海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)樁基局部沖刷計(jì)算

王衛(wèi)遠(yuǎn)，楊娟，李睿元

（中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310014）

風(fēng)電作為清潔的可再生能源，得到了全世界的關(guān)注和重視，各國都相繼出臺(tái)了風(fēng)電發(fā)展規(guī)劃。相比于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電有著占地少、風(fēng)速大和風(fēng)向穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，因此，我國沿海各省市都在積極開展海上風(fēng)電場的建設(shè)工作。

然而，海上風(fēng)電場所處的環(huán)境條件十分復(fù)雜，風(fēng)、浪、流等氣象水文要素對風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的影響不可忽視。尤其需要注意的是，風(fēng)電場建成以后，在海洋動(dòng)力的作用下，風(fēng)機(jī)樁基周圍將產(chǎn)生局部沖刷，可能影響風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。因此，開展海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)樁基局部沖刷問題研究，具有重要的理論意義和工程價(jià)值。

目前，對于樁基局部沖刷問題的研究主要通過現(xiàn)場觀測和模型試驗(yàn)來進(jìn)行。相關(guān)單位曾對勝利埕島油田兩個(gè)海上石油平臺(tái)基礎(chǔ)周圍的水下地形進(jìn)行現(xiàn)場觀測，實(shí)測樁基最大局部沖刷深度在3.0～3.5m之間[1]。埕島油田地處黃河口附近的淤泥質(zhì)海岸，與廢黃河口附近蘇北沿海的海洋動(dòng)力、地質(zhì)等條件相似，埕島油田的實(shí)測樁基局部沖刷深度對于蘇北沿海淤泥質(zhì)海岸具有重要的參考價(jià)值。

在進(jìn)行波浪、潮流作用下樁基局部沖刷深度試驗(yàn)研究時(shí)，一般根據(jù)圓柱直徑D與波長L比值的大小分別加以討論。當(dāng)D/L＜0.2時(shí)為小直徑情況，當(dāng)D/L≥0.2時(shí)為大直徑的情況。風(fēng)機(jī)樁徑較小，通常屬于小直徑的情況。目前，已有部分相關(guān)研究成果[2-4]給出了樁基局部沖刷深度計(jì)算公式，但是，樁基局部沖刷涉及水動(dòng)力、底質(zhì)、樁徑等多種因素，問題十分復(fù)雜，現(xiàn)有的研究成果多為根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)提煉出的經(jīng)驗(yàn)公式，使用條件受到一定的限制，使用前應(yīng)利用實(shí)測資料進(jìn)行驗(yàn)證。

本文結(jié)合擬建的大豐C2特許權(quán)工程，收集與其海洋動(dòng)力、地質(zhì)條件相似的勝利埕島油田海上石油平臺(tái)樁基局部沖刷現(xiàn)場資料，利用國內(nèi)公認(rèn)較好的局部沖刷經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)測資料進(jìn)行比較，改進(jìn)計(jì)算方法，據(jù)此計(jì)算擬建工程風(fēng)機(jī)樁基的局部沖刷深度。

1 工程場區(qū)概況

擬建的大豐C2特許權(quán)工程位于大豐港外海的東沙北部海域，計(jì)劃安裝80臺(tái)單機(jī)容量為2.5MW的風(fēng)機(jī)，總裝機(jī)容量200MW。代表風(fēng)機(jī)所處水深約為-2.30m，詳見圖1。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，風(fēng)機(jī)樁徑有2.10m三樁基礎(chǔ)和4.30m單樁基礎(chǔ)兩個(gè)備選方案，海洋動(dòng)力環(huán)境和底質(zhì)中值粒徑等參數(shù)見表1。

圖1 工程場區(qū)及代表風(fēng)機(jī)位置示意圖

表1 環(huán)境參數(shù)（5 a一遇）

2 經(jīng)驗(yàn)公式及其驗(yàn)證

目前，國內(nèi)用于計(jì)算波浪、潮流作用下樁基局部沖刷深度的經(jīng)驗(yàn)公式較多，以下將重點(diǎn)介紹其中的兩個(gè)公式，并采用實(shí)測資料進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 經(jīng)驗(yàn)公式簡介

國內(nèi)樁基局部沖刷經(jīng)驗(yàn)公式中，韓海騫公式[5]和王汝凱公式[6]的計(jì)算條件較為符合本工程的實(shí)際情況。其中，韓海騫公式重點(diǎn)考慮潮流作用下小直徑圓柱周圍的局部沖刷，而王汝凱公式為考慮波流共同作用下小直徑圓柱周圍的局部沖刷。

2.1.1 韓海騫公式

韓海騫研究了潮流作用下杭州灣大橋、金塘大橋和沽渚大橋的實(shí)測沖刷數(shù)據(jù)，結(jié)合水槽試驗(yàn)（60多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)），采用因次分析法，得出了潮流作用下的局部沖刷公式，通過與實(shí)測及試驗(yàn)結(jié)果的對比，該公式可以反映出在潮流的作用下橋墩局部沖刷深度與潮流、泥沙及橋墩等各因子之間的關(guān)系，顯示出了較高的精度。

式中：hb為潮流作用下橋墩的局部沖刷深度，m；h為全潮最大水深，m，取值范圍為4.5～31.0m；B為全潮最大水深條件下平均阻水寬度（墩寬或樁徑，m），取值范圍為0.8～42.0m；d50為河床泥沙的平均中值粒徑，m，取值范圍為0.008～0.140mm；Fr為水流Froude數(shù)潮最大流速，m/s，取值范圍為1.4～8.0m/s；g為重力加速度，m/s2；k1為基礎(chǔ)樁平面布置系數(shù)，條帶型k1=1.0，梅花型k1=0.862；k2為基礎(chǔ)樁垂直布置系數(shù)，直樁k2=1.0，斜樁k2=1.176。

2.1.2 王汝凱公式

1982年，我國學(xué)者王汝凱在美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)海洋工程實(shí)驗(yàn)室做了在波、流共同作用下樁基周圍海底沖刷實(shí)驗(yàn)研究。通過多組實(shí)驗(yàn)，建立了局部沖刷深度計(jì)算公式：

式中：Nf為水流的Froude數(shù)的平方；V為行近流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；h為水深，波陡；H為波高，m；L為波長，m；T為周期，s；Ur為Ursell數(shù)，Ur=

波流合成速度；ρs為泥沙密度，kg/m3；ρ為水密度，kg/m3；d50為泥沙的中值粒徑，mm；Nrp為樁的雷諾數(shù)樁徑，m；υ為運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)，m2/s。

2.2 經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證

通過比較分析，埕島油田海域的波浪、潮流和底質(zhì)等條件與擬建工程海域較為相似，因此，可以利用埕島油田CB25C、CB12C平臺(tái)樁基局部沖刷深度的現(xiàn)場實(shí)測資料，對上述兩個(gè)公式進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)搜集的資料，埕島油田海洋動(dòng)力環(huán)境、樁徑和底質(zhì)中值粒徑等參數(shù)列于表2。

表2 埕島油田的環(huán)境參數(shù)

分別運(yùn)用韓海騫公式和王汝凱公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。從表3中可以看出，考慮波流共同作用的王汝凱公式的計(jì)算結(jié)果大于實(shí)測值，而僅考慮潮流作用的韓海騫公式計(jì)算結(jié)果小于實(shí)測值，由此可以認(rèn)為，本工程海域波浪對泥沙的作用較強(qiáng)，不可忽略。

表3 局部沖刷深度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值及實(shí)測值m

3 考慮波浪的作用

為了考慮波浪對于局部沖刷的貢獻(xiàn)，通過給定波浪水質(zhì)點(diǎn)的平均水平速度，將其與潮流速度進(jìn)行疊加，以期得到合理的波流合成速度，再運(yùn)用韓海騫公式來計(jì)算擬建工程風(fēng)機(jī)樁基的局部沖刷深度[7]。

可采用下式計(jì)算波浪水質(zhì)點(diǎn)的平均水平速度：

式中：V2為波浪水質(zhì)點(diǎn)的平均水平速度，m/s；H為波高，m；d為當(dāng)?shù)厮?，m；C為波速k為波數(shù)；k=2π/L；L為波長，m；T為波周期，s。

用波流合成速度代替潮流速度，再次利用韓海騫公式計(jì)算埕島油田的樁基局部沖刷深度，并與實(shí)測資料進(jìn)行對比，計(jì)算結(jié)果見表4。我們發(fā)現(xiàn)，考慮波浪作用后，韓海騫公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值較為接近。由此可見，此處波浪對泥沙的掀動(dòng)作用不可忽視。

表4 韓海騫公式局部沖刷深度計(jì)算值及實(shí)測值m

4 大豐C2特許權(quán)工程樁基局部沖刷計(jì)算

驗(yàn)證結(jié)果表明，兩個(gè)公式可以用于計(jì)算大豐C2特許權(quán)工程風(fēng)機(jī)樁基的局部沖刷深度。

根據(jù)表1所示的海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)，利用韓海騫公式（考慮波浪作用）和王汝凱公式，針對兩個(gè)樁徑方案，計(jì)算了擬建工程風(fēng)機(jī)樁基的局部沖刷深度（見表5）。結(jié)果表明，樁徑的增大導(dǎo)致局部沖刷深度的增大，從偏于安全的角度考慮，建議采用二者計(jì)算結(jié)果中的較大值。

表5 不同樁徑對應(yīng)的局部沖刷深度m

5 結(jié)語

考慮到江蘇省大豐沿海位于廢黃河口附近的淤泥質(zhì)海岸，故收集了類似條件下埕島油田海洋平臺(tái)樁基局部沖刷深度的現(xiàn)場觀測資料，據(jù)此對兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了驗(yàn)證，我們發(fā)現(xiàn)，對于近岸水域樁基的局部沖刷來說，由于水深較淺，波浪作用不可忽略。最后，對大豐C2特許權(quán)工程風(fēng)機(jī)樁基的局部沖刷深度進(jìn)行了計(jì)算，得到的結(jié)果對實(shí)際工程具有一定的參考價(jià)值。

[1] 仲德林，劉建立.埕島油田海上石油平臺(tái)基礎(chǔ)沖刷研究[J].海岸工程，2003，22（2）：37-43.

[2] 周玉利，王亞玲.橋墩局部沖刷深度的預(yù)測[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，19（4）：48-50.

[3] 張佰戰(zhàn)，李付軍.橋墩局部沖刷計(jì)算研究[J].中國鐵道科學(xué)，2004，25（2）：48-51.

[4] 梁利博，楊小亭，張新燕.圓柱橋墩局部沖刷的試驗(yàn)研究[J].中國農(nóng)村水利水電，2010（1）：104-109.

[5] 韓海騫.潮流作用下橋墩局部沖刷研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[6] 王汝凱.神仙溝（樁11）建油港的沖淤問題[J].海岸工程，1985，4（2）：32-38.

[7] 張瑋，濮勛，廖迎娣.淤泥質(zhì)海岸近海風(fēng)電塔基局部沖刷計(jì)算研究[J].海洋工程，2010，28（2）：105-109.