基于Flow3D的海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)沖刷防護(hù)數(shù)值模擬研究

駱光杰，詹懿德，葛 暢，沈曉雷，郭 健

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311100;2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 3111002；3.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

隨著人們環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)，傳統(tǒng)能源的利用有了越來越多的限制，因此無污染可再生的新型能源成了各國能源發(fā)展的重點(diǎn)。風(fēng)能蘊(yùn)藏量大，分布廣泛，永不枯竭，在沿海及邊遠(yuǎn)地區(qū)與其他能源相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。我國《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確指出，預(yù)計(jì)2021年前，我國風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)總量將超過2.1億kW。近海地區(qū)有豐富的風(fēng)能資源，因此海上風(fēng)電項(xiàng)目成為了我國風(fēng)能發(fā)展的主力軍。但近海地區(qū)水流條件復(fù)雜，沖淤變化大，海上風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定性會(huì)受到局部沖刷的影響。因而研究風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的沖刷防護(hù)措施對(duì)海上風(fēng)電項(xiàng)目的發(fā)展有重要意義。

海上風(fēng)電項(xiàng)目中大多使用結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，適用范圍廣的單樁基礎(chǔ)。對(duì)于單樁基礎(chǔ)的沖刷防護(hù)，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究：王炎等[1]通過數(shù)值模擬，提出了一種新型的V形防沖刷擋板，可有效減弱樁基處沖刷作用；黃永江等[2]通過數(shù)值模擬的方法研究了環(huán)翼型擋板不同安裝位置對(duì)沖刷防護(hù)結(jié)果的影響，認(rèn)為在1/3水深處防護(hù)效果最佳；張萬鋒等[3]通過水工試驗(yàn)研究了擋板數(shù)量對(duì)沖刷防護(hù)結(jié)果的影響，結(jié)果表明加裝擋板能有效減小沖坑深度及范圍；陳艷梅等[4]通過試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法研究了3種不同形狀的環(huán)翼擋板對(duì)沖刷防護(hù)作用的影響，結(jié)果表明板尾端寬度為45 mm的防護(hù)作用最佳；成蘭艷等[5]通過試驗(yàn)研究了擋板不同延伸對(duì)沖刷結(jié)果的影響，結(jié)果表明延伸長度與樁基半徑相同時(shí)防沖刷效果顯著。但較多學(xué)者僅考慮防護(hù)板對(duì)水流垂向水力特征的影響[6-7]，對(duì)于貼近泥面的圓形防護(hù)板的防護(hù)效果及機(jī)理的研究較少。

以江蘇竹根沙300 MW海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目的地質(zhì)及水文勘探結(jié)果為依據(jù)，采用Flow3D軟件對(duì)不同尺寸圓形防護(hù)板下的單樁基礎(chǔ)局部沖刷進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析不同條件下單樁基礎(chǔ)周圍局部沖刷形態(tài)的變化情況，以期為海上風(fēng)電后期沖刷防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)條件

江蘇竹根沙300 MW海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目預(yù)建成50臺(tái)4.0 MW風(fēng)電機(jī)組和17臺(tái)6.0 MW風(fēng)電機(jī)組。工程采用單樁基礎(chǔ)，單根鋼管樁直徑5.5～6.4 m，入土深度約50 m。該工程地處江蘇岸外輻射沙洲區(qū)域，屬正規(guī)半日潮區(qū)，淺海分潮比較明顯。根據(jù)工程場(chǎng)區(qū)及周邊各站實(shí)測(cè)潮流資料，工程場(chǎng)區(qū)大潮期間漲潮平均流速在0.48～0.66 m/s之間，落潮平均流速在0.32～0.71 m/s之間；中潮期間漲潮平均流速在0.40～0.47 m/s 之間，落潮平均流速在0.33～0.53 m/s之間；小潮期間漲潮平均流速在0.33～0.42 m/s之間，落潮平均流速在0.30～0.35 m/s之間。

項(xiàng)目區(qū)地域?qū)贋I海相沉積地貌單元，海底灘面地形高程由南向北逐漸降低。本文所參考的某次地質(zhì)勘察結(jié)果顯示：勘察區(qū)域海底高程-7.60～-1.50 m，場(chǎng)區(qū)內(nèi)地基土表層以粉砂、粉砂夾粉土為主?？紤]到實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)單樁基礎(chǔ)建設(shè)場(chǎng)地及潮流沖刷作用深度的影響，本文選取表層粉砂作為數(shù)值模擬中的沖刷土層，該土層的顆粒組成如表1所示。

表1 表層粉砂顆粒組成

2 單樁基礎(chǔ)局部沖刷數(shù)值模型

2.1 單樁基礎(chǔ)沖刷防護(hù)三維數(shù)值模型

本試驗(yàn)以6.0 MW風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)為例，其設(shè)計(jì)參數(shù)為：鋼管樁全長63 m，入土深度46 m，直徑6 m。由于本文僅研究單樁基礎(chǔ)的沖刷防護(hù)，且項(xiàng)目區(qū)潮流流速較小，因而不考慮鋼管樁的壁厚，整體視作實(shí)心圓柱樁，此外入土深度與水面以上樁長均不做精確界定。單樁基礎(chǔ)的防護(hù)設(shè)施采用圓形防沖刷板，板的直徑初步設(shè)定為36 m，厚0.3 m?？紤]到具體工程中，防護(hù)措施布設(shè)在泥面交界處之上，且與泥面有一定距離，故數(shù)值模擬時(shí)該圓形防護(hù)板被設(shè)定在泥面以上0.2 m處，整體模型示意見圖1。

圖1 單樁基礎(chǔ)及防護(hù)設(shè)施數(shù)值模型示意

2.2 模型區(qū)域及條件

根據(jù)Dargahi[8]和Sarker[9]對(duì)橋墩沖刷的研究，如果橋墩的直徑為D，那么在橋墩下游13D及兩側(cè)4.5D處，橋墩繞流的影響將不再存在。因此，本試驗(yàn)?zāi)M區(qū)域的下游長度取78 m，兩側(cè)的寬度取27 m。模型入口處水流為均勻流，為了保證樁前水流的充分發(fā)展和初始段土層不被沖刷殆盡，樁前長度取13D(即78 m)，Z方向土層深度取7 m，模型高度取15 m。綜上所述，整個(gè)計(jì)算域大小為162 m × 60 m× 15 m。

由前文所述水文地質(zhì)勘察資料可知，項(xiàng)目區(qū)最大流速為0.71 m/s，考慮該地平均海底高程，水深取4 m。土層采用各顆粒組成的平均粒徑，選取中間3組粒徑作為主要計(jì)算參數(shù)，通過Flow3D自帶的沉積物沖刷模塊進(jìn)行建模。其中，休止角取32°，密度取2 650 kg/m3，其他參數(shù)采用默認(rèn)值，同時(shí)沿豎直方向設(shè)置靜水壓強(qiáng)和重力加速度。模型整體采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對(duì)鋼管樁附近進(jìn)行加密，加密區(qū)域位于樁前后1.5D以及樁兩側(cè)D范圍內(nèi)。樁附近網(wǎng)格長度取為0.5 m，故加密區(qū)域網(wǎng)格大小為0.5 m ×0.5 m × 0.5 m。為了保證計(jì)算質(zhì)量，加密區(qū)域網(wǎng)格與外部網(wǎng)格大小之比不能超過1:3，因而外部網(wǎng)格長度取為1.5 m，網(wǎng)格過度區(qū)域采用漸變網(wǎng)格。對(duì)于豎直方向(Z向)，由于整個(gè)計(jì)算域長度只有15 m，故均采用0.5 m網(wǎng)格。模型入口采用均勻流邊界，流速大小為0.71 m，方向沿X軸正向，并給定4 m水深。出口采用自由出流邊界，兩側(cè)采用對(duì)稱壁面邊界，底部采用壁面邊界，上部采用壓力邊界，給定流體體積分?jǐn)?shù)為零。模型的初始水位設(shè)定為4 m，并給予整體的水平初速度0.71 m/s。此外，為確保進(jìn)出口的土顆粒不會(huì)被過度的帶離計(jì)算域，在進(jìn)出口各布置了高度為7 m的擋板，整個(gè)模型具體如圖2所示。

圖2 單樁基礎(chǔ)沖刷防護(hù)數(shù)值模型示意

3 無防護(hù)設(shè)施時(shí)單樁基礎(chǔ)沖刷數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 模型可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文模型的準(zhǔn)確性，將上述條件下數(shù)模所得流場(chǎng)與Melville等[10]經(jīng)典試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。圖3a為經(jīng)典試驗(yàn)情況下，距離床面0.4H(H為初始水深)處平面的流場(chǎng)示意，圖3b為數(shù)值模擬距離床面0.4H處平面流速矢量。對(duì)比兩圖可以看出，數(shù)值模擬單樁基礎(chǔ)樁前繞流及樁后的尾渦與經(jīng)典試驗(yàn)基本相合。

圖3 單樁基礎(chǔ)沖刷對(duì)比

3.2 單樁基礎(chǔ)沖刷過程分析

實(shí)際情況下，沖刷是隨著時(shí)間緩慢發(fā)展的一個(gè)復(fù)雜三維問題。在模型試驗(yàn)中，沖刷也表現(xiàn)為一個(gè)隨沖刷歷時(shí)動(dòng)態(tài)變化的過程。隨著流態(tài)趨于穩(wěn)定，沖刷也趨于穩(wěn)定，整個(gè)過程計(jì)算歷時(shí)較短，根據(jù)沖刷深度的演變情況，本文將整個(gè)沖刷過程分為3部分，各沖刷過程中床面形態(tài)及沖刷深度值如圖4～6所示。

圖4 開始階段無防護(hù)設(shè)施時(shí)樁處單樁基礎(chǔ)沖刷過程數(shù)值模擬結(jié)果

圖5 發(fā)展階段無防護(hù)設(shè)施時(shí)樁處單樁基礎(chǔ)沖刷過程數(shù)值模擬結(jié)果

圖6 穩(wěn)定階段無防護(hù)設(shè)施時(shí)樁處單樁基礎(chǔ)沖刷過程數(shù)值模擬結(jié)果

從圖4～6可以看出：①在沖刷開始階段，單樁基礎(chǔ)局部沖刷首先在樁側(cè)發(fā)育，在空間上呈現(xiàn)對(duì)稱分布。樁前沖刷不明顯，樁后具有較長段的堆積沙丘，此時(shí)最大沖刷深度為0.449 m。②在沖刷發(fā)展階段，樁兩側(cè)沖刷坑進(jìn)一步發(fā)育，沖刷坑范圍向樁前發(fā)展，樁后堆積沙丘更加明顯，范圍進(jìn)一步向兩側(cè)增大，且長度也有所增加。沙丘起始點(diǎn)緊鄰樁后，外圍與來流方向近似平行。該階段最大沖刷深度為0.899 m。③在沖刷穩(wěn)定階段，由于來流流態(tài)與沖刷坑形態(tài)都趨于穩(wěn)定，整個(gè)沖刷模型將不再發(fā)生變化。此時(shí)的穩(wěn)定最大沖刷深度為1.099 m。樁兩側(cè)沖刷坑已完全發(fā)展至樁前，呈現(xiàn)對(duì)稱分布的橢圓階梯狀，在空間上為馬蹄形。樁前段具有小范圍堆積沙丘且沖刷不太明顯，這是由于本文所給定的來流速度較小，樁前下潛水流強(qiáng)度較弱。樁后堆積沙丘的范圍達(dá)到最大，整個(gè)沙丘在空間上呈現(xiàn)兩側(cè)堆積高度略高，中間較低的分布形態(tài)，各沙丘分界線與來流方向近似一致。

綜上，在實(shí)際工程中需要重點(diǎn)考慮樁側(cè)的沖刷坑深度及樁后堆積沙丘的范圍，以此對(duì)單樁基礎(chǔ)周圍進(jìn)行整體沖刷防護(hù)設(shè)計(jì)。

4 設(shè)置防護(hù)設(shè)施后數(shù)值模擬結(jié)果

4.1 局部沖刷形態(tài)變化分析

以直徑為36 m的圓形防沖刷板為例，對(duì)比分析防沖刷板設(shè)置前后，單樁基礎(chǔ)局部沖刷的沖刷坑形態(tài)及最大沖刷深度變化，所得結(jié)果見圖7。從圖7可以看出，有防護(hù)板情況下，單樁基礎(chǔ)附近沖刷坑的發(fā)育得到了極大的抑制，最大沖刷深度為0.130 m，約為無防護(hù)板時(shí)的11.8%。這與防護(hù)板的設(shè)置高度有較大關(guān)系，本文按照工程實(shí)際，在緊鄰泥面處設(shè)置了圓形防護(hù)板，由于被考慮為剛性擋板，故該板能有效阻擋來流。在防護(hù)板與泥面之間的小間隙內(nèi)，水流流速快速減緩，使得單樁基礎(chǔ)前出現(xiàn)堆積體。隨著堆積體的范圍不斷加大，形成了對(duì)來流的進(jìn)一步阻擋，因而單樁基礎(chǔ)附近沖刷深度大幅度減小。該堆積體的存在，類似于形成了“雙排橋墩”模式，對(duì)后排工程樁基礎(chǔ)能起到較好的沖刷保護(hù)作用[11]。在防護(hù)板前后邊緣可以看到有明顯的堆積，在實(shí)際工程中可能會(huì)隨著各方向來流的變化及時(shí)間的推移逐漸增加，從而改變單樁基礎(chǔ)與泥面交界處的地形，影響單樁基礎(chǔ)后期穩(wěn)定。因而在實(shí)際防護(hù)板施工過程中，前后堆積體對(duì)單樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響，防護(hù)板與泥面的小間隙內(nèi)堆積體的形態(tài)及水流特性對(duì)局部沖刷形態(tài)的影響等問題都值得深入研究。

圖7 沖刷穩(wěn)定階段模型局部沖刷三維形態(tài)對(duì)比

4.2 防護(hù)板大小對(duì)沖刷防護(hù)的影響

考慮到防護(hù)板應(yīng)該足夠大使得板內(nèi)泥面出現(xiàn)的堆積體能進(jìn)一步減輕后方單樁基礎(chǔ)的沖刷，且防護(hù)板前后邊緣堆積體對(duì)單樁基礎(chǔ)的影響進(jìn)一步減小，本小節(jié)選取直徑為30、33、36、39、42 m的圓形防護(hù)板進(jìn)行數(shù)值模擬分析，所得各尺度防護(hù)板下，單樁基礎(chǔ)局部沖刷最大沖深見圖8。

圖8 不同直徑圓形防護(hù)板下單樁基礎(chǔ)沖深對(duì)比

從圖8可以看出，整體上，防護(hù)板的設(shè)置能非常有效地限制單樁基礎(chǔ)局部沖刷的程度，最大沖刷深度都在0.127 m左右，約為無防護(hù)板情況下沖刷深度的11.6%。這說明當(dāng)防護(hù)板尺度較大，上游來流較小時(shí)，過于加大防護(hù)板尺寸是沒有必要的。進(jìn)一步，防護(hù)板直徑為36 m時(shí)，最大沖刷深度最大，為0.13 m，隨著直徑的增大或減小，最大沖深都有著減小的趨勢(shì)，但變化不大。因此，對(duì)于圓形防沖刷板的設(shè)置，在樁周局部沖刷為工程上可接受的情況下，可以選擇較小的尺寸，亦達(dá)到相類似的效果。

5 結(jié) 論

以江蘇竹根沙300 MW海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目為研究背景，采用Flow3D軟件對(duì)不同尺寸圓形防護(hù)板下的單樁基礎(chǔ)局部沖刷進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到了以下主要結(jié)論：

(1)無防護(hù)板時(shí)，單樁基礎(chǔ)局部沖刷可分為沖刷開始階段、沖刷發(fā)展階段及沖刷穩(wěn)定階段3個(gè)階段，各階段對(duì)應(yīng)的最大沖刷深度分別為0.449、0.899 m和1.099 m。

(2)設(shè)置直徑為36 m的圓形防沖刷板后，在防護(hù)板與泥面之間的小間隙內(nèi)，水流流速快速減緩，使得單樁基礎(chǔ)前出現(xiàn)堆積體，從而對(duì)來流產(chǎn)生進(jìn)一步阻擋，單樁基礎(chǔ)附近沖刷坑范圍及深度大幅度減小，最大沖刷深度約為無防護(hù)板時(shí)的11.8%。

(3)直徑超過30 m的防護(hù)板都能顯著限制單樁基礎(chǔ)周圍的局部沖刷程度，最大沖刷深度都在0.127m左右。其中，36 m防護(hù)板所對(duì)應(yīng)的最大沖刷深度最大，為0.13 m，變化不大。因而實(shí)際工程中，在樁周局部沖刷為工程上可接受的情況下，可以選擇較小尺寸的圓形防護(hù)板。