海上风电桩基冲刷计算研究

2022-11-17王守峰戚振亚许卫东

绿色科技 2022年20期

王守峰，戚振亚，许卫东

(山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250013)

1 引言

海上风力发电场的建设可避免土地资源的浪费，且年平均风速较大，年发电量大[1，2]。近年来，我国海上风电事业发展迅猛。但海上风机运行环境恶劣，基础受到波浪、海流、水深等因素相互影响，容易形成比较大的冲刷坑[3]。我国在规范、手册和教材中对过河大桥桩基的冲刷问题[4～7]进行了讨论和规定，但部分学者考虑到河流和海洋在动力环境方面有很大不同，不能完全照河流桥墩的规定执行。因此，针对跨海大桥、平台、线路基础等海洋建筑物的桩基冲刷问题作了大量研究[8～16]。本文简要介绍海上风电桩基的冲刷机理，冲刷深度计算经验公式，并以山东某海上风电为例，进行计算。

2 冲刷机理

引起桩、柱、墩周围局部冲刷的动力因素一般可归结为潮流、波浪以及波流共同作用等3个方面。在海洋环境中，几乎所有的桩基冲刷都是由波流共同作用造成的。冲刷发生机理非常复杂，由于实验条件和认识程度所限，最初研究多是波、流分开的。随着研究的不断深入，最后逐渐过渡到对波、流作用进行耦合叠加，对波流[17]共同作用下桩基冲刷问题进行探讨。

2.1 海流作用

对桩基周围水动力情况进行观测后发现海流作用下障碍物造成的绕流及由此引发的二次流是造成桩基冲刷的主要原因。位于恒定流场中的桩基，造成

圆柱侧向绕流，并在桩基迎流面作用下形成一股向下的二次流，在水底处产生马蹄形涡流，并沿圆柱边缘流向下游，在桩后水流与桩壁分离。物理模型实验表明，二次流引起桩基周围局部冲刷主要通过以下3种方式：①桩基前方形成的旋涡，为冲刷坑围绕桩基发育的主要作用力；②由于随离底面高度的增加水流流速增大，桩基上部水头增高，自上而下压力的梯度在桩基迎流面形成强大的垂向射流，并沿桩壁下流。此种涡流的存在，使桩基前面底床冲刷，并在冲刷坑内形成相对平坦的小区;③由剥离旋涡形成的二次流在冲刷坑的迎流面附近形成较弱的反向旋涡。桩基的侧向绕流流速加大，助长了桩前旋涡侵蚀作用，加速泥沙的悬浮运移。在与流向呈90°角相交的桩基侧壁，流速可增至原来的2倍。桩基后方的梯度变化趋势与桩前相反，随离底面高度增加压力减小，这种不平衡使泥沙易随紊动水流搬运出冲刷坑。

2.2 波浪作用

在波浪作用下，结构物周围的波动水流在桩柱体两侧形成马蹄形漩涡并向下游方向移动。在原始流场作用下,波浪形成的涡流进一步助长底床冲刷作用,侧向马蹄形漩涡向下游移动则造成冲刷坑位置分散，遍布桩柱四周，见图1。

图1 波浪冲刷机理

2.3 土体特性影响

海流和波浪是造成桩基周围海底冲刷的主要原因，而土体本身的性质，使其对波、流的响应带有一定的特殊性，不同土体的破坏机制和由此而形成的桩周局部冲刷机制有所区别。

海底泥沙的起动运移是由水流和波浪形成的海底剪切应力和泥沙本身的临界剪切应力的相对大小决定的。当水力剪切力超过泥沙临界剪切应力时，则泥沙启动，海底发生冲刷。在自然状态下，海底泥沙在波浪和潮流作用下维持一种平衡，但当有建筑物立于海底后，建筑物周围泥沙平衡被破坏，出现局部冲刷。桩基立于海底之后泥沙平衡从两个方面同时遭到破坏：除了水动力场的改变，产生局部绕流和旋涡，更重要的是被扰动之后海底泥沙性状发生变化。

对没有扰动的土体，适度的波浪循环作用会打破原有的平衡，建立土体对波浪的一种适应性结构变化，向排水压密的过程发展，而土体结构力的加强将对波浪、水流产生类似于刚体的屏蔽作用，在这种情况下，海底泥沙不易起动运移产生局部冲刷。但桩基的埋设不可避免地对土体造成局部扰动，经扰动之后再沉积的土体，原有的结构及其结构力被破坏，在波浪、海流容易发生液化和剪切破坏，促使桩周发生局部冲刷，使冲刷程度加大。

3 最大冲刷深度计算

本研究选用冯秀丽[18,19]计算模式进行桩基冲刷计算，公式如下：

(1)

式(1)中：a为待定系数，本文取1.3；D为桩径，m；g为重力加速度,m/s2；H为波高，m；T为周期,s；L为波长，m；h为水深,m；vc为近底最大可能流速，m/s。

4 工程概况

本工程[20]位于山东省潍坊昌邑市境内北部莱州湾海域，风电场规划范围呈不规则多边形，风电场中心离岸直线距离约15.5 km，泥面高程在-9.2～-6.7 m，水下地形为西南高东北低。为安全起见，近底最大可能流速按实测最大垂线平均流速考虑，为52 cm/s。桩基分别选取直径2 m和6 m的圆桩进行计算。

5 计算结果

根据公式计算得到五年一遇波浪情况下研究海区桩基最大冲刷深度，见表1和表2。

表1 各方案桩基最大冲刷深度计算结果(2m桩径)

表2 各方案桩基最大冲刷深度计算结果(6m桩径)

由表1、表2知，工程区域周边2 m直径S1～S9计算点的桩基冲刷深度在1.98～2.43 m，6 m直径S1-S9计算点的桩基冲刷深度在5.40～6.64 m。冲刷深度与桩径基本一致。

6 对策与建议

桩基周围冲刷形态的总轮廓和大致深度是在桩基形成之后很短的时间内实现的。最终平衡状态需要较长时间才能完成。波流共同作用下局部冲刷机理复杂，理论研究也很不成熟，经验公式存在一些误差，且无法给出由于结构形态不同引起水流变化导致的冲刷形态、范围等，建议在工程建设期间及工程建成后，对风机基础局部冲刷情况加强监测，及时采取防护措施。