海上风电斜桩基础局部冲刷数值模拟研究

周茂强，陈大江，葛 畅，周国兴，李超杰

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

随着石油等不可再生资源的日益枯竭，清洁能源逐渐走入人们的视野，风能因其具有绿色环保、清洁高效的特点逐渐被利用起来。海上风电事业随之大力发展，中国风电累计装机容量2030年将达8.24亿kW左右[1]。导管架基础因其强度高，结构刚度大等特点，被广泛应用于海上风电领域中。海洋环境较为复杂，会导致海洋结构基础周围土体发生局部冲刷现象，从而使结构稳定性受到影响，因此研究导管架基础的局部冲刷具有一定工程意义。

导管架斜桩基础的局部冲刷在桩间距较大时可视为单斜桩的局部冲刷。目前已经有学者对海上风电基础的局部冲刷进行研究[2- 8]。骆光杰等采用Flow3D数值模拟方法，建立了单桩基础局部冲刷数值模拟，分析不同尺寸圆形防护板对单桩基础局部冲刷保护效果的影响规律[2]；魏凯等针对圆柱型的单桩基础，通过试验研究了单向流和潮汐流的局部冲刷效应以及防冲刷护圈的防护效果[3]；喻鹏等采用物理模型试验和CFD数值模拟的方法，研究了墩心距对串联双圆柱桥墩局部冲刷情况的影响[4]；陈兵等通过圆柱基础的冲刷模型试验，研究了不同扰流环的高度以及不同流速对减小局部冲刷的效果[5]；王兆耀等通过Flow3D软件进行数值模拟以及物理模型试验，研究了大直径单桩的局部冲刷特性，发现大直径单桩的最大冲刷深度约为直径的0.9[6]。

但是，目前对导管架斜桩基础的研究较少，因此研究导管架斜桩基础局部冲刷效应具有重要的研究价值。本文以江苏某海上升压站项目地质水文条件为研究背景，基于Flow3D软件对不同倾斜角及桩径情况下单斜桩基础局部冲刷进行数值模拟研究，得到不同条件下斜桩基础桩周土体冲刷深度的变化情况，为类似的采用导管架斜桩基础的工程施工以及冲刷防护提供参考。

1 工程背景

1.1 水文地质资料

某海上风电场工程位于江苏某近海海域，该场区潮流主要沿着东南向和西北向往复流动。冬季潮流可能最大流速在0.67～1.09 m/s之间；夏季潮流可能最大流速在0.91～1.33 m/s之间。该工程海底地形变化较为平缓，属南黄海滨海相沉积地貌单元。水深为6～13 m。场区内地基土表层以粉砂、粉砂夹粉土为主。考虑到实际工程中导管架斜桩基础场地及冲刷坑深度，本文选取表层粉砂作为数值模拟中的冲刷土层，该土层的颗粒组成为：2～0.5、0.5～0.25(砂粒层)、0.25～0.075、0.075～0.005(粉粒层)、<0.005 mm颗粒占比分别为0.1%、28.6%、41.4%、26.9%、3.0%。

1.2 导管架基础

本工程海上升压站结构共由上部导管架结构和4根角桩基础两部分组成。4根角桩为斜钢管桩，倾斜角约为5°，直径2.3 m，桩长75 m，壁厚36 mm，埋深约为51.4 m。导管架基础结构示意如图1所示。

图1 导管架基础结构示意

2 数值模型及模型验证

2.1 三维数值模型

以江苏某海域海上升压站导管架斜桩基础为背景，采用Flow3D软件建立单斜桩基础模型，若斜桩基础桩径为D，则下游区域为13D以及两侧为4.5D处可忽略边界效应的影响[9-10]，为了确保桩前土层不被完全冲走以及桩前水流充分发展，模型计算域设为96 m×55 m×18 m。由工程水文地质资料可知，该工程区域最大流速为1.33 m/s，水深取9 m。土层参数选各颗粒组成的平均粒径，取中间3组，采用Flow3D沉积物冲刷模块进行土体建模，密度为2 650 kg/m3，休止角取32°，沿竖直方向设重力加速度及静水压强。模型采用结构化网格，对桩附近进行网格加密，加密区网格大小设为0.5 m×0.5 m×0.5 m。外部网格取1.5 m×1.5 m×1.5 m。模型入口和采用压力边界，选取流体高度为9 m，流速设为1.33 m/s，方向沿x轴方向，出口选取自由出流边界，两侧选取对称边界，底部选为壁面边界，顶部选为压力边界，流体体积分数设为0，如图2所示。

图2 导管架斜桩基础数值模型示意

2.2 模型验证

为验证模型的准确性，将数值模型得出的流场与Melville[11]经典试验进行对比。试验距离床面0.4H(H为初始水深)处平面的流场见图3a，数值模型得到的相同位置处的平面流速矢量见图3b。从图3可以看出，数值模拟结果和试验的桩前扰流及桩后尾涡基本吻合。

图3 单桩基础局部冲刷数值模型示意

3 数值模拟结果与分析

3.1 桩径对斜桩局部冲刷深度的影响

为研究桩径大小对冲刷深度的影响，设定桩径分别为2.3 m和3 m的两组斜桩基础，得到斜桩基础桩周土体附近最大冲刷深度随时间变化曲线如图4所示。

图4 不同桩径下最大冲刷深度随时间变化情况

从图4可以看出，冲刷是一个动态变化的过程，桩径对冲刷深度随时间的变化趋势没有影响，斜桩桩周土体局部最大冲刷深度均随时间先迅速增大再缓慢增加，流态稳定后，冲刷深度也趋于稳定。考虑到数值模拟结果的精确性和稳定性，选取5 000 s之后稳定的冲刷深度为最大冲刷深度。此外，还可以看出，1 000 s为土体冲刷效应最大时间段，直径为2.3 m和3 m的斜桩在1 000 s时最大冲刷深度分别为0.679 m和0.888 1 m，分别达到各自最终稳定冲刷深度1.098、1.198 m的61.8%、74.1%，斜桩基础桩周土体最大冲刷深度会随着桩径增大而增大。

横断面冲刷结果见图5。从图5可以看出，冲刷坑左右两侧呈对称分布，冲刷深度按阶梯状由远及近依次增加，空间上为马蹄形。冲刷深度随桩径增加而增大是因为流场受到桩径影响，桩侧绕流和桩前下潜水流强度随桩径增大而增大，冲刷程度也随之增加。同时，桩径增大导致水流的路程的增加，水流和泥沙运动需要更多的能量，因此冲刷深度的增大受到了一定的限制。在工程设计中，需要注意桩径对局部冲刷的影响以及考虑冲刷达到稳定时的冲刷深度对承载力的影响。

图5 横断面冲刷结果

3.2 倾斜角度对局部冲刷深度的影响

为研究不同倾斜角度对冲刷深度的影响，设定倾斜角度分别为0、5°、10°的3组斜桩基础。床面冲刷三维形态如图6所示。从图6可以看出，倾角为0、5°、10°时冲刷坑最远端距桩基10、11、16 m，说明倾斜角度对冲刷坑形态有一定影响，在工程设计时需考虑到倾斜角度对桩周土体的冲刷范围的影响。倾角为0、5°、10°时对应的冲刷深度分别为1.083、1.098、1.134 m，冲刷深度随倾角增大而增大但最终差别不大。最大冲刷深度主要在桩的两侧，桩后出现土体淤积现象，形成较长的拖尾，这是因为回流导致泥沙颗粒在桩后发生堆积。桩前也出现小范围堆积现象，这是因为上游来流速度较小，桩前下潜水流较弱，导致桩前冲刷现象不明显。在设计导管架桩基础时，角桩倾斜角度对冲刷深度的影响不大。

图6 床面冲刷三维形态

4 结 论

以江苏某海上升压站项目为研究背景，采用Flow3D软件对不同倾斜角度和桩径下的导管架斜桩基础局部冲刷进行了数值模拟研究，得到了以下主要结论：

(1)斜桩桩周土体局部最大冲刷深度均随时间先迅速增大再缓慢增加，流态稳定后，冲刷深度也趋于稳定，直径为2.3 m和3 m的最大冲刷深度分别为1.098 m和1.198 m。流场受到桩径影响，桩侧绕流和桩前下潜水流强度随桩径增大而增大，导致冲刷程度也随之增加。

(2)倾角为0、5°、10°时冲刷坑最远端距桩基10、11、16 m，说明倾斜角度对冲刷坑形态有一定影响，在工程设计时需考虑到倾斜角度对桩周土体的冲刷范围的影响。

(3)倾角为0、5°、10°时对应的冲刷深度分别为1.083、1.098、1.134 m。最大冲刷深度主要在桩的两侧，桩后出现土体淤积现象，形成较长的拖尾。