潘冬冬,李健華,周 川,王 俊

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán) 廣東省電力設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州510663;2.廣東科諾勘測工程有限公司,廣東 廣州510663)

樁基礎(chǔ)局部沖刷是一個具有重大實用價值的研究內(nèi)容,伴隨著國內(nèi)海上風(fēng)電場的興起與發(fā)展,這一研究的重要性日益凸顯。由于海洋動力作用的因素眾多,且不同海域的海底地形、底質(zhì)類型、潮流與波浪作用不盡相同,使得樁基局部沖刷深度與沖刷范圍的研究更加復(fù)雜多變。

根據(jù)已有研究成果,樁基局部沖刷主要通過經(jīng)驗公式、物理模型試驗和現(xiàn)場地形測量等方法進(jìn)行研究與分析,韓海騫[1]、Wang和Herbich[2]分別通過模型試驗的方法提出了2個樁基局部沖刷公式,這2個經(jīng)驗公式在實際工程上應(yīng)用較多,而且也已被《海上風(fēng)電場工程風(fēng)電機組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[3]收錄。周益人和陳國平[4]通過物理模型試驗,研究不規(guī)則波作用下的墩柱周圍局部沖刷機理,重點對床面泥沙粒徑進(jìn)行詳細(xì)分析;張瑋等[5]和祁一鳴等[6]利用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和物理模型試驗等方法研究了江蘇近海風(fēng)電場樁基局部沖刷深度,通過與實測數(shù)據(jù)對比,發(fā)現(xiàn)采用疊加波浪作用下的韓海騫公式[1]進(jìn)行局部沖刷深度計算更為合理。

本文以湛江某海上風(fēng)電場某一樁基局部實測地形數(shù)據(jù)為研究對象,進(jìn)行局部最大沖刷深度、沖刷坑半徑和沖淤變化特征的分析與研究,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步進(jìn)行樁基局部沖刷經(jīng)驗公式的計算,并且與實測值對比分析,以期為其他同類工程和本風(fēng)電場運行階段防沖刷保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)域概況

1.1 工程概況

湛江某海上風(fēng)電場位于徐聞縣外海海域,海底地貌屬于水下淺灘、水下岸坡地貌單元,有部分沙洲,海底泥面標(biāo)高一般為-13～-1 m,海底地形復(fù)雜,起伏較大,屬于近海淺水區(qū)域風(fēng)電場,風(fēng)電場址與實測樁基位置見圖1。

工程海域潮汐類型為不正規(guī)半日潮,年平均海面為2.13 m,平均高潮位為2.77 m,平均低潮位為1.54 m,平均潮差為1.23 m,最大潮差為2.69 m。潮流類型為不規(guī)則全日潮,表現(xiàn)為明顯的往復(fù)流特征,全潮測驗期間實測最大流速1.50 m/s。實測年平均有效波高為1.2 m,平均周期為4.5 s,常浪向與強浪向均為E向。場址表層沉積物中值粒徑為0.14～0.32 mm,平均值為0.21 mm,并且南部沉積物明顯粗于北部。

1.2 樁基防沖刷保護(hù)措施

防沖刷保護(hù)采用砂袋與砂被復(fù)合的保護(hù)方式,砂袋和砂被采用滲透系數(shù)不小于10-3cm/s的細(xì)砂或者中粗砂,粒徑約0.075 mm 的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于85%,黏性顆粒小于3%。砂被制作時考慮收縮,平均厚度為0.40 m;砂被與樁基之間的空隙利用砂袋填平。砂被鋪設(shè)面積約為1 200 m2,砂袋用量約為200 m3。樁基防沖刷保護(hù)立面圖與平面圖見圖2。

圖1 海上風(fēng)電場位置Fig.1 Location map of the offshore wind farm

圖2 樁基防沖刷保護(hù)示意圖Fig.2 A schematic diagram of anti-scour protection of pile foundation

2 樁基局部地形測量與分析

2.1 樁基局部地形

樁基局部地形的測量方法為:以樁基礎(chǔ)為中心,在500 m×500 m 的范圍內(nèi),采用GPS星鏈差分技術(shù)配合多波束測深儀組成的自動定位測深系統(tǒng)對樁基局部沖刷深度進(jìn)行測量。風(fēng)電樁基的施工時間為2018年,分別于2019年4月、2020年4月和2020年5月對樁基局部地形進(jìn)行了3次測量。地形圖見圖3(1985國家高程基準(zhǔn))。

圖3 樁基附近實測地形Fig.3 Topography measured near the pile foundation

由圖3a可見,2019年4月樁基周圍局部沖刷坑接近于圓形漏斗,沖刷坑半徑約為15 m;地形高程最深為-8 m,最淺為-4 m,沖刷坑的最大深度為4 m,并且沖刷坑由外往內(nèi)不斷變深。由圖3b可見,2020年5月樁基周圍局部沖刷坑的形狀發(fā)生了變化,形狀不再接近于圓形漏斗,而是一個沿NE—SW 走向的橢圓形漏斗,并且樁基NW—NE—SE 方向的沖刷范圍較小,范圍約為15 m,而西南方向最大的沖刷范圍達(dá)到50 m,與2019年4月的地形相比,呈現(xiàn)出明顯的西南向沖刷加劇的趨勢,但是沖刷坑的最大深度沒有明顯變化。由圖3c可見,2020年5月樁基周圍局部沖刷坑的形狀與最大深度與2020年4月地形相比變化很小,處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4為3次實測地形圖中2個斷面處的剖面圖。由圖4a可見,沖刷坑呈現(xiàn)出明顯的漏斗狀,沖刷坑的最大深度變化量很小,基本維持在4 m 左右。但是在樁基西側(cè)約100 m 存在一個地形變化較大的海底斜坡,由東向西逐漸變深,由2020年與2019年的實測地形相比,斜坡明顯向西移動了約50 m,說明此處發(fā)生過較大的海床淤積過程。由圖4b可見,沖刷坑也呈現(xiàn)出漏斗狀,2019年4月沖刷坑的最大深度為3 m 左右,而2020年的兩次最大沖刷深度接近4 m。

圖4 樁基周圍海底地形剖面圖Fig.4 Topographic profiles of the seafloor around the pile foundation

2.2 樁基局部沖淤變化特征分析

圖5 樁基周圍年度沖淤變化圖Fig.5 Annual variations of the scouring and silting around the pile foundation

圖5 給出了2019年4月至2020年4月的年度沖淤變化圖,其中正值表示淤積,負(fù)值表示沖刷。由圖5a可見,樁基附近500 m 范圍內(nèi)發(fā)生了較大的沖淤變化過程,尤其是樁基西側(cè)的海底斜坡,最大淤積深度達(dá)到了5 m 左右,其原因可能與某次或幾次極端海洋動力變化相關(guān)。圖5b為樁基周圍100 m 范圍局部沖淤變化圖,由圖可見,樁基西南側(cè)明顯發(fā)生沖刷,最大沖刷深度超過2 m,在樁基東側(cè)產(chǎn)生少量淤積,淤積深度約0.5 m,從沖淤形態(tài)上看,樁基附近不沖不淤的形狀類似“X”形狀,其原因可能是在潮流動力長期作用下形成的沖淤形態(tài)。

圖6給出了2020年4-5月的月度沖淤變化。由圖6a可見,樁基附500 m 范圍內(nèi)沒有發(fā)生較大的沖淤變化過程,海床基本處于穩(wěn)定的狀態(tài)。圖6b為樁基周圍100 m 范圍局部沖淤變化圖,由圖可見,樁基北側(cè)和東側(cè)發(fā)生少量沖刷,沖刷深度約為1～2 m,其他方向均較穩(wěn)定,處于不沖不淤狀態(tài)。綜上所述,在正常海洋水動力環(huán)境下,樁基局部最大沖刷深度已經(jīng)達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 樁基周圍月度沖淤變化圖Fig.6 Monthly variations of the scouring and silting around the pile foundation

3 樁基局部沖刷公式及應(yīng)用

3.1 樁基局部沖刷公式

3.1.1 韓海騫公式

韓海騫通過物理模型試驗數(shù)據(jù),經(jīng)過量綱分析得到潮流作用下樁基礎(chǔ)局部沖刷深度計算公式[1],通常簡稱其為韓海騫公式:

式中:hb為潮流作用下樁基礎(chǔ)最大沖刷深度(m);h為全潮最大水深(m);B為最大水深條件下平均阻水寬度(m);d50為泥沙中值粒徑(m);F r為弗汝德(Froude)參數(shù);u為全潮最大流速(m/s);K1為基礎(chǔ)樁平面布置系數(shù);K2為基礎(chǔ)樁處布置系數(shù)。

韓海騫公式適用于單純水流條件下的強潮流作用時的局部沖刷計算,而實際海域中存在波流共同作用,根據(jù)《港口航道與水文規(guī)范》[7]中波浪水質(zhì)點平均流速公式計算波浪對局部沖刷的影響,再進(jìn)行潮流流速的疊加,從而得到波流共同作用下的最大流速,波浪水質(zhì)點平均流速計算公式為

式中:u為波浪水質(zhì)點的平均流速(m/s);H為有效波高(m);h為水深(m);k為波數(shù),T為波周期(s)。

3.1.2 王汝凱公式

Wang和Herbich[2]在波浪水槽中做了波流共同作用下的普遍沖刷試驗和孤立樁周圍沙基沖刷試驗。通過量綱分析得到相對沖刷深度的經(jīng)驗公式,通常簡稱為王汝凱公式:

式中:Sul為樁基礎(chǔ)最大沖刷深度(m);Nf為水流的Froude數(shù)的平方;Ur為Ursell數(shù);Ns為顆粒sediment數(shù);Nrp為樁的雷諾數(shù);D為樁徑;L為波長(m);V為行進(jìn)流速(m/s);Vfw為波流合成速度(m/s);h為行進(jìn)水深(m);g為重力加速度(m/s2);ρs為泥沙干密度(kg/m3);ρ為水密度(kg/m3);d50為泥沙中值粒徑(mm);ν為水的運動黏滯系數(shù)(m2/s)。

3.1.3 樁基局部沖刷范圍

沖刷坑的范圍可以用沖刷坑半徑表示,其計算公式[3]為

式中:r為沖刷坑半徑(m);S為沖刷坑的最大深度(m);φ為土體內(nèi)摩擦角(°)。

3.2 局部沖刷公式參數(shù)敏感性分析

3.2.1 全潮最大流速

工程海域全潮測驗實測流速成果表明,各測點最大流速介于1.2～1.5 m/s。圖7對比了局部沖刷公式在不同流速作用下的最大沖刷深度。由圖7可見,樁基局部最大沖刷深度隨流速的增大而增大;韓海騫公式在疊加了波浪作用下的沖刷深度后比未疊加時增大了7%～12%;王汝凱公式計算值比韓海騫公式計算值偏大20%～40%,并且隨著流速的增大,沖刷深度增大值更加顯著。

3.2.2 中值粒徑

根據(jù)場址底質(zhì)調(diào)查結(jié)果,表層沉積物中值粒徑為0.14～0.32 mm,平均值為0.21 mm,并且南部沉積物明顯粗于北部。圖8對比了局部沖刷公式在不同中值粒徑條件下的最大沖刷深度。由圖8可見,韓海騫公式?jīng)_刷深度計算值隨粒徑的增大而增大,在疊加了波浪作用下的沖刷深度后比未疊加時增大了8%;王汝凱公式?jīng)_刷深度計算值隨粒徑的增大而減小,并且其敏感性較大。原因為韓海騫公式主要針對錢塘江的樁基礎(chǔ),中值粒徑取值范圍較廣;而王汝凱公式是波流共同作用下孤立樁的沖刷試驗,適用于無黏性的細(xì)砂與中粗砂。

3.3 局部沖刷實測值與計算值對比與分析

根據(jù)2019年現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)及相關(guān)資料,用于樁基局部沖刷計算的部分參數(shù)見表1。樁基局部沖刷實測值與3個經(jīng)驗公式計算值的對比結(jié)果見表2。在砂袋與砂被復(fù)合保護(hù)下,樁基實測最大局部沖刷深度為4.0 m,最大沖刷深度與樁徑之比為0.57。3個經(jīng)驗公式的最大沖刷深度與樁徑之比均超過了1.1,由王汝凱公式計算的樁徑之比達(dá)到了1.64。樁基的沖刷坑半徑的公式計算值與現(xiàn)場實測值吻合較好,尤其是韓海騫公式的計算結(jié)果與實測值基本一致。3個經(jīng)驗公式是在不同環(huán)境條件下總結(jié)得到的,均有各自的適用條件,在工程設(shè)計上有著廣泛的應(yīng)用。由于本文實測樁基采取了有效的防沖刷設(shè)施,改善了樁基周圍的局部水動力條件,所以沖刷深度明顯小于各經(jīng)驗公式的計算值。

圖7 最大流速的影響Fig.7 The influence of maximum flow velocity

圖8 中值粒徑的影響Fig.8 The Influence of median diameter

表1 局部沖刷公式相關(guān)參數(shù)表Table 1 Table of parameters related to the local scour formula

表2 局部沖刷公式計算值與實測值對比Table 2 Comparison between values calculated by using local scour formula and measured in-situ

綜上,雖然樁基礎(chǔ)周圍的砂袋與砂被復(fù)合防沖刷設(shè)施取得了一定的效果,但是伴隨著已經(jīng)形成的沖刷坑,在極端海洋動力作用下,工程海域的海床穩(wěn)定性較差,樁基周圍可能會發(fā)生進(jìn)一步?jīng)_刷。所以,在工程運行階段,建議定期開展樁基礎(chǔ)局部沖刷深度監(jiān)測,防止沖刷坑進(jìn)一步加深導(dǎo)致樁基失穩(wěn)。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)湛江某海上風(fēng)電場樁基3次現(xiàn)場局部沖刷實測數(shù)據(jù),進(jìn)行沖刷坑最大深度、沖刷坑半徑和沖淤變化特征的分析,研究結(jié)果表明:

1)樁基在砂袋與砂被復(fù)合保護(hù)下,局部沖刷坑呈現(xiàn)出明顯的圓形漏斗狀,沖刷坑的最大深度變化量較小,基本維持在4 m 左右,最大沖刷深度與樁徑之比為0.57,沖刷坑半徑為15 m。在正常海洋動力條件下,認(rèn)為樁基局部最大沖刷深度已經(jīng)達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)。

2)通過2020年與2019年實測樁基周圍地形對比,2020年的樁基礎(chǔ)西側(cè)斜坡明顯向西移動了約50 m,說明此處發(fā)生過較大的海床淤積過程,工程海域海床穩(wěn)定性較差,在極端海況下容易發(fā)生整體性變化。

3)通過樁基局部沖刷經(jīng)驗公式計算值與現(xiàn)場實測值對比可知,經(jīng)驗公式計算的最大沖刷深度與樁徑之比均超過了1.1,明顯高于實測值,說明樁基防沖刷設(shè)施取得了一定的效果,沖刷坑半徑的計算值與現(xiàn)場實測值吻合較好。

4)建議海上風(fēng)電場在運行階段定期進(jìn)行樁基沖刷坑監(jiān)測與防護(hù)。