在考虑冲刷时整机频率相对降低，结构更柔，所以疲劳损伤更大。D=5.5～5.7 m结构变径段高程2～-1 m，-1 m到桩尖位置桩径5.7 m。风机载荷和波浪载荷当结构尺寸增大时，产生的疲劳损伤减小，但初始变径位置波浪损伤稍稍增大。综上，针对F47机位选取D=5.5～5.7 m结构尺寸，满足疲劳计算要求。