基于FLOW-3D的單樁海上風(fēng)電基礎(chǔ)防沖刷數(shù)值模擬研究

凈曉飛，劉 國，柏延強(qiáng)，賈家喻, 張金鳳

(1.中廣核研究院有限公司，廣州 518034；2. 天津大學(xué) 水利仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

結(jié)構(gòu)物附近的海床沖刷在水利工程中十分常見，如樁柱沖刷、管道局部沖刷及水射流沖刷等等。其中，樁柱是近海工程中的常見結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)樁柱放置在海床上時(shí)，水流受到樁柱的影響發(fā)生局部變化，從而發(fā)生沖刷。沖刷會使樁柱的入土深度逐漸減小，導(dǎo)致基礎(chǔ)承載力降低，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因此沖刷防護(hù)工作在工程中尤為重要[1]。

許多學(xué)者針對不同的海上風(fēng)電基礎(chǔ)型式，開展了廣泛的物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模型的研究，闡明了海上風(fēng)電基礎(chǔ)沖刷的產(chǎn)生機(jī)理及希爾茲數(shù)、KC數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸等因素對沖刷深度及范圍的影響[2-11]。近年來，針對泥沙沖刷問題，F(xiàn)LOW-3D軟件被廣泛應(yīng)用。與試驗(yàn)相比，數(shù)值模擬方法具有經(jīng)濟(jì)、便捷等諸多優(yōu)勢，能夠較為精確地完成大量重復(fù)試驗(yàn)[11]。吉鴻敏[12]等對不同流速下的圓柱繞流流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，并和模型試驗(yàn)進(jìn)行了對比驗(yàn)證。史忠強(qiáng)[13]對復(fù)合筒型基礎(chǔ)的流場進(jìn)行模擬驗(yàn)證，并對基礎(chǔ)周圍床面剪切應(yīng)力進(jìn)行了研究。黃佳麗[14]等對FLOW-3D模擬沖刷時(shí)網(wǎng)格劃分以及泥沙參數(shù)的選取對于沖刷計(jì)算效果的影響進(jìn)行研究，為沖刷計(jì)算和防護(hù)設(shè)計(jì)提供了重要參考。

目前工程中用來預(yù)防或者減緩沖刷對樁基礎(chǔ)安全影響的方法主要有：將拋石合理配置后拋投于河床上提高基礎(chǔ)附近抗沖刷能力[15]；采用土工布、軟體排等壓實(shí)于基礎(chǔ)附近保護(hù)基礎(chǔ)床面[16]；仿生水草治理[17]等。針對不同特點(diǎn)選用不同方法以達(dá)到綜合治理目的。本文利用三維流體分析軟件FLOW-3D分別對海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)無防護(hù)下以及拋石和軟體排防護(hù)下的沖刷進(jìn)行模擬，分析沖刷深度與沖刷時(shí)間關(guān)系以及最大沖刷深度，為實(shí)際工程中防沖刷措施提供技術(shù)支撐。

1 數(shù)值模型

數(shù)值模擬軟件FLOW-3D的基本控制方程包含連續(xù)性方程和不可壓縮黏性流體運(yùn)動的Navier-Stokes動量方程。其連續(xù)性方程和動量方程中均包含體積和面積分?jǐn)?shù)參數(shù)。

連續(xù)性方程

(1)

動量方程

(2)

式中：ρ為流體密度；p為流體壓強(qiáng)；t為時(shí)間；VF為體積分?jǐn)?shù)；x為笛卡爾坐標(biāo)系中的方向；Ai為i方向上的面積分?jǐn)?shù)；ui為i方向上的速度分量；fi為i方向上的粘滯力加速度；Gi為i方向上的重力加速度。

(3)

式中：τij為液體剪應(yīng)力；i為作用面；j為作用方向；τij的具體表達(dá)式為

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：μ為動力粘滯系數(shù)。

FLOW-3D中有5種湍流模型，分別是零方程模型中的普朗特混合長度模型，一方程模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，RNGk-ε模型，以及大渦模擬LES。其中，RNGk-ε模型通過修正湍動粘度，考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動情況，可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動。針對本文擬計(jì)算的算例，所建立的數(shù)值水池要模擬三維水流與建筑物、床之間的相互作用，比較適合采用該模型來計(jì)算。

2 數(shù)值模型流速驗(yàn)證

本文采用Kirkg?z和Ardiclioglu[18]明渠流速試驗(yàn)的實(shí)測數(shù)據(jù)對水動力條件參數(shù)及邊界條件的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

數(shù)值模型設(shè)置基本參數(shù)為：水流方向x網(wǎng)格長度為7.0 m，高度方向z網(wǎng)格長度為0.1 m。x向網(wǎng)格數(shù)為3 500，為了精確地模擬底部邊界層中流速發(fā)展情況，對網(wǎng)格z向進(jìn)行局部加密，從水底至0.02 m劃分為20個(gè)網(wǎng)格，0.02～0.1 m劃分為50個(gè)網(wǎng)格，模型總網(wǎng)格數(shù)為24.5萬。邊界條件上，入流側(cè)采用流速邊界條件，出流側(cè)采用連續(xù)邊界條件，底邊界采用壁面邊界條件，其余邊界均采用鏡像無通量邊界條件。初始水深為0.075 m，計(jì)算時(shí)間設(shè)置為130 s，計(jì)算結(jié)果輸出間隔設(shè)置為1 s。

提取數(shù)值模型對應(yīng)位置x=6.5 m處的流速垂向分布，與物理模型數(shù)據(jù)相比較，結(jié)果如圖1所示。對比可知，采用FLOW-3D作為數(shù)值模擬軟件建立沖刷模型，流速剖面與試驗(yàn)值吻合良好，水動力模型滿足精度要求。

圖1 流速驗(yàn)證

3 沖刷計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 沖刷模型的計(jì)算與驗(yàn)證

3.1.1 模型設(shè)置

如東二期海上風(fēng)電項(xiàng)目位于江蘇省如東縣東部近海海域，風(fēng)電場處于粉沙質(zhì)海岸，粒徑在0.12 mm附近的粉沙運(yùn)動特性與工程現(xiàn)場接近，模型所選為天然沙，中值粒徑d50=0.121 mm，模型沙與2020年工程區(qū)底床泥沙采樣物理性質(zhì)非常接近，都屬于粉沙質(zhì)海岸泥沙，可以體現(xiàn)粉沙在波流作用下的運(yùn)動特點(diǎn)。

工程所用單樁基礎(chǔ)直徑5.5 m，水深為11.1 m，平均流速為1.4 m/s。在天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)，采用1:34模型比尺，單向流條件下進(jìn)行單樁基礎(chǔ)周圍的沖刷和防沖模型試驗(yàn)。本文針對此試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬并對比。

樁柱直徑為0.16 m，沙床厚度為0.4 m，斷面平均流速0.24 m/s，水深為0.326 m，水體溫度為20°C，動力粘度系數(shù)為0.001 Pa·s，試驗(yàn)用沙采用原型沙，粒徑為0.12 mm，密度為2 650 kg/m3，重力加速度取981 cm/s2。數(shù)值模型的基本參數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，泥沙參數(shù)設(shè)置具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 模型中泥沙參數(shù)設(shè)置

由于模型計(jì)算過程頗為耗時(shí)，因此在不影響正常計(jì)算結(jié)果的前提下，盡量選取較小的計(jì)算區(qū)域[19]。沖刷模型中，圓柱距入流邊界、出流邊界距離均為8D，左右邊界和圓柱的距離均為4D。

入流側(cè)采用流速邊界條件，出流側(cè)采用壓力邊界條件，底邊界采用壁面邊界條件，其余邊界采用鏡像無通量邊界條件。計(jì)算時(shí)間設(shè)置為64 800 s，結(jié)果輸出設(shè)置為600 s 輸出一次。在進(jìn)行純流作用下的泥沙沖刷模擬過程中，網(wǎng)格的劃分對模擬的效率和精度有著重要影響。為了精確地反映圓柱周圍沙床的沖刷特征，對模型網(wǎng)格進(jìn)行嵌套以實(shí)現(xiàn)局部加密，將計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格劃分為內(nèi)外兩層。外層網(wǎng)格長2.88 m、寬1.28 m、高0.64 m，各項(xiàng)網(wǎng)格尺寸均為0.025 m；內(nèi)層網(wǎng)格長0.96 m、寬0.96 m、高0.64 m，各項(xiàng)網(wǎng)格尺寸均為0.02 m，網(wǎng)格數(shù)共計(jì)約18.7萬。

FLOW-3D 軟件中的泥沙控制方程包括基于梅葉-彼得公式求解平整沙面的推移質(zhì)輸沙率方程和懸移質(zhì)擴(kuò)散方程，可較好地預(yù)測泥沙的各種狀態(tài)，模擬出與試驗(yàn)吻合的泥沙運(yùn)動狀態(tài)。泥沙模型參數(shù)設(shè)置對泥沙的懸浮、擴(kuò)散以及堆積情況有很大影響，其中泥沙臨界體積分?jǐn)?shù)Cv反映泥沙懸浮量，泥沙水下休止角φ反映沖刷坑角度，泥沙挾帶系數(shù)α反映底床泥沙起動濃度，推移質(zhì)系數(shù)β反映泥沙輸運(yùn)量。

由于入流側(cè)速度邊界提供的是沿整個(gè)水深均一的流速條件，從而造成沙床底部加入流速，將入口處床沙帶走，與實(shí)際情況不符，為防止此情況發(fā)生，在左右側(cè)底邊界設(shè)置與床面高度相同的實(shí)心擋板[20]。擋板上表面粗糙度與沙床表面粗糙度一致為0.3 mm。模型整體網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2-a 沖刷模擬模型圖 2-b 沖刷模擬網(wǎng)格模型三視圖

3.1.2 計(jì)算結(jié)果與驗(yàn)證

為準(zhǔn)確反映沖刷過程中單樁基礎(chǔ)周圍地形變化、判斷沖刷是否平衡及進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c數(shù)值模擬的對比，模型選取8個(gè)特征測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，每個(gè)測點(diǎn)距單樁中心15 cm。

對基礎(chǔ)周圍布置的1、3、5三個(gè)測點(diǎn)(圖3)進(jìn)行驗(yàn)證，繪制沖刷深度隨時(shí)間變化的曲線，可以看出沖刷坑發(fā)展過程中模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的關(guān)系。圖4為測點(diǎn)1、3、5沖刷對比圖，可見數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜎_刷深度基本吻合，說明本研究中數(shù)值計(jì)算方法能夠較為準(zhǔn)確地反應(yīng)實(shí)際沖刷情況，所建模型可以應(yīng)用于模擬實(shí)際工況下的沖刷過程。通過各點(diǎn)沖刷過程曲線可以看出，18 h后沖刷深度值基本不再隨時(shí)間變化，達(dá)到?jīng)_刷平衡狀態(tài)。

圖3 測點(diǎn)分布圖

4-a 測點(diǎn) 14-b 測點(diǎn)3 4-c 測點(diǎn)5

計(jì)算結(jié)束后，觀察樁柱附近沖刷坑的深度和形狀，圖5顯示了數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)照片的對比，圖5-a為數(shù)值模擬結(jié)果，水流從左端流入，可以看出，沖刷坑的形狀、大小與圖5-b基本相同。越靠近基礎(chǔ)沖刷效果較強(qiáng)，沖刷深度較大，形成一個(gè)近似于環(huán)形的沖刷坑。

5-a 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?5-b 數(shù)值模擬

綜上所述，模擬最大沖坑深度(9.2 cm)與試驗(yàn)結(jié)果(8.4 cm)相差10%左右，產(chǎn)生的原因主要包括：實(shí)際情況下泥沙顆粒的運(yùn)動比較復(fù)雜，泥沙起動具有較強(qiáng)的隨機(jī)性；數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果受網(wǎng)格精度影響易產(chǎn)生些許誤差。

3.2 拋石防護(hù)計(jì)算結(jié)果

塊石防護(hù)層對近海結(jié)構(gòu)物抵抗外力侵襲有很好的效果[21]，可用于海上風(fēng)電基礎(chǔ)的沖刷防護(hù)，將粒徑3.4 mm的礫石防護(hù)模型布置于樁柱周圍，厚度為2.5倍礫石粒徑，鋪設(shè)范圍為3倍樁柱直徑D。圖6顯示了測點(diǎn)1、5、6、8沖刷深度隨時(shí)間變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)各測點(diǎn)均在沖刷初始階段沖刷劇烈，隨后沖刷深度隨沖刷時(shí)間的增加緩慢增加。由于拋石防護(hù)僅將沙床表層粉砂替換為粒徑較大的礫石，但流場并未改變，故拋石防護(hù)下沖刷深度最大位置沒有改變，6、8兩點(diǎn)沖刷深度最大。

圖6 測點(diǎn)1、5、6、8沖刷深度歷時(shí)曲線圖

計(jì)算結(jié)束后，觀察樁柱附近沖刷坑的深度和形狀，圖7顯示了數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)的對比，其中圖7-a為物理試驗(yàn)結(jié)果，圖7-b為數(shù)值模擬結(jié)果。沖刷開始16 h后(沖刷達(dá)到平衡狀態(tài))，出現(xiàn)明顯橢圓形沖刷坑，沖刷坑順流方向沿樁直徑呈對稱形態(tài)，越靠近樁徑部分沖刷越嚴(yán)重，單樁周圍2倍樁柱直徑D范圍內(nèi)拋石護(hù)面發(fā)生沖刷。

由圖7可見，拋石防護(hù)情況下沖刷坑在形態(tài)上與無防護(hù)條件下沖刷形態(tài)相似，但沖刷深度及沖刷范圍較小，拋石邊緣在水流的作用下也發(fā)生移動。由模擬結(jié)果可知，模擬最大沖刷坑深度為6.2 cm，沖刷深度減少，在一定程度上對單樁基礎(chǔ)周圍底床起到了保護(hù)作用，但整體已經(jīng)發(fā)生破壞。

7-a 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?7-b 數(shù)值模擬

3.3 軟體排防護(hù)計(jì)算結(jié)果

復(fù)合土工布(即軟體排)由上下兩層土工布之間縫制成的若干單元體組成，每一單元體內(nèi)充灌沙子形成肋狀結(jié)構(gòu)，沙肋平行于水流方向。由于復(fù)合土工布軟體排具有很好的柔性，可自動調(diào)節(jié)整體的形狀，能夠形成良好的防護(hù)線，具有很好的沖刷防護(hù)功能。

軟體排防護(hù)模型(圖8)在樁柱周圍鋪設(shè)800 mm×800 mm的軟體排，沙肋直徑15 mm，相鄰6 mm，沙肋內(nèi)礫石粒徑0.12 mm，沙肋平行于水流流向。

圖8 軟體排示意圖

圖9顯示了軟體排角點(diǎn)的沖刷深度隨時(shí)間變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)迎水側(cè)角點(diǎn)較背水側(cè)角點(diǎn)沖刷情況嚴(yán)重。迎水側(cè)角點(diǎn)在沖刷開始前3 h僅出現(xiàn)輕微沖刷，隨后1 h沖刷效果加劇，之后的8 h緩慢沖刷，沖刷進(jìn)行12 h后，再次迎來較高強(qiáng)度的沖刷，隨后達(dá)到平衡狀態(tài)，沖刷平衡下最大沖刷深度約為2.3 cm。背水側(cè)角點(diǎn)在沖刷開始的10 h僅有輕微沖刷，之后的4 h沖刷加劇，隨后沖刷深度略有減小后達(dá)到平衡狀態(tài)，沖刷平衡下最大沖刷深度約為0.8 cm。

9-a 迎水側(cè)角點(diǎn) 9-b 背水側(cè)角點(diǎn)

計(jì)算結(jié)束后，觀察樁柱附近沖刷坑的深度和形狀，在有軟體排防護(hù)條件下進(jìn)行沖刷防護(hù)試驗(yàn)，沖刷16 h后(沖刷達(dá)到平衡狀態(tài))，床面沙粒運(yùn)動覆蓋軟體排，樁基周圍無明顯沖刷坑，只有軟體排邊緣有輕微下陷，最大沖刷坑深度約2.3 cm。

由于模型計(jì)算過程頗為耗時(shí)，因此在不影響正常計(jì)算結(jié)果的前提下，在計(jì)算域的選擇上盡量選取較小的計(jì)算區(qū)域。

3.4 結(jié)果分析

基于數(shù)值模擬軟件FLOW-3D建立了三維數(shù)值水池模型，對沖刷模型試驗(yàn)進(jìn)行了模擬，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。

由表2可知所建三維水池模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬物理試驗(yàn)的最大沖刷深度。

表2 最大沖刷深度比較

4 結(jié)論

以江蘇如東二期海上風(fēng)電場項(xiàng)目為研究背景，采用FLOW-3D軟件對拋石、軟體排防護(hù)下的海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)沖刷進(jìn)行模擬，得到了以下結(jié)論：

(1)無防護(hù)措施時(shí)，實(shí)驗(yàn)室中單樁基礎(chǔ)沖刷由開始至穩(wěn)定狀態(tài)歷時(shí)約18 h，最大沖刷深度達(dá)9.2 cm。

(2)設(shè)置拋石防護(hù)層和軟體排后，同樣條件下沖刷由開始至穩(wěn)定狀態(tài)歷時(shí)約16 h，最大沖刷深度分別為6.8 cm和2.3 cm，單樁基礎(chǔ)附近沖刷坑范圍及深度均有所減小，最大沖刷深度約為無防護(hù)時(shí)的74%和25%。

(3)相比無防護(hù)情況，拋石、軟體排防護(hù)可以增強(qiáng)基礎(chǔ)周圍海床的抗沖刷性能，使得泥沙不易起動，減少對風(fēng)電基礎(chǔ)的沖刷，使風(fēng)電基礎(chǔ)周圍海床更穩(wěn)定，且沙質(zhì)海床上單樁基礎(chǔ)周圍軟體排防護(hù)效果明顯優(yōu)于拋石防護(hù)。