阳江沙扒海上风电三桶吸力桩基础局部冲刷试验研究

任 灏,刘 博,刘晓建,郭辉群,陈 晨

(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.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510610;3.中山大学土木工程学院，广东 珠海 519082)

海上风电具有资源丰富、发电利用小时数高的特点，是新能源开发的前沿领域，也是广东省可再生能源中最具规模化发展潜力的领域。三桶吸力桩基础是海上风电领域近年发展起来适用于浅覆盖层海床地质的一种基础形式，具有环境友好、安装施工快速、可重复利用等优点，应用前景广阔。

风电场建设和后续使用过程中的关键问题之一是风电桩基的稳定性。受风电场桩基阻塞影响，将造成绕柱流动的水体流线发生显著弯曲，剧烈的涡动变化将引起附近海床形成严重淘刷，减弱桩基础承载力，危及风电桩基础及上部风机安全。因此，海洋结构物局部冲刷问题一直是学者们研究的热点，大多数研究主要针对于单桩和群桩结构，单桩研究根据入射动力的不同可分为纯流情况(Guney等[1]，Zhao等[2])、纯波浪情况(Sumer等[3-4]，Ahmad等[5])和波流联合情况 (Klopman等[6]，Olabarrieta等[7])，群桩研究根据不用群桩形式进行波浪下冲刷实验(Sumer等[8])和水流冲刷实验(Amini 等[9]，Lanca等[10])。三桶吸力桩相对于单桩和群桩基础，结构形式更加复杂，交错的横向桁架以及顶盖覆土近区非规则肋板加剧了基础周围水体的紊动，床面泥沙运动多变，准确给出复杂海洋环境下局部冲刷深度成为当前海岸工程领域极具挑战性的难题。

拟建工程位于广东省西部阳江沙扒海域，紧邻珠三角，所处海况较为恶劣，受波浪、海流、风暴潮等多种动力的影响，且各动力间的非线性作用并非简单叠加(Matutano等[11])，导致工程结构局部海床冲刷深度难以用现有经验公式预测。此外，三桶吸力桩基础因其结构复杂，海床冲刷受桶顶-桶顶过渡段肋板的影响较大。为了准确给出阳江沙扒海上风电三桶吸力桩基础局部冲刷深度，有必要考虑沙扒海域风机所处的海洋环境和海床底质沉积物特征，基于大比尺物理模型试验，探讨复杂海况下三桶吸力桩结构基础局部冲刷问题及其对清淤措施的响应，研究成果可为类似工程建设提供参考。

1 海域状况

三峡阳江沙扒海上风电项目位于广东省阳江市阳西县沙扒镇海域，潮汐属于不正规半日潮，根据本项目周年潮位站一周年的潮位资料统计，最高潮位为2.5 m，最低潮位为-1 m，最大潮差3.25 m，平均潮差1.51 m。根据周年水文观测期间(2016年6月1日—2017年5月31日)数据得到本期项目场址位置波浪周年平均H1/3为0.94 m，周年平均H1/10为1.18 m，周年平均周期4.3 s，周年最大H1/3为5.31 m，周年最大H1/10为6.54 m，测得的最大波高为7.95 m，对应波周期为17.3 s。综合考虑工程区域波浪特征，试验典型波浪要素见表1，2年和50年一遇海流设计流速分别为0.63、0.99 m/s。

表1 沙扒海域波浪要素

2 物理模型试验

模型中的波浪采用正态，根据模型和水槽造波能力，参考国家制定JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》断面长度比尺小于或者等于60，不规则波有效波高不应小于2 cm，谱峰值周期不应小于0.8 s，最后综合实际海域波浪条件，确定几何比尺为1∶50，水流动力比尺(流速比尺λv、时间比尺λt)采用1.00∶7.07，波要素比尺(波长比尺λL、波高比尺λH)采用1∶50，(波速比尺λC、波周期比尺λT)采用1.00∶7.07。

模型沙的选择以水流泥沙起动相似为主，根据风电场所处海域土层采样资料分析，区域主要以淤泥质土等软土层为主，淤泥层塑性指数(Ip)为18.9。通过泥沙起动流速计算公式求得底质起动流速情况，如武汉水院张瑞瑾公式[12]，即：

(1)

式中h——水深；d——泥沙中值粒径；γs、γ——泥沙颗粒及水的容重。

窦国仁公式[13]，即：

(2)

式中h——水深；d——泥沙中值粒径，取d=0.01～0.02 mm；Δ——糙率，d<0.5 mm时，取Δ=0.5 mm；εk——泥沙黏结力参数，原型沙取εk=2.56 cm3/s2；δ——薄膜水厚度，取0.21×10-4cm。

对于黏性土，临界起动切应力与土的塑性指数有关，可采用Smerdon[14]公式计算：

(3)

原型表层底质起动摩阻流速计算结果(u*=0.0438 m/s)可换算到平均流速，其关系为

(4)

William 等[15]将波浪条件和纯流Shields泥沙起动标准曲线相结合，指出振荡流作用下床面切应力可利用Jonsson[16]的波浪摩擦系数，计算，床面剪应力τcm的最大瞬时值，定义为

(5)

式中umc——近底波浪水质点最大水平速度；fw——波浪摩擦系数，由Jonsson[16]的图表确定。

对于本次选定的淤泥土层，由于粒径较细(d50=0.01～0.03 mm)，而起动切应力又较大(u*=0.043 8 m/s)，处于光滑紊流区，fw可由式(6)计算：

fw=0.09RE-0.2

(6)

综上，不同公式时的泥沙起动流速计算结果见表2，在1.04～1.60 m/s，其中最小为1.04 m/s(换算到模型中约为0.147 m/s)。经过多次测试，本次研究模型沙采用处理过的精煤屑，容重γs=1.35 t/m3，d50为0.4 mm，模型沙铺设简便，长期浸水不会板结，水下扰动不会密实，能够达到泥沙重复性试验的要求。该模型沙在试验水深时，起动流速为0.12～0.16 m/s，满足原型沙起动准则，可用于后续冲刷试验研究。

物理模型试验在珠江水利科学研究院里水科学试验基地的大波流水槽中进行，水槽宽5 m，长50 m，高1.2 m。造波机位于水槽右端，水槽左端设置有1∶8的消浪斜坡，斜坡上覆盖多孔材料以减少波浪反射，水槽底内部装有潜水泵，试验中通过控制潜水泵转机频率控制流量，水流稳定后，使用流速仪测量水槽底部流速，直到产生的水流流速达到试验要求，总共布置4个浪高仪G1位于造波端，G2位于平台前端，G3位于沙坑前端，G4位于后方平台中部，试验布置和模型见图1。三桶吸力桩模型，吸力桶直径0.246 m，3个桶圆心间距0.6 m，上部杆件铅锤距离0.93 m，直径0.032 m，圆心距0.27 m，“x”交叉杆件直径0.016 m，模型主要考虑3种埋深方式，分别为不清淤、清淤1 m和清淤2 m，见图2。

表2 泥沙起动流速统计结果

a)试验布置

b)模型

图2 三桶吸力桩埋深布置

3 桩基局部冲刷试验结果

3.1 冲刷稳定分析

实际情况下，一次台风过程约为3 h，根据时间比尺换算物理实验过程时间约0.5 h，通过对吸力桶迎浪面测点进行量测，并每隔0.5 h冲刷后进行测点测量，直至前后2次测量地形较为接近时认为冲刷稳定，试验结果显示冲刷2 h后达到稳定。图3为测点布置位置示意，图4为原型1～15 h后测点冲刷深度测量结果。可以看出波流作用原型9 h后，冲刷深度基本达到稳定，原型第12小时和15小时各点冲刷深度仅有少量变化，因此后续试验认为波流作用原型15小时后冲刷坑达到稳定状态。

图3 吸力桶测点布置示意

图4 桩基前后不同时刻剖面冲刷深度

3.2 不同动力对最大冲刷影响

以不清淤、设计低水位50年一遇波浪和海流条件为例，分析波浪、水流以及波流作用下三桶吸力桩导管基础局部冲刷深度。

3.2.1纯流作用

图5为纯流作用下的床面冲淤稳定形态，可以看出吸力桶基础周围冲刷深度较小，最大冲刷坑深度约为0.4 m。相较于桩身露出床面较多的单桩结构，吸力桶桶顶位于床面附近，桶身阻水较弱，纯流作用下桶结构周围无法形成两侧束水和涡流系，且桶顶细桩身产生的下降流被桶顶阻挡，导致结构近区床面切应力较小，因此床面冲刷形态不明显。

图5 纯流作用下床面冲淤稳定形态

3.2.2纯波作用

图6为纯波作用下的床面冲淤稳定形态，可以看出波浪掀沙下三桶吸力桩模型前端和后端广泛分布宽度较窄的沙纹，而吸力桶结构内部海床形态较不规则，相对结构外部有轻微淤积，实测吸力桶附近最大冲刷深度约1.5 m。

图6 纯波作用下床面冲淤稳定形态

3.2.3波流作用

图7为波流联合作用下的床面冲淤稳定形态，可以看出波流下桶结构近区床面冲刷深度大于纯水流和纯波浪情况，最大冲刷深度约为2.27 m，出现在桶结构迎浪面。总体而言，这主要归因于纯水流下床面表层水体速度与波浪水质点速度相比较小，所以泥沙的起动量和输沙率很小，而在纯波浪作用下，虽然较大的波浪水质点速度使泥沙容易起动，但由于波浪水质点速度的时间平均值为0或为很小的值，所以时间平均的输沙率相对较小。但波浪与水流共同作用下，波浪产生的剪切应力使泥沙起动后，水流便很容易将起动后的泥沙搬运走，出现较大的海床冲刷。

图7 波流作用下床面冲淤稳定形态

3.3 不同工况下最大冲刷深度

图8为不同重现期波流作用下三桶吸力桩近区的海床冲刷形态，受结构上部桁架绕流作用，三桶吸力桩连线及尾部区域均存在显著变化，冲刷形态呈三角形，且2年一遇波流下的海床冲刷深度和冲刷范围均小于50年一遇，这主要归因于2年一遇重现期下波高较小，底部扰动较小，同时床面流速小、携沙能力弱。同时，清淤深度不同造成桶顶肋板绕流强度不同，引起海床冲淤形态存在明显差异。

a)不清淤(2年一遇)

b)清淤2 m(2年一遇)

c)清淤1 m(50年一遇)

d) 清淤2 m(50年一遇)

对不同工况下海床最大冲刷深度进行统计，见表3，可以看出当波高相同时，水深越大波浪引起的床面最大冲刷深度越小。不同清淤措施下，床面最大冲刷均出现在50年一遇极端低水位情况，其中不清淤、清淤1 m和清淤2 m情况下分别为2.34、2.02、2.40 m，则冲刷床面距吸力桶桶顶分别为 2.84、1.52、0.90 m，表明桶身长度固定的情况下，在吸力桶结构埋置前对床面进行清淤有利于结构的稳定性，且清淤厚度越大对结构的稳定性越有利。

表3 不同工况下吸力桶结构周围最大冲刷深度 单位：m

4 结论

结合工程底质和动力条件建立物理模型试验，对阳江沙扒海上风电场三桶吸力桩基础局部冲刷问题进行研究，主要结论如下。

a)波流作用下，三桶吸力桩结构近区的海床冲刷深度大于纯水流和纯波浪情况，这主要归因于波流联合作用时，波浪首先引起海床“掀沙”，随后海流将悬沙向下游搬运，因此其作用下的海床冲刷深度较大。

b)受上部桁架绕流作用，三桶吸力桩连线及迎浪、背浪侧海床均出现显著变化，冲刷形态呈三角形，且2年一遇波流下的海床冲刷深度小于50年一遇，这主要因为小重现期下波高较小，底部扰动不强，同时床面流速小、携沙能力弱。

c)不同清淤措施下，肋板的绕流强度存在差异，引起海床呈现不规则下切。桶身长度一定时，在三桶吸力桩结构埋置前对床面进行清淤有利于结构的稳定性，且清淤深度越大对结构的稳定性越有益。