復合筒型風電基礎單向流局部沖刷試驗研究

于通順，練繼建，齊 越，王鴻振

（1.中國海洋大學 工程學院，山東 青島 266100；2.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；3.山東高速青島發(fā)展有限公司，山東 青島 266100）

1 引言

近海風電結構在我國沿海已大規(guī)模建設[1]，這些近海風電場有相當大一部分是建立在大洋環(huán)流地帶或潮間帶，受到單向海流或潮流的作用非常明顯。海流作用下風電基礎周圍的沖刷會明顯影響風機結構穩(wěn)定性，海上風電支撐結構的穩(wěn)定性已成為海岸與近海工程學科近年來關注的熱點課題，最大沖刷深度也成為風電基礎設計的重要參數(shù)之一。復合筒型基礎[2－3]是一種新型的寬淺式海上風電基礎，其抗傾覆能力強，適用于軟弱地基，目前已成功應用到江蘇啟東地區(qū)的風電開發(fā)中[4]（如圖1所示）。相對于樁基礎等深基礎，復合筒型基礎周圍地基的沖刷破壞對風機結構體系安全性的影響更加明顯，因此，研究復合筒型基礎地基局部沖刷特性很有必要。

圖1 風力發(fā)電結構體系Fig.1 Wind power structural system

關于海流作用下風電基礎[5－7]局部沖刷以及河流中橋墩[8－9]的沖刷已經(jīng)展開，這些研究的對象主要集中于海上風電單樁或多樁基礎以及各種直立體型的橋墩，針對復合筒型基礎這種新型結構局部沖刷的研究相對較少。結合單樁繞流情況[10]及數(shù)值模擬，可以對復合筒型基礎周圍的繞流情況有定性的了解（如圖2所示），由圖可見，其繞流情況較樁基礎更加復雜。趙雁飛[11]采用數(shù)值方法詳細研究了海流作用下復合筒型基礎局部沖刷情況，得出了一些結論，這些結論能否應用于工程實踐尚需試驗驗證。因此，為填補海流作用下復合筒型基礎沖刷試驗研究的空白，本文借鑒橋墩等基礎沖刷試驗的研究方法[12－14]，建設了復合筒型基礎沖刷試驗場地，采用系列比尺模型的方法[15]進行了復合筒型基礎局部沖刷試驗，研究了單向流作用下復合筒型基礎的沖刷特點，明確了實際工程中復合筒型基礎最大局部沖刷深度，為工程設計提供了指導。

圖2 復合筒型基礎周圍繞流情況Fig.2 Flow field around composite bucket foundation

2 模型試驗概況

2.1 工程背景

工程位于江蘇響水地區(qū)，單機裝機容量為3 MW，風機基礎采用復合筒型基礎。工程所處海域水深為10 m，海流流速為1.32 m/s，土質(zhì)為粉砂，級配曲線如圖3所示。從級配曲線圖可以看出，泥沙中值粒徑d50=0.12 mm，泥沙粒徑介于0.04～0.25 mm之間，顆粒分配比較均勻。

圖3 顆粒級配曲線Fig.3 The grading curve of the sediment

2.2 試驗場地介紹

物理模型試驗在天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室的沖刷水槽中進行，水槽長為35 m，寬為7 m，深為1.6 m，如圖4所示。整個試驗場地由造流控制系統(tǒng)、自動定位系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、整流系統(tǒng)等構成。造流控制系統(tǒng)（如圖4(a)）中通過編寫軟件控制變頻泵以在場地中產(chǎn)生恒定流速的水流。定位系統(tǒng)（如圖4(d)）中通過計算機遙控軟件控制鋁合金型材導軌前后左右滑動，可以實現(xiàn)測量儀器的精確定位。整個試驗過程中流速及沖刷深度的測量由ADV聲學多普勒點式流速儀（如圖4(e)）完成。

圖4 沖刷試驗場地Fig.4 Test site for scour experiment

2.3 試驗模型介紹

復合筒型基礎原型由鋼筋（包括預應力鋼筋）、混凝土、鋼板（用作分倉板）構成，直徑為30 m，筒高為6 m，筒裙厚為0.4 m，筒頂厚為0.3 m。選擇動床沖刷模型試驗中最常用到的系列比尺模型的方法進行試驗，工程原型中最大沖刷深度可依據(jù)下式進行計算：

式中：λh為模型比尺；Xm為比尺λh所對應的試驗最大沖刷深度值，從理論上講，一般選擇兩組不同比尺的試驗即可獲取式（1）中未知量Xy、α 的值。當Xy、α 確定后，令 λh=1或lgλh=0即可確定實際工程中的最大沖刷深度mmax X。為增加試驗結果的準確性，本試驗選取3組模型比尺進行沖刷試驗。根據(jù)復合筒型基礎原型尺度及試驗場地的范圍，經(jīng)過綜合比選，確定模型比尺為1:20、1:40和1:70，復合筒型基礎模型如圖5所示。

圖5 復合筒型基礎模型Fig.5 Model of composite bucket foundation

單向流作用下結構物局部沖刷的模型試驗中，應滿足幾個相似條件：重力相似、幾何相似和阻力相似。根據(jù)運動方程和連續(xù)性方程，可得3組模型比尺試驗中流速與水深參數(shù)，如表1所示。

表1 試驗造流參數(shù)表Table 1 Experiment parameters of unidirectional current

2.4 地形測點布置

為了準確監(jiān)測沖刷過程中復合筒型基礎模型周圍地形的變化情況以及判斷沖刷是否達到平衡狀態(tài)，在模型周圍選取了8個特征監(jiān)測點，以1:20模型為例，每個特征監(jiān)測點的布置如圖6所示。各個特征監(jiān)測點沿著圓周均勻?qū)ΨQ布置，每個監(jiān)測點距離復合筒型基礎模型外壁的距離為100 mm，為了方便說明，將①～⑧號特征監(jiān)測點按照如下命名規(guī)則進行命名：①號點定義為0°監(jiān)測點，②號點定義為45°監(jiān)測點，以此類推，⑧號點定義為315°監(jiān)測點。試驗過程中，每間隔1 h對模型周圍8個監(jiān)測點進行沖刷深度的測量，繪制沖刷深度隨時間變化的歷時曲線，如果所有監(jiān)測點連續(xù)3次測量的沖刷深度相等或者變化幅度非常小，可以認為沖刷已經(jīng)達到平衡狀態(tài)。

圖6 監(jiān)測點布置圖Fig.6 Locations of monitoring points

在沖刷過程中，除了布置典型測點之外，在垂直于來流方向還設置了特征監(jiān)測剖面，布置位置如圖7所示（同樣以1:20模型為例）。試驗共設置了兩個特征監(jiān)測剖面，在復合筒型基礎兩側呈對稱布置，兩個特征剖面距離基礎中心均為0.85 m，每個特征剖面上均勻設置了35個監(jiān)測點（特征剖面1上有1～35號測點、特征剖面2上有36～70號測點），相鄰兩個測點的距離為50 mm。試驗過程中，每間隔1 h對特征剖面各點進行測量，繪制剖面各點隨時間變化的歷時曲線，觀測沖刷坑的發(fā)展過程。

圖7 監(jiān)測剖面布置圖Fig.7 Locations of monitoring profiles

當試驗達到?jīng)_刷平衡以后，需對模型周圍一定區(qū)域內(nèi)的地形進行沖刷深度測量，以繪制沖刷地形圖。具體測量區(qū)域要根據(jù)實際沖刷的范圍來確定，本次試驗中，測量區(qū)域的范圍為3.6 m×3.6 m（同樣以1:20模型為例），如圖8所示。為了減少測試時間，同時盡可能詳細地反映沖刷坑的形態(tài)，模型兩側的區(qū)域采用每隔100 mm取一測點進行深度測量，在沖刷較為嚴重的位置處采用局部加密測量的方法，局部加密測量區(qū)域每隔50 mm取一測點進行深度測量，整個區(qū)域共計2 500多個測點，測量完畢大約需要12 h。獲取各個測點沖刷深度后即可通過TECPLOT軟件繪出基礎周圍局部沖刷地形圖。

圖8 地形測點布置圖Fig.8 Locations of measuring points for topography

3 單向流下基礎局部沖刷試驗分析

本試驗分別研究了比尺為1:20、1:40、1:70的復合筒型基礎模型在單向流作用下的沖刷情況，通過試驗發(fā)現(xiàn)，各個比尺模型試驗中沖刷特性相似，因此，本節(jié)主要以1:20比尺模型試驗為例來說明復合筒型基礎地基的局部沖刷特點，各數(shù)據(jù)均為模型試驗原始數(shù)據(jù)，沒有進行比尺換算。

3.1 沖刷平衡時間

單向流作用下1:20比尺模型試驗中模型周圍8個監(jiān)測點沖刷深度隨時間的變化曲線如圖9所示（負值絕對值越大表示沖刷深度越大）。從圖可以看出，在整個沖刷過程中，③號（90°）到⑦號（270°）5個監(jiān)測點的沖刷深度波動范圍比較小，一直在平衡位置附近波動，最大波動范圍只有2 cm。①號（0°）號監(jiān)測點的沖刷深度穩(wěn)定上升，②號（45°）、⑧號（315°）兩個監(jiān)測點的沖刷深度波動比較大，一直呈現(xiàn)出深度不斷增加的趨勢。所有監(jiān)測點的沖刷深度在34～36 h之內(nèi)基本不再發(fā)生變化。表明此時沖刷已經(jīng)達到平衡狀態(tài)，所以此組試驗的沖刷平衡時間為36 h。在沖刷過程中，監(jiān)測點沖刷深度出現(xiàn)波動，可以認為是由于水流作用下海床地基沙波不斷推進引起的[16]。

3.2 沖刷坑形態(tài)

3.2.1 特征剖面演化過程

單向流作用下1:20比尺模型試驗中特征剖面1、2中35個測點沖刷深度的演化曲線分別如圖10、11所示。從圖10可以看出，隨著沖刷過程地進行，特征剖面1（復合筒型基礎模型后方）上受到明顯沖刷的特征點的個數(shù)不斷增多，沖刷深度也不斷增大。從圖中可以看出，特征剖面1處形成2個沖刷坑，監(jiān)測到的最大沖刷深度達到124 mm，沖刷范圍幾乎貫穿整個特征剖面。從如圖11可以看出，特征剖面2上各監(jiān)測點的沖刷深度波動（同樣由于水流作用下海床地基沙波不斷推進引起）幅度很小，未發(fā)生明顯的沖刷現(xiàn)象，某些位置甚至出現(xiàn)了輕微的淤積。

圖9 監(jiān)測點沖刷歷時曲線Fig.9 Duration curves of monitoring points

圖10 特征剖面1沖刷歷時曲線Fig.10 Duration curves of monitoring profile No.1

圖11 特征剖面2沖刷歷時曲線Fig.11 Duration curves of monitoring profile No.2

3.2.2 沖刷坑形態(tài)及范圍

待沖刷平衡后，依據(jù)圖8所示測點進行基礎周圍地形的測量。測量完畢后，將水槽中的水放掉，發(fā)現(xiàn)復合筒型基礎模型后方形成了兩個沖刷坑，對沖刷坑進行編號，如圖12所示?？梢钥闯?，復合筒型基礎模型周圍出現(xiàn)明顯的沙波，模型的前方（如圖12(c)所示）基本不發(fā)生沖刷，模型兩側的床面發(fā)生了非常輕微的沖刷。特征剖面1恰好穿過兩個沖刷坑內(nèi)部，從沖刷坑的范圍來看，兩個沖刷坑均呈現(xiàn)“寬胖”型，沖刷坑的中心位置沖刷最為嚴重，單向流作用下復合筒型基礎僅一側為迎水面，沖刷坑形態(tài)呈前深、后淺的勺狀。①號沖刷坑與②號沖刷坑基本呈現(xiàn)對稱分布。用直尺對沖刷坑中最大沖刷深度點的深度值進行測量，最大沖刷深度約為150 mm，并記錄最大沖刷深度點的位置。

圖12 沖刷平衡后地形圖Fig.12 Topography after scouring balance

將各點沖刷深度導入TECPLOT軟件并進行適當內(nèi)插處理即可繪出1:20模型沖刷地形圖，如圖13所示。

在沖刷坑形成的過程中，沖刷坑沿著模型壁面逐漸向中心線方向發(fā)展，越靠近中心位置，沖刷坑的范圍越大，待沖刷坑的基本形狀形成以后，沿著水流的方向，逐漸向后方發(fā)展，如圖14所示。因此，選用圖中a、b、W、L 以及最大沖刷深度 Zmax5個參數(shù)來表征沖刷坑的幾何形態(tài)，各個沖刷坑的特征尺寸如表2所示。

3.3 原型最大沖刷深度

通過3個比尺的沖刷試驗得到了單向流作用下1:20、1:40、1:70比尺模型對應的最大沖刷深度分別為150、80、40 mm。利用系列比尺模型的方法，將3個比尺下各自對應的最大沖刷深度值繪制在雙對數(shù)坐標紙上進行外延，即可得到筒型基礎原型的最大沖刷深度值，如圖15所示。從圖中可以看出，在水深為10 m，流速為1.32 m/s的單向流作用下，此復合筒型基礎周圍中值粒徑為0.12 mm的粉砂質(zhì)海床最大局部沖刷深度為3.5 m。

圖13 TECPLOT繪制的沖刷平衡后地形圖Fig.13 Topography after scouring balance by TECPLOT

圖14 沖刷坑形態(tài)示意圖Fig.14 Schematic diagram of scour hole

表2 沖刷坑尺寸表Table 2 Size of scour hole

圖15 單向流下復合筒型基礎局部沖刷深度與比尺的關系Fig.15 Relationship between scour depth around composite bucket foundation and scale under unidirectional current

4 結論

（1）建設了復合筒型基礎沖刷試驗場地，研制了造流及測試系統(tǒng)，為同類問題的解決提供了借鑒。

（2）明確了單向海流作用下復合筒型基礎地基局部沖刷特性，考察了復合筒型基礎局部沖刷的沖刷平衡時間、沖刷坑的形態(tài)范圍、最大沖刷深度，填補了復合筒型基礎單向流局部沖刷研究的空白。

（3）通過系列比尺模型的方法得出：水深為10 m，流速為1.32 m/s的單向流作用下，復合筒型基礎周圍中值粒徑為0.12 mm的粉砂質(zhì)海床最大沖刷深度為3.5 m，為實際工程提供了指導。

（4）本文進行了單向流作用下復合筒型基礎地基局部沖刷的試驗研究，為便于復合筒型基礎的推廣應用，潮流及波浪與水流共同作用下復合筒型基礎沖刷特性的研究需進一步展開。

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