海洋污損生物對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的影響

(上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 上海 200234)

0 引 言

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮因素復(fù)雜，對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電成本影響大，在整個(gè)海上風(fēng)電設(shè)計(jì)中占有重要地位，已成為海上風(fēng)力發(fā)電研究的重要課題。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要分為重力式基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、吸力式基礎(chǔ)和浮式基礎(chǔ)。海上風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)又可分為單樁基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)、三腳架/四腳架基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)等。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在設(shè)計(jì)使用壽命期內(nèi)受多種類型的荷載，包括自重、操作荷載、環(huán)境荷載及偶然荷載等[1]影響。環(huán)境荷載由風(fēng)、浪、流、冰、地震等引起，其中波浪和水流產(chǎn)生的水動(dòng)力載荷占較大比重。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)建造完成后，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上某些位置的淹沒桿件表面在一定時(shí)間后會(huì)被多種類型的海洋污損生物附著，這些海洋污損生物的附著會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)產(chǎn)生一定影響。關(guān)于海洋污損生物對(duì)海上結(jié)構(gòu)物影響的研究工作起步較晚并且內(nèi)容較少。WOLFRAM等[2]基于包含真實(shí)海洋污損生物的試驗(yàn)確定附著海洋污損生物的圓柱體結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力因數(shù)，發(fā)現(xiàn)海洋污損生物使管狀桿件的直徑增大了50～100 mm，同時(shí)增加了粗糙度，進(jìn)而導(dǎo)致拖曳力因數(shù)增大70%左右。THEOPHANATOS[3]深入研究海洋污損生物及其對(duì)海上結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力載荷的影響發(fā)現(xiàn)，海洋污損生物顯著增加了水動(dòng)力載荷，這種增長(zhǎng)因海洋污損生物的類型而異，拖曳力的增加主要由海帶引起。MSUT等[1]分析指出海洋污損生物的附著對(duì)海上結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力載荷有顯著影響并從理論上闡述海洋污損生物的種類、分布及其對(duì)海上結(jié)構(gòu)物的影響，同時(shí)討論控制和移除海洋污損生物的幾種常見方法。SCHOEFS[4]基于一種能夠?yàn)槌惺軜O端荷載和疲勞荷載的海上結(jié)構(gòu)物上的荷載變量提供顯式近似的響應(yīng)面法，通過(guò)數(shù)值分析研究海洋污損生物的影響。SHI 等[5]基于模型試驗(yàn)研究50 m水深中導(dǎo)管架基礎(chǔ)受到的不同厚度和密度的海洋污損生物以及不同水動(dòng)力因數(shù)的影響發(fā)現(xiàn)：海洋污損生物厚度顯著影響水動(dòng)力載荷的極大值和支撐結(jié)構(gòu)的第三階固有頻率，但是對(duì)第一階固有頻率的影響較??；慣性系數(shù)對(duì)第二階和第三階固有頻率的影響大；密度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小。AMERYOUN 等[6]基于響應(yīng)面法利用隨機(jī)模型模擬海洋污損生物的粗糙度，研究幾內(nèi)亞灣的導(dǎo)管架平臺(tái)，發(fā)現(xiàn)水動(dòng)力載荷對(duì)粗糙度異常敏感。Al-YACOUBY等[7]基于試驗(yàn)研究海洋污損生物對(duì)剛性圓管柱體結(jié)構(gòu)水動(dòng)力因數(shù)的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)2.31 m直徑的管狀結(jié)構(gòu)上海洋污損生物平均厚度為110 mm時(shí)，水動(dòng)力載荷增加16%～90%，具體與波高和頻率有關(guān)。WRIGHT等[8]基于數(shù)值模型研究海洋污損生物對(duì)張力腿平臺(tái)浮式風(fēng)機(jī)的動(dòng)力影響發(fā)現(xiàn)，海洋污損生物厚度對(duì)平臺(tái)的影響遠(yuǎn)大于粗糙度對(duì)平臺(tái)的影響，時(shí)間不變阻力系數(shù)法與時(shí)變雷諾數(shù)阻力系數(shù)法結(jié)果一致。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于海洋污損生物的研究基本上局限于南海和渤海，而且大多數(shù)研究重點(diǎn)是海洋污損生物的種類組成、分布及發(fā)展變化規(guī)律等，對(duì)海洋污損生物影響的研究很少。黃宗國(guó)等[9-10]分別對(duì)渤海灣、瓊州海峽和雷州半島的污損生物進(jìn)行研究。黃修明等[11]研究渤海石油平臺(tái)的附著生物生態(tài)。曾地剛等[12]研究東海污損生物群落的種類組成和分布。嚴(yán)濤等[13-14]分別對(duì)南海一些海域的污損生物進(jìn)行研究。嚴(yán)濤等[15]綜合論述海洋污損生物對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物的影響和中國(guó)近海污損生物的研究進(jìn)展、存在問(wèn)題等，并對(duì)未來(lái)的研究方向和重點(diǎn)進(jìn)行探討。

基于之前的相關(guān)研究，本文首先簡(jiǎn)要介紹海洋污損生物的定義和種類，然后總結(jié)歸納水動(dòng)力載荷的相關(guān)理論，最后根據(jù)福建海域的水文地質(zhì)資料,使用結(jié)構(gòu)分析軟件SACS建立3種海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式——導(dǎo)管架、高樁承臺(tái)和單樁的模型并計(jì)算分析海洋污損生物產(chǎn)生的不同附著厚度和表面粗糙度對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響，從而弄清楚海洋污損生物的作用機(jī)理和影響程度。

1 海洋污損生物

海洋污損生物被定義為棲息或附著在任何海上固定或浮式結(jié)構(gòu)物表面的動(dòng)物、植物和微生物等有機(jī)體的總稱。海洋污損生物形成的過(guò)程大概是：最初兩到三周時(shí)間內(nèi)某些細(xì)菌附著在結(jié)構(gòu)物表面并形成一層黏液層，使鋼表面的物理和化學(xué)性能發(fā)生改變從而為其他硬質(zhì)污損生物群落的棲息鋪平了道路[3]。根據(jù)地理位置，兩到三年后一個(gè)由軟質(zhì)的污損生物組成的次級(jí)污損生物群落過(guò)度生長(zhǎng)并超越硬質(zhì)污損生物占據(jù)主導(dǎo)，同時(shí)海藻開始在靠近水面的區(qū)域出現(xiàn)[3]。一般地，所有的海洋生物都直接競(jìng)爭(zhēng)空間、食物和光，因此在食物充足、水溫較高的水面處海洋污損生物的厚度更顯著。海洋污損生物可分為3大類：硬質(zhì)海生物、軟質(zhì)海生物和細(xì)長(zhǎng)海草。硬質(zhì)海生物包括藤壺、牡蠣、貽貝、雙殼類和管狀細(xì)菌。軟質(zhì)海生物由海藻、軟珊瑚、海綿、?？⑺?、海草和藻類組成。細(xì)長(zhǎng)海草是海帶，也可被視為軟質(zhì)海生物，是唯一具有較大尺寸的海生物。海洋污損生物的分布和物理特征主要受地理位置、水深、水溫、季節(jié)、水流、結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)和運(yùn)行等因素的影響。

2 水動(dòng)力載荷

水動(dòng)力載荷是由波浪水流與結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的，是海洋結(jié)構(gòu)物所受環(huán)境荷載的重要組成部分，包括波浪荷載和水流荷載，其中波浪荷載占主導(dǎo)。

在計(jì)算圓管結(jié)構(gòu)所受波浪荷載時(shí)，需根據(jù)桿件直徑D與波長(zhǎng)L的比值選擇合適的計(jì)算理論：

本文采用的3種風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式都可視為細(xì)長(zhǎng)桿件結(jié)構(gòu)，桿件直徑D與波長(zhǎng)L的比值小于0.20(見表1)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的影響忽略不計(jì)，可采用Morison方程計(jì)算。

表1 3種風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式桿件的直徑與波長(zhǎng)比

Morison方程表達(dá)了作用在單位長(zhǎng)度圓管結(jié)構(gòu)上的總波浪力，包括拖曳分量和慣性分量?jī)刹糠郑?jì)算式為

(1)

在Morison方程中，因數(shù)(拖曳力因數(shù)和慣性因數(shù))以及根據(jù)波浪運(yùn)動(dòng)理論計(jì)算得到的水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度對(duì)波浪荷載的計(jì)算結(jié)果影響最大，選擇合適的因數(shù)和波浪理論很重要。本文依據(jù)DNV-OS-J101[17]和海港水文規(guī)范(JTS 145-2-2013)的相關(guān)規(guī)定選擇波浪理論并確定因數(shù)。當(dāng)結(jié)構(gòu)所處海域水流流速較大時(shí)，應(yīng)考慮水流荷載。計(jì)算水流荷載時(shí)首先應(yīng)確定水流流速，然后將水流流速代入Morison方程中即可。

3 樁基礎(chǔ)計(jì)算模型

根據(jù)福建A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)等3個(gè)海域的基本情況，采用結(jié)構(gòu)分析軟件SACS分別建立導(dǎo)管架基礎(chǔ)、高樁承臺(tái)基礎(chǔ)和單樁基礎(chǔ)模型，如圖1所示。各基礎(chǔ)模型的計(jì)算輸入?yún)?shù)如表2～表4所示。

圖1 SACS計(jì)算模型示例

構(gòu)件名稱外直徑/m壁厚/mm密度/(kg·m-3)泥面高程/m頂高程/m塔筒過(guò)渡段6.0070～857 850上部斜撐3.5038～507 850下部斜撐1.50～2.0030～507 850X撐0.61～0.7122～407 850下部樁基2.00～2.4030～507 850-53.823.0

表3 高樁承臺(tái)基礎(chǔ)模型主要輸入?yún)?shù)

表4 單樁基礎(chǔ)模型主要輸入?yún)?shù)

4 海洋生物附著對(duì)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響

選擇兩個(gè)比較重要的關(guān)于海洋生物附著的影響因素——海生物平均附著厚度、表面粗糙度k，采用控制變量法分別將影響因素輸入SACS中，通過(guò)靜力和模態(tài)計(jì)算得到一些基本物理量的值，諸如結(jié)構(gòu)受到的水動(dòng)力載荷、基底剪力/傾覆力矩、內(nèi)力/位移、頻率。分析比較這些物理量的變化，研究海洋生物附著對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

4.1 海生物平均附著厚度和表面粗糙度的設(shè)置

海生物平均附著厚度通過(guò)改變圓管結(jié)構(gòu)直徑和質(zhì)量等影響結(jié)構(gòu)。在模型計(jì)算考慮海生物平均附著厚度的影響時(shí)：分別將海生物的平均附著厚度設(shè)置7個(gè)不同的數(shù)值；將海生物密度統(tǒng)一設(shè)置；拖曳力因數(shù)Cd和慣性因數(shù)Cm按照海港水文規(guī)范規(guī)定，光滑時(shí)Cd取1.2、Cm取2.0，粗糙時(shí)Cd和Cm分別乘以增大因數(shù)n；表面粗糙度k統(tǒng)一取0.05 m。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表5所示。

表5 考慮不同海生物平均附著厚度的參數(shù)設(shè)置

表面粗糙度通過(guò)改變水動(dòng)力因數(shù)(拖曳力因數(shù)Cd和慣性因數(shù)Cm)影響結(jié)構(gòu)。在模型計(jì)算考慮表面粗糙度的影響時(shí)，根據(jù)DNV-OS-J101，在無(wú)實(shí)測(cè)資料的情況下，對(duì)于海洋生物附著的情況，假定k=0.005～0.050，在模型中分別將k取11個(gè)不同的數(shù)值。然后，根據(jù)DNV-OS-J101的相關(guān)公式分別計(jì)算Cd和Cm。海生物平均附著厚度和密度統(tǒng)一設(shè)置。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表6所示。

表6 考慮不同表面粗糙度的參數(shù)設(shè)置

分別采用福建A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)等3個(gè)海域的水文和地質(zhì)資料，進(jìn)行靜力和模態(tài)計(jì)算。

4.2 水動(dòng)力載荷

模型靜力計(jì)算得到的水動(dòng)力載荷結(jié)果如圖2所示。

圖2 水動(dòng)力載荷的變化曲線

3個(gè)海域的水動(dòng)力載荷均隨海生物平均附著厚度的增加而增大。當(dāng)厚度達(dá)到150 mm時(shí)，A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)的水動(dòng)力載荷相比厚度為0 mm時(shí)分別增大34.4%、27.9%和30.8%。當(dāng)表面粗糙度從0 m增大到0.005 m時(shí)，A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)的水動(dòng)力載荷分別增長(zhǎng)32%、11.5%和3.1%，此后A區(qū)和B區(qū)的水動(dòng)力載荷隨表面粗糙度的增大先緩慢增加然后趨于穩(wěn)定，而C區(qū)的水動(dòng)力載荷隨表面粗糙度的增大一直緩慢增加(由于Cd未達(dá)到穩(wěn)定)。

4.3 基底剪力與傾覆力矩

模型靜力計(jì)算得到的基底剪力結(jié)果如圖3所示。

圖3 基底剪力的變化曲線

模型靜力計(jì)算得到的傾覆力矩結(jié)果如圖4所示。

圖4 傾覆力矩的變化曲線

3個(gè)海域的基底剪力和傾覆力矩均隨海生物厚度的增加而增大。當(dāng)厚度達(dá)到150 mm時(shí)：A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)的基底剪力與厚度為0 mm時(shí)相比分別增大26.7%、12.5%和21.1%；A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)的傾覆力矩與厚度為0 mm時(shí)相比分別增大12.4%、1.8%和6.0%。A區(qū)和B區(qū)的基底剪力和傾覆力矩隨表面粗糙度的增加先快速增大然后緩慢增長(zhǎng)最后趨于穩(wěn)定，C區(qū)的基底剪力和傾覆力矩一直隨表面粗糙度的增加而增大。

4.4 桿件UC、拔力與泥面轉(zhuǎn)角

分別選取A區(qū)導(dǎo)管架基礎(chǔ)的桿件最大UC、B區(qū)高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的樁基最大拔力和C區(qū)單樁基礎(chǔ)的泥面最大轉(zhuǎn)角等3個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表7和表8所示。

表7 桿件最大UC、最大拔力和泥面轉(zhuǎn)角隨海生物平均附著厚度變化

續(xù)表7 桿件最大UC、最大拔力和泥面轉(zhuǎn)角隨海生物平均附著厚度變化

表8 桿件最大UC、最大拔力和泥面轉(zhuǎn)角隨表面粗糙度變化

從表7和表8可知：A區(qū)導(dǎo)管架基礎(chǔ)的桿件最大UC、B區(qū)高樁承臺(tái)基礎(chǔ)的樁基最大拔力和C區(qū)單樁基礎(chǔ)的泥面最大轉(zhuǎn)角均隨海生物平均附著厚度的增加而增大，隨著表面粗糙度的增加先增大后趨于穩(wěn)定。

4.5 頻率

經(jīng)模態(tài)計(jì)算和分析，3個(gè)海域的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)一、二階頻率幾乎不受海生物平均附著厚度和表面粗糙度的影響，僅三階頻率稍微受到影響。模態(tài)計(jì)算得到的三階頻率結(jié)果如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)三階頻率的變化曲線

從圖5可知：3個(gè)海域的風(fēng)機(jī)三階頻率均隨海生物平均厚度的增加而減小，其中B區(qū)的高樁承臺(tái)基礎(chǔ)頻率變化不明顯；A區(qū)風(fēng)機(jī)三階頻率隨表面粗糙度的增加而減小，而B區(qū)和C區(qū)的風(fēng)機(jī)三階頻率幾乎不受表面粗糙度的影響。

5 結(jié) 論

(1) 海洋污損生物主要通過(guò)增加桿件直徑、質(zhì)量和拖曳力因數(shù)影響海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，平均附著厚度和表面粗糙度是2個(gè)主要指標(biāo)，拖曳力因數(shù)隨二者的增大而增大。

(2) 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的水動(dòng)力載荷、內(nèi)力、位移和頻率均受平均附著厚度的影響，其中前三者隨平均附著厚度的增加而增大，頻率隨海生物平均附著厚度的增加而減小。海生物平均附著厚度對(duì)水動(dòng)力載荷的影響最大，對(duì)頻率的影響最小。

(3) 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的水動(dòng)力載荷、內(nèi)力、位移和頻率均受表面粗糙度的影響，其中前三者隨表面粗糙度的增加先增大后趨于穩(wěn)定，頻率幾乎不受表面粗糙度的影響。經(jīng)模型計(jì)算驗(yàn)證，海洋污損生物對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響在水動(dòng)力載荷占比大時(shí)較為顯著，導(dǎo)管架基礎(chǔ)型式對(duì)海洋污損生物的變化最敏感，平均附著厚度和表面粗糙度較大時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移不利。