湛江某海上风电桩基局部冲刷特征研究

2020-12-30潘冬冬李健华

海岸工程 2020年4期

潘冬冬,李健华,周川,王俊

(1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司,广东广州510663;2.广东科诺勘测工程有限公司,广东广州510663)

桩基础局部冲刷是一个具有重大实用价值的研究内容,伴随着国内海上风电场的兴起与发展,这一研究的重要性日益凸显。由于海洋动力作用的因素众多,且不同海域的海底地形、底质类型、潮流与波浪作用不尽相同,使得桩基局部冲刷深度与冲刷范围的研究更加复杂多变。

根据已有研究成果,桩基局部冲刷主要通过经验公式、物理模型试验和现场地形测量等方法进行研究与分析,韩海骞[1]、Wang和Herbich[2]分别通过模型试验的方法提出了2个桩基局部冲刷公式,这2个经验公式在实际工程上应用较多,而且也已被《海上风电场工程风电机组基础设计规范》[3]收录。周益人和陈国平[4]通过物理模型试验,研究不规则波作用下的墩柱周围局部冲刷机理,重点对床面泥沙粒径进行详细分析;张玮等[5]和祁一鸣等[6]利用现场实测数据和物理模型试验等方法研究了江苏近海风电场桩基局部冲刷深度,通过与实测数据对比,发现采用叠加波浪作用下的韩海骞公式[1]进行局部冲刷深度计算更为合理。

本文以湛江某海上风电场某一桩基局部实测地形数据为研究对象,进行局部最大冲刷深度、冲刷坑半径和冲淤变化特征的分析与研究,在此基础上,进一步进行桩基局部冲刷经验公式的计算,并且与实测值对比分析,以期为其他同类工程和本风电场运行阶段防冲刷保护提供参考。

1 研究区域概况

1.1 工程概况

湛江某海上风电场位于徐闻县外海海域,海底地貌属于水下浅滩、水下岸坡地貌单元,有部分沙洲,海底泥面标高一般为-13～-1 m,海底地形复杂,起伏较大,属于近海浅水区域风电场,风电场址与实测桩基位置见图1。

工程海域潮汐类型为不正规半日潮,年平均海面为2.13 m,平均高潮位为2.77 m,平均低潮位为1.54 m,平均潮差为1.23 m,最大潮差为2.69 m。潮流类型为不规则全日潮,表现为明显的往复流特征,全潮测验期间实测最大流速1.50 m/s。实测年平均有效波高为1.2 m,平均周期为4.5 s,常浪向与强浪向均为E向。场址表层沉积物中值粒径为0.14～0.32 mm,平均值为0.21 mm,并且南部沉积物明显粗于北部。

1.2 桩基防冲刷保护措施

防冲刷保护采用砂袋与砂被复合的保护方式,砂袋和砂被采用渗透系数不小于10-3cm/s的细砂或者中粗砂,粒径约0.075 mm 的颗粒质量分数大于85%,黏性颗粒小于3%。砂被制作时考虑收缩,平均厚度为0.40 m;砂被与桩基之间的空隙利用砂袋填平。砂被铺设面积约为1 200 m2,砂袋用量约为200 m3。桩基防冲刷保护立面图与平面图见图2。

图1 海上风电场位置Fig.1 Location map of the offshore wind farm

图2 桩基防冲刷保护示意图Fig.2 A schematic diagram of anti-scour protection of pile foundation

2 桩基局部地形测量与分析

2.1 桩基局部地形

桩基局部地形的测量方法为:以桩基础为中心,在500 m×500 m 的范围内,采用GPS星链差分技术配合多波束测深仪组成的自动定位测深系统对桩基局部冲刷深度进行测量。风电桩基的施工时间为2018年,分别于2019年4月、2020年4月和2020年5月对桩基局部地形进行了3次测量。地形图见图3(1985国家高程基准)。

图3 桩基附近实测地形Fig.3 Topography measured near the pile foundation

由图3a可见,2019年4月桩基周围局部冲刷坑接近于圆形漏斗,冲刷坑半径约为15 m;地形高程最深为-8 m,最浅为-4 m,冲刷坑的最大深度为4 m,并且冲刷坑由外往内不断变深。由图3b可见,2020年5月桩基周围局部冲刷坑的形状发生了变化,形状不再接近于圆形漏斗,而是一个沿NE—SW 走向的椭圆形漏斗,并且桩基NW—NE—SE 方向的冲刷范围较小,范围约为15 m,而西南方向最大的冲刷范围达到50 m,与2019年4月的地形相比,呈现出明显的西南向冲刷加剧的趋势,但是冲刷坑的最大深度没有明显变化。由图3c可见,2020年5月桩基周围局部冲刷坑的形状与最大深度与2020年4月地形相比变化很小,处于稳定状态。

图4为3次实测地形图中2个断面处的剖面图。由图4a可见,冲刷坑呈现出明显的漏斗状,冲刷坑的最大深度变化量很小,基本维持在4 m 左右。但是在桩基西侧约100 m 存在一个地形变化较大的海底斜坡,由东向西逐渐变深,由2020年与2019年的实测地形相比,斜坡明显向西移动了约50 m,说明此处发生过较大的海床淤积过程。由图4b可见,冲刷坑也呈现出漏斗状,2019年4月冲刷坑的最大深度为3 m 左右,而2020年的两次最大冲刷深度接近4 m。

图4 桩基周围海底地形剖面图Fig.4 Topographic profiles of the seafloor around the pile foundation

2.2 桩基局部冲淤变化特征分析

图5 桩基周围年度冲淤变化图Fig.5 Annual variations of the scouring and silting around the pile foundation

图5 给出了2019年4月至2020年4月的年度冲淤变化图,其中正值表示淤积,负值表示冲刷。由图5a可见,桩基附近500 m 范围内发生了较大的冲淤变化过程,尤其是桩基西侧的海底斜坡,最大淤积深度达到了5 m 左右,其原因可能与某次或几次极端海洋动力变化相关。图5b为桩基周围100 m 范围局部冲淤变化图,由图可见,桩基西南侧明显发生冲刷,最大冲刷深度超过2 m,在桩基东侧产生少量淤积,淤积深度约0.5 m,从冲淤形态上看,桩基附近不冲不淤的形状类似“X”形状,其原因可能是在潮流动力长期作用下形成的冲淤形态。

图6给出了2020年4-5月的月度冲淤变化。由图6a可见,桩基附500 m 范围内没有发生较大的冲淤变化过程,海床基本处于稳定的状态。图6b为桩基周围100 m 范围局部冲淤变化图,由图可见,桩基北侧和东侧发生少量冲刷,冲刷深度约为1～2 m,其他方向均较稳定,处于不冲不淤状态。综上所述,在正常海洋水动力环境下,桩基局部最大冲刷深度已经达到相对稳定状态。

图6 桩基周围月度冲淤变化图Fig.6 Monthly variations of the scouring and silting around the pile foundation

3 桩基局部冲刷公式及应用

3.1 桩基局部冲刷公式

3.1.1 韩海骞公式

韩海骞通过物理模型试验数据,经过量纲分析得到潮流作用下桩基础局部冲刷深度计算公式[1],通常简称其为韩海骞公式:

式中:hb为潮流作用下桩基础最大冲刷深度(m);h为全潮最大水深(m);B为最大水深条件下平均阻水宽度(m);d50为泥沙中值粒径(m);F r为弗汝德(Froude)参数;u为全潮最大流速(m/s);K1为基础桩平面布置系数;K2为基础桩处布置系数。

韩海骞公式适用于单纯水流条件下的强潮流作用时的局部冲刷计算,而实际海域中存在波流共同作用,根据《港口航道与水文规范》[7]中波浪水质点平均流速公式计算波浪对局部冲刷的影响,再进行潮流流速的叠加,从而得到波流共同作用下的最大流速,波浪水质点平均流速计算公式为

式中:u为波浪水质点的平均流速(m/s);H为有效波高(m);h为水深(m);k为波数,T为波周期(s)。

3.1.2 王汝凯公式

Wang和Herbich[2]在波浪水槽中做了波流共同作用下的普遍冲刷试验和孤立桩周围沙基冲刷试验。通过量纲分析得到相对冲刷深度的经验公式,通常简称为王汝凯公式:

式中:Sul为桩基础最大冲刷深度(m);Nf为水流的Froude数的平方;Ur为Ursell数;Ns为颗粒sediment数;Nrp为桩的雷诺数;D为桩径;L为波长(m);V为行进流速(m/s);Vfw为波流合成速度(m/s);h为行进水深(m);g为重力加速度(m/s2);ρs为泥沙干密度(kg/m3);ρ为水密度(kg/m3);d50为泥沙中值粒径(mm);ν为水的运动黏滞系数(m2/s)。

3.1.3 桩基局部冲刷范围

冲刷坑的范围可以用冲刷坑半径表示,其计算公式[3]为

式中:r为冲刷坑半径(m);S为冲刷坑的最大深度(m);φ为土体内摩擦角(°)。

3.2 局部冲刷公式参数敏感性分析

3.2.1 全潮最大流速

工程海域全潮测验实测流速成果表明,各测点最大流速介于1.2～1.5 m/s。图7对比了局部冲刷公式在不同流速作用下的最大冲刷深度。由图7可见,桩基局部最大冲刷深度随流速的增大而增大;韩海骞公式在叠加了波浪作用下的冲刷深度后比未叠加时增大了7%～12%;王汝凯公式计算值比韩海骞公式计算值偏大20%～40%,并且随着流速的增大,冲刷深度增大值更加显著。

3.2.2 中值粒径

根据场址底质调查结果,表层沉积物中值粒径为0.14～0.32 mm,平均值为0.21 mm,并且南部沉积物明显粗于北部。图8对比了局部冲刷公式在不同中值粒径条件下的最大冲刷深度。由图8可见,韩海骞公式冲刷深度计算值随粒径的增大而增大,在叠加了波浪作用下的冲刷深度后比未叠加时增大了8%;王汝凯公式冲刷深度计算值随粒径的增大而减小,并且其敏感性较大。原因为韩海骞公式主要针对钱塘江的桩基础,中值粒径取值范围较广;而王汝凯公式是波流共同作用下孤立桩的冲刷试验,适用于无黏性的细砂与中粗砂。

3.3 局部冲刷实测值与计算值对比与分析

根据2019年现场实测数据及相关资料,用于桩基局部冲刷计算的部分参数见表1。桩基局部冲刷实测值与3个经验公式计算值的对比结果见表2。在砂袋与砂被复合保护下,桩基实测最大局部冲刷深度为4.0 m,最大冲刷深度与桩径之比为0.57。3个经验公式的最大冲刷深度与桩径之比均超过了1.1,由王汝凯公式计算的桩径之比达到了1.64。桩基的冲刷坑半径的公式计算值与现场实测值吻合较好,尤其是韩海骞公式的计算结果与实测值基本一致。3个经验公式是在不同环境条件下总结得到的,均有各自的适用条件,在工程设计上有着广泛的应用。由于本文实测桩基采取了有效的防冲刷设施,改善了桩基周围的局部水动力条件,所以冲刷深度明显小于各经验公式的计算值。