海上风电基础仿生草防冲刷试验

朱嵘华, 王恒丰, 陈鹏宇, 曾俊辉, 张融圣

(1. 浙江大学 海洋学院, 浙江 舟山 316021;2. 阳江海上风电实验室, 广东 阳江 529500)

0 引 言

海上风电基础(简称“基础”)作为海上风电机组的支撑结构，保障了海上风机的安全稳定运行。由于海洋环境复杂多变，基础周围的砂土起动后，基础在波流共同作用下容易被冲淘出巨大的冲刷坑。一旦冲刷坑形成，基础周围海床地基的土抗力将会减弱，从而造成基础承载力下降，引起风机变形失效[1-2]。针对基础冲刷严重的现状，在实际工程中出现了众多防冲刷技术方案。目前，应用较为普遍的有抛石、砂被等防护手段，但这些方法容易造成二次冲刷，往往需要多次后期维护[3]。因此，亟须开发一种更有效且经济的基础防冲刷方案。

仿生草防冲刷技术是依据海洋仿生学原理开发研制的一种海洋结构物防冲刷保护手段。仿生草采用耐海水浸泡、抗长期冲刷的高分子材料加工制成，并通过混凝土块压载、沙袋压载、锚定等方式固定于海洋结构物附近的海床上[4]。在20世纪80年代中期，英国某些研究机构开始探讨并开发仿生草防护技术，到了90年代中期，仿生草防冲刷技术在欧美部分国家开始推广应用，其主要用于海底管缆的冲刷防护。我国于90年代开始研究及应用仿生草技术，同样聚焦于海底管线的冲刷防护，并在埕岛胜利油田、平湖油气田等工程现场进行应用[5-6]。

针对仿生草的防冲刷原理，国内外学者开展相关研究：FATHI-MOGHADAM等[7]根据试验和数值模拟结果，得到仿生草在水下的糙率与高度、密度及仿生草形态有关，其中对高度的变化最为敏感；TEMPLE[8]基于试验研究和理论推导得到水中覆盖植被情况下的水流计算方法；付长静等[9]采用粒子图像测速法(Particle Image Velocimetry，PIV)测定水流中仿生草后方的流场，结果表明提高仿生草的高度和排列密度可取得良好的防护效果；吕毅[10]开展仿生草防护条件下明渠水流紊动特性试验研究，得到水流紊动特性与仿生草尺寸及排列形式之间的关系。总结上述研究，将仿生草应用于海上风电基础的冲刷防护研究较少。本文针对海上风电桩基的冲刷防护，开展室内冲刷物理模型试验，探讨仿生草对于海上风电单桩基础的防冲刷效果。

1 冲刷试验方案

1.1 海上风电项目概况

设计的冲刷试验方案模拟对象为广东湛江外罗某海上风电场，该风电场位于广东省湛江市徐闻县新寮岛及以东的近海区域。风电场内风力发电机组功率为5.5 MW，转轮直径为155 m，轮毂高度为100 m。风机基础大多为单桩基础，单桩直径为7 m。场区内工程特性如表1所示。

表1 海上风电场工程特性

场区内风机经过一段时间的服役，基础均出现不同程度的冲刷坑。通过实时三维声呐系统进行扫描，得到单桩基础冲刷情况的三维图像。某机位的冲刷坑扫测结果如图1所示。由图1可知：单桩基础周围布置抛石，说明此机位原先进行了抛石防冲刷方案，但经过长时间的波流耦合作用，单桩基础一侧出现明显的凹坑，另一侧则有石块的堆积，可能是由于抛石在海水的长期冲刷下最终集中堆积于一处。

图1 海上风电单桩基础冲刷实测

1.2 模型试验设计

1.2.1 模型试验尺寸及布置

依据广东湛江外罗某海上风电场的实际工程参数进行模型试验设计。本试验选用缩尺比为1/70。大直径单桩基础模型采用圆木，模型直径根据缩尺比设定为100 mm。由于主要研究基础冲刷特性，因此模型桩长不需要按照实际桩长进行缩尺，模型桩长度设定为600 mm。模型桩底端与300 mm×450 mm×10 mm的木板固定，以防止倾倒。海床模型砂土采用5号砂，砂的粒径为0.21～0.38 mm。模型水槽采用亚克力材料进行定制，接缝处固定加固条以防止箱体变形，模型槽尺寸设定为1 500 mm×700 mm×600 mm。

先将模型桩放置于水槽中部，再均匀地铺置模型砂，铺置厚度设置为120 mm，如图2所示。随后在水槽一端固定造浪泵用于后期模拟波浪水流，造浪泵型号为YHX-021，流量范围为0.8 万～2 万L/h，最大功率为55 W，功率可调节。水槽模拟水深设定为200 mm。分别进行无冲刷防护状态下与仿生草防护状态下的单桩冲刷模拟。仿生草采用聚丙烯制成，单根草宽为10 mm，每根仿生草有2层聚丙烯材质，草间距为5 mm。仿生草底部缝制于土工布袋上(见图3)，袋内填充砂石用于压载仿生草。

图2 模型桩与模型砂布置于水槽

图3 仿生草模型

1.2.2 模型试验工况

为模拟海上风电单桩冲刷情况及仿生草防冲刷效果，设置不同的试验工况并测量试验结果以进一步分析探究。试验工况设置如表2所示。调节不同的造浪泵功率以模拟不同的波流情况，水流流速采用LS300-A流速仪进行测定。一共设置10个工况，前4个工况为无任何冲刷防护措施下的单桩基础冲刷，水流流速从0.052 m/s递进至0.067 m/s。为探究仿生草高度对冲刷防护效果的影响，分别设置仿生草高度为10 mm、20 mm、30 mm和40 mm。由于冲刷坑形状不规则，因此需要探究最合适的仿生草布置范围。在试验中，将仿生草布置半径定义为仿生草布置端点距桩边缘的距离，布置半径分别取85 mm、170 mm和255 mm。

表2 冲刷试验工况

图4所示为正在进行的单桩基础冲刷试验，图4(a)为无防护状态下的冲刷试验，图4(b)为设置仿生草后进行的冲刷试验。在正式试验前先确定冲刷平衡时间，对工况1进行48 h冲刷监测，并每间隔12 h测量1次冲刷坑深度和冲刷范围。根据测量结果，冲刷24 h后，冲刷坑形态基本不再进一步发展，可认为冲刷24 h后，单桩冲刷已经达到平衡。工况1中流速为所有工况中最小，因此所有工况下的的冲刷时间均设定为24 h。

图4 单桩基础冲刷试验

2 试验结果探讨

冲刷工况结束后，观测冲刷坑形态，并对冲刷坑深度及冲刷半径进行测定。将试验数据汇总至图表中进行分析。无仿生草防护状态下的单桩基础冲刷坑形态如图5所示。冲刷坑总体呈水滴形态，桩基附近的冲刷坑范围较大，桩后(迎流面为桩前，背流面为桩后，下同)冲刷坑范围随着距离的增大而逐渐收缩。对于冲刷坑深度，桩前的冲刷坑深度最大，桩基两侧的冲刷坑深度也较大，桩基正后方形成一个小坡，冲刷坑深度明显小于桩周其他位置。桩后冲刷坑距离桩越远，其深度也越小。上述现象的产生是由于本次试验模拟水流采用单向流作用，在水流向前推移过程中，遇到桩基后，流体下降，并受底床及桩身的约束与尾涡低压中心的牵引，形成竖向旋转的马蹄形涡。侧向绕过桩基的流体产生交替脱落的水平尾涡。桩周床面泥沙受到涡流的拖曳力作用被携带至下游沉积[11]。因此，桩周的冲刷坑深度较深，而距离桩越远，涡流作用力越小，冲刷深度则越浅。

图5 无防护情况下单桩基础冲刷坑

设置仿生草防护后，单桩基础冲刷坑形态如图6所示。

图6 仿生草防护下单桩基础冲刷坑

由图6可知，与无任何防护状态下的冲刷坑相比，在仿生草防护后，冲刷坑深度明显变浅，并且在仿生草上部观测到泥沙颗粒的堆积，说明仿生草能够抑制泥沙运动、促进悬沙淤积，具备一定的防冲刷效果。

2.1 流速对单桩基础冲刷的影响

探讨在无任何防护措施的情况下流速对单桩基础冲刷的影响，结果如图7所示。

图7 冲刷坑随流速的变化

图7(a)为冲刷坑深度随着流速的变化，图7(b)为冲刷坑半径随着流速的变化。冲刷坑深度为冲刷坑最深处距冲刷前泥面的距离测量值。冲刷坑半径定义为桩基中心距桩基两侧冲刷坑最远的距离。由图7可知，冲刷坑深度和半径均随着流速的增大而增大。这是由于水流速度越大，底床切应力越大，水流携沙能力也随之增强，因此冲刷也越严重。由图7(a)可知：冲刷坑深度增大幅度随着流速的增加而减小；当流速从0.052～0.057 m/s，再至0.062 m/s，最后为0.067 m/s时，冲刷坑深度分别增长50.0%、6.7%和1.3%；当流速达0.062 m/s后，流速增长对冲刷坑深度的影响已不明显。由图7(b)可知：冲刷坑半径增大幅度受流速增加的影响较小；流速逐步增大，冲刷坑半径的增大幅度分别为11.1%、10.0%和4.5%。

2.2 仿生草高度对防冲刷效果的影响

由第2.1节分析可知，流速达0.062 m/s后，冲刷坑深度随流速增长的变化幅度不大。因此，在之后的工况中，将流速固定为0.062 m/s。为研究仿生草高度对单桩基础防冲刷效果的影响，改变仿生草的高度，而固定仿生草布置半径为170 mm。不同仿生草高度下的冲刷坑形态变化如图8所示。

图8 冲刷坑随仿生草高度的变化

由图8可知，随着仿生草高度的增加，冲刷坑深度与半径均有所下降，表明仿生草高度越高，防冲刷效果越好。由图8(a)可知：仿生草高度每增加10 mm，冲刷坑深度与前者相比分别减小28.8%、24.6%、23.3%和3.0%。由图8(b)可知：仿生草高度每增加10 mm，冲刷坑半径与前者相比分别减小35.2%、26.9%、21.1%和2.0%。无论是冲刷坑半径还是冲刷坑深度，其减小幅度均随着仿生草高度的增加而降低。这表明仿生草防冲刷效果与仿生草高度之间为非线性关系，仿生草高度达30 mm后，再增加仿生草高度对其防冲刷效果不再有显著影响。在所模拟的工况中，仿生草最适宜高度为30 mm，在原型中尺寸换算为1.5 m。

2.3 仿生草布置半径对防冲刷效果的影响

由于冲刷坑面积较大，因此需要探究仿生草布置范围对防冲刷效果的影响。固定仿生草高度为30 mm，设置3种不同的仿生草布置半径，分别为85 mm、170 mm和255 mm。不同仿生草布置半径下的单桩冲刷坑形态变化如图9所示。

图9 冲刷坑随仿生草布置半径的变化

由图9可知，仿生草布置范围越广，冲刷坑深度和半径均越小。由图9(a)可知：仿生草布置半径每增加85 mm，冲刷坑深度与前者相比分别减小36.3%、35.3%和15.2%。由图9(b)可知：仿生草布置半径每增加85 mm，冲刷坑半径与前者相比分别减小48.2%、27.9%和5.9%。这表明仿生草布置范围并不是越大越好，综合考虑防冲刷效果及经济性，仿生草布置半径存在最优值。在所研究工况下，当仿生草布置半径设置为170 mm(即1.7倍桩径)时，其防冲刷效果较好，若再增加布置范围，防冲刷效果增加不明显。

3 结 论

为探究仿生草对于海上风电基础的防冲刷效果及工程应用价值，开展单桩基础仿生草防冲刷模型试验，分析单桩基础冲刷坑的演变过程以及不同仿生草尺寸及布置方式对单桩基础冲刷坑的影响。根据试验结果对海上风电仿生草防冲刷工程做出建议：

(1) 水流遇到单桩基础后形成竖向旋转的马蹄形涡和侧向绕过桩基的水平尾涡。桩周床面泥沙受到涡流的拖曳力作用被携带至下游沉积。因此,桩周的冲刷坑深度较大,而距离桩越远,涡流作用力越小,冲刷深度则越浅。水流速度越大,单桩基础冲刷越严重。

(2) 对海上风电单桩基础进行仿生草防护后,冲刷坑深度明显变浅。仿生草能够抑制泥沙运动、促进悬沙淤积,具备一定的防冲刷效果。

(3) 仿生草防冲刷效果与仿生草高度之间为非线性关系。仿生草高度达30 mm后,再增加仿生草高度对防冲刷效果不再有显著影响。在所模拟的工况下,仿生草最适宜高度为30 mm,原型为1.5 m。

(4) 综合考虑防冲刷效果及经济性,仿生草布置半径存在最优值。在所研究工况下,当仿生草布置半径设置为170 mm(即1.7倍桩径)时,其防冲刷效果较好,若再增大布置半径,防冲刷效果增加不明显。

(5) 在试验过程中发现仿生草存在一定的倾覆现象,受试验条件的影响,未能进一步探究仿生草倾覆的主要影响因素及仿生草倾覆对冲刷防护效果的影响,后续将进一步开展研究。