珠海金灣海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)局部沖刷試驗(yàn)研究

盧欽先，王洪慶，劉曉建，郭輝群*

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州，510663；2.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州，510610）

海上風(fēng)電是新型可再生能源開(kāi)發(fā)的前沿領(lǐng)域，最具有規(guī)?；l(fā)展?jié)摿?，受到沿海?guó)家和區(qū)域的廣泛關(guān)注。海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)長(zhǎng)期處于波浪、水流往復(fù)作用的海洋環(huán)境下，常伴有高速繞柱渦動(dòng)，巨大水流挾沙力，形成局部沖刷坑。海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)外形呈細(xì)長(zhǎng)體，隨著沖刷深度增加，強(qiáng)風(fēng)強(qiáng)流作用下樁柱細(xì)長(zhǎng)體的柔性自振頻率會(huì)接近周邊海洋動(dòng)力的運(yùn)動(dòng)頻率，極有可能形成共振，影響結(jié)構(gòu)安全性。

許多學(xué)者對(duì)樁基沖刷進(jìn)行了研究，主要集中在單純水流和單純波浪的情況[1-4]。波流作用下的樁基沖刷涉及到波浪、水流、樁柱與鄰近底質(zhì)之間復(fù)雜的相互作用，研究成果較少[5-6]。實(shí)驗(yàn)表明：波流聯(lián)合動(dòng)力并不是簡(jiǎn)單的疊加，不同動(dòng)力組合情況下結(jié)構(gòu)物周?chē)鷾u流系存在較大的差異[7]。對(duì)于樁周最大沖深，部分學(xué)者們給出了相反觀點(diǎn)。Qi等人[8]指出水流或波浪單獨(dú)作用下的樁基周?chē)鷽_刷坑深度明顯小于波流共同作用下的。Sumer 等人[9]指出聯(lián)合的沖刷深度小于純水流的，但在大于純波浪的情況下，該過(guò)程受KC 數(shù)（KC=UwmT/D，其中，Uwm是波浪最大水質(zhì)點(diǎn)速度，T是波周期，D是樁直徑）和速度比[Ucw(=Uc/(Uc+Uwm)，其中，Uc是波流聯(lián)合動(dòng)力中的水流流速]的影響，并指出當(dāng)Ucw＞0.7 時(shí)，聯(lián)合的沖刷深度接近單一水流的，因此，波流共同作用下單樁基礎(chǔ)局部沖刷機(jī)理有待進(jìn)一步研究。作者擬以珠海金灣風(fēng)電基礎(chǔ)受波流共同作用為例，通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)，研究波浪、海流和波流共同作用下樁基周?chē)木植繘_刷特征，以期為海上風(fēng)電樁基設(shè)計(jì)相關(guān)沖刷參數(shù)的設(shè)定提供借鑒。

1 海域狀況

金灣風(fēng)電場(chǎng)位于珠江口萬(wàn)山島和高欄島之間，海洋環(huán)境十分復(fù)雜，受波浪、海流、風(fēng)暴潮等多種動(dòng)力因素影響，其局部沖刷特性難以用現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)測(cè)，潮汐屬于不正規(guī)半日混合潮型。金灣風(fēng)電場(chǎng)處潮汐特征選取三灶潮位站作為參證站，據(jù)自1965 年至今的驗(yàn)潮資料，歷史最高潮位3.23 m，平均高潮位0.39 m，最低潮位－1.97 m，平均低潮位－0.70 m。在100 a 一遇高潮位和SE 向強(qiáng)浪作用下，有效波高在7.11～9.44 m 之間達(dá)到最大波高，W 向浪相對(duì)較弱。由于風(fēng)電場(chǎng)范圍水深差異較大，各點(diǎn)波況也明顯不同?？紤]工程區(qū)域波浪特征，5 a 和50 a 一遇海流設(shè)計(jì)流速分別為1.08、1.19 m/s，典型波浪要素見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)原型波浪要素Table 1 Wave parameters of test prototype

2 物理模型試驗(yàn)

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)和動(dòng)力條件，采用大比尺物理模型試驗(yàn)，同時(shí)滿足水流運(yùn)動(dòng)相似、波浪運(yùn)動(dòng)相似和泥沙運(yùn)動(dòng)相似。比尺相似要求為：重力相似（流速比尺），阻力相似（糙率比尺）λn=時(shí)間比尺流量比尺其中，λl為水平比尺，λh為垂直比尺。

模型中的波浪采用正態(tài)，根據(jù)模型和水槽造波能力，幾何比尺確定為1:50，水流動(dòng)力比尺（流速比尺λv、時(shí)間比尺λt）采用1:7.07，波要素比尺（波長(zhǎng)比尺λL、波高比尺λH）采用1:50，（波速比尺λC、波周期比尺λT）采用1:7.07。

模型沙的選擇以水流泥沙起動(dòng)相似為主，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)所處海域土層采樣資料分析，區(qū)域主要以淤泥質(zhì)土等軟土層為主，中值粒徑介于0.01～0.03 mm，淤泥層塑性指數(shù)(Ip)為18.9。通過(guò)泥沙起動(dòng)流速計(jì)算公式為式（1）或式（2），求得底質(zhì)起動(dòng)流速情況。

式中：h為水深，m；d為泥沙中值粒徑，取d=0.01～0.02 mm；Δ為糙率，d＜0.5 mm 時(shí)，取Δ=0.5 mm；εk為泥沙黏結(jié)力參數(shù)，原型沙取εk=2.56 cm3/s2；δ為薄膜水厚度，取0.21×10-4cm；γ為泥沙，約2.65 t/m3；γs為水容重，約1 t/m3。

對(duì)于黏性土，臨界起動(dòng)切應(yīng)力與土的塑性指數(shù)有關(guān)，可采用Smerdon公式計(jì)算：

式中：Ip為土的塑性指數(shù)；τc為臨界起動(dòng)切應(yīng)力，N/m2。

起動(dòng)摩阻流速可由式（4）進(jìn)行計(jì)算：

式中：ρ為水的密度。

原型表層底質(zhì)起動(dòng)摩阻流速計(jì)算結(jié)果（u*c=0.043 8 m/s）可換算到平均流速為：

式中：u為垂線平均流速；u*c為摩阻流速；C為謝才系數(shù)，其中，R≈h（水深），n為糙率，g為重力加速度。

學(xué)者們將波浪條件和純流Shields 泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)曲線相結(jié)合，指出振蕩流作用下床面切應(yīng)力可利用波浪摩擦系數(shù)計(jì)算[10-11]，床面剪應(yīng)力τcm的最大瞬時(shí)值，定義為：

式中：umc為近底波浪水質(zhì)點(diǎn)最大水平速度；fw為波浪摩擦系數(shù)，由Jonsson圖表確定。

對(duì)于本研究選定的淤泥土層，由于粒徑較細(xì)（d50=0.01～0.03 mm），而起動(dòng)切應(yīng)力又較大（u*c=0.043 8 m/s），處于光滑紊流區(qū)，fw可由式（7）計(jì)算。

fw= 0.09RE-0.2。 （7）

由式（1）～（7）計(jì)算，底質(zhì)的起動(dòng)流速介于1.03 ～1.81 m/s 之間，其中，最小為1.03 m/s（換算到模型中約為14.5 cm/s）。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，本研究模型沙采用處理過(guò)的精煤屑，容重γs=1.35 t/m3，d50為0.4 mm，模型沙鋪設(shè)簡(jiǎn)便，長(zhǎng)期浸水不會(huì)板結(jié)，水下擾動(dòng)不會(huì)密實(shí)，能夠達(dá)到泥沙重復(fù)性試驗(yàn)的要求。該模型沙在試驗(yàn)水深時(shí)，起動(dòng)流速為12～16 cm/s，滿足原型沙起動(dòng)準(zhǔn)則，可用于后續(xù)沖刷試驗(yàn)研究。

本物理模型試驗(yàn)在珠江水利科學(xué)研究院里水科學(xué)試驗(yàn)基地的咸潮風(fēng)浪流水槽中進(jìn)行，水槽的長(zhǎng)76 m×寬1.2 m×高1.5 m，實(shí)驗(yàn)布置如圖1 所示。造波機(jī)位于水槽右端，水槽左端設(shè)有1:8 的消浪斜坡，斜坡上覆蓋多孔材料減少波浪反射。同時(shí)，為了盡量避免反射波對(duì)試驗(yàn)區(qū)波浪的影響，試驗(yàn)中每造100個(gè)波后，造波機(jī)停止運(yùn)行，待水面穩(wěn)定后再重新造波，如此循環(huán)往復(fù)。水槽底的內(nèi)部裝有潛水泵，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)控制潛水泵轉(zhuǎn)機(jī)頻率控制流量，水流穩(wěn)定后使用流速儀測(cè)量水槽底部流速，不斷調(diào)整轉(zhuǎn)機(jī)頻率，直到達(dá)到目標(biāo)流速。

圖1 物理模型試驗(yàn)布置（單位：m）Fig.1 Layout of physical model test(unit:m)

3 樁基局部沖刷試驗(yàn)結(jié)果

3.1 沖刷穩(wěn)定分析

金灣風(fēng)電場(chǎng)工程單樁基礎(chǔ)柱徑擬為7.5、8.0、8.5 m，因海洋環(huán)境中結(jié)構(gòu)物的存在，改變了其周?chē)牟ɡ撕退鳁l件，樁基周?chē)暮４渤３３霈F(xiàn)淘刷現(xiàn)象。為了確定波流作用下樁周局部沖刷過(guò)程，首先針對(duì)原型7.5 m 樁基，在50 a 一遇波流條件下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，1 次臺(tái)風(fēng)過(guò)程約為3 h，則根據(jù)比尺縮放關(guān)系換算到試驗(yàn)中約為25 min，以此作為1 次沖刷過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)。此后，每隔一段時(shí)間對(duì)樁前、后、兩側(cè)等4個(gè)測(cè)點(diǎn)高程進(jìn)行量測(cè)，原型1～15 h 后，樁周測(cè)點(diǎn)和樁基前后沖刷深度測(cè)量結(jié)果如圖2～3 所示，圖中x為沿水槽方向，z為沿水深方向，θ為沿樁表面角度，其中，θ=0為迎水側(cè)點(diǎn)。從圖2～3 中可以看出，波流作用原型6 h后，沖刷深度基本達(dá)到穩(wěn)定，原型第12 h和15 h各點(diǎn)沖刷深度僅有少量變化。因此，后續(xù)試驗(yàn)認(rèn)為波流作用原型15 h 后沖刷坑達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其中，原型15 h 換到算模型試驗(yàn)約為2 h，以此作為海床穩(wěn)定沖刷標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 樁周測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻沖刷深度Fig.2 Scour depth of measuring points around piles at different times

圖3 樁基前后不同時(shí)刻剖面沖刷深度Fig.3 Scour depth of profile at different time before and after pile foundation

3.2 樁基沖刷過(guò)程

波浪、水流和波流耦合等多種動(dòng)力下，樁基沖刷過(guò)程明顯不同，為了掌握不同動(dòng)力下水沙運(yùn)動(dòng)差異，首先采用高速相機(jī)對(duì)其進(jìn)行捕捉（以7.5 m樁徑為例）。

3.2.1 純水流作用

在恒定流作用下，水流對(duì)樁基周?chē)炒驳那袘?yīng)力受馬蹄渦和兩側(cè)束水的影響顯著增大。切應(yīng)力大于泥沙的臨界起動(dòng)切應(yīng)力時(shí)，發(fā)生沖刷，隨著沖坑深度的增大，沖刷坑的深度不再變化，達(dá)到?jīng)_刷平衡，此時(shí)形成的樁基沖刷為清水沖刷，沖刷過(guò)程如圖4所示。

從圖4中可以看出，樁基的上游迎水面和兩側(cè)先發(fā)生沖刷，在純流作用下，沖刷逐漸向下游發(fā)展，直至沖刷深度不再發(fā)生變化，沖刷坑的上游沙坑坡面較陡，下游沙坑坡面較緩，呈現(xiàn)不對(duì)稱的“勺型”。樁周沖刷達(dá)到平衡后，測(cè)得柱前最大沖刷深度達(dá)到11 cm（即現(xiàn)場(chǎng)為5.5 m），約為0.73D；樁側(cè)最大沖刷深度為10.5 cm（即現(xiàn)場(chǎng)為5.25 m），約為0.7D。

3.2.2 純波浪作用

波浪作用下樁基周?chē)哪嗌称饝疫^(guò)程如圖5所示。波浪作用時(shí)，樁柱前產(chǎn)生反射，同時(shí)，在柱后掩護(hù)區(qū)形成衍射。從圖5中可以看出，漩渦運(yùn)動(dòng)對(duì)大直徑樁的沖刷過(guò)程影響較小，當(dāng)波浪反射后，近底層流速增加，泥沙逐漸起動(dòng)，反射和繞射導(dǎo)致水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)不對(duì)稱性，引起泥沙的凈輸移，沖刷坑并沒(méi)有發(fā)展至環(huán)繞全部基礎(chǔ)，樁基周?chē)纬擅黠@沙紋，整個(gè)過(guò)程中沖刷坑并不顯著。

圖4 流作用下樁周泥沙起懸過(guò)程Fig.4 Sediment suspension process around pile under current

圖5 波作用下樁周泥沙起懸過(guò)程Fig.5 Sediment suspension process around pile under wave

3.2.3 波浪水流共同作用

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在波浪、水流共同影響下，樁周海床瞬時(shí)沖刷過(guò)程如圖6所示。由于樁基的阻水作用，流體的行進(jìn)速度變?yōu)榱?，轉(zhuǎn)化為駐點(diǎn)壓力。駐點(diǎn)壓力導(dǎo)致水流向下流動(dòng)，并且還導(dǎo)致樁兩側(cè)繞流的側(cè)向流速明顯增大，引起泥沙起懸。

圖6 波流作用下樁周泥沙起懸過(guò)程Fig.6 Sediment suspension process around pile under wave and current

長(zhǎng)時(shí)間的波流聯(lián)合動(dòng)力作用后，樁基根部出現(xiàn)明顯的沖刷坑，如圖7所示。樁前及兩側(cè)的沖刷程度大于背流/浪面的，沖刷形狀呈現(xiàn)“勺”狀，并伴有廣泛分布寬度較窄的沙紋，樁背水面的中軸線附近為淤積區(qū)。樁基局部沖刷特征和水流、波浪動(dòng)力特征相對(duì)應(yīng)，兼具單一波/流兩者引起的沖刷特性。樁周沖刷達(dá)到平衡后，測(cè)得柱前最大沖刷深度為9.50 cm（即現(xiàn)場(chǎng)為4.75 m），約為0.63D；樁測(cè)最大沖刷深度為9.20 cm（即現(xiàn)場(chǎng)為4.60 m），約為0.61D。從圖7 中可以看出，波流作用下的沖刷值小于純流作用下的，表明：波浪起到了一定回填作用。實(shí)際情況中，樁基所處的海洋環(huán)境波流一般共存，因此，后續(xù)研究中以波流動(dòng)力為基礎(chǔ)開(kāi)展相關(guān)研究工作。

圖7 波流作用下樁基近區(qū)沖刷形態(tài)Fig.7 Scour pattern around pile foundation under wave and current

3.3 近區(qū)沖刷形態(tài)

基于超聲波地形測(cè)量?jī)x，對(duì)樁周海床沖淤形態(tài)進(jìn)行測(cè)量，部分結(jié)果如圖8 所示（已換算成原型，D=7.5m，h=14.0 m）。從圖8 中可以看出，5 a一遇波流情況下的沖刷深度和沖刷范圍均小于50 a一遇波流情況下的。其中，一次沖刷，僅樁周出現(xiàn)了較大沖刷，經(jīng)過(guò)多次沖刷海床穩(wěn)定后，樁周沖刷深度進(jìn)一步增加，同時(shí)樁后兩側(cè)沖刷深度也明顯增大。沖刷坑主要圍繞在樁基周?chē)瑳_刷最深處在單樁迎水面和單樁結(jié)構(gòu)后兩側(cè)，單樁背流側(cè)沖坑略淺，尾流區(qū)有淤積。其他實(shí)驗(yàn)工況下波流引起的沖刷地形形態(tài)變化與該情況沒(méi)有本質(zhì)差異，僅沖刷幅度略有不同。表明：波浪在樁基局部沖刷過(guò)程中主要起掀沙作用，當(dāng)沖刷深度較大時(shí)，波浪對(duì)沖刷坑的下切作用明顯減弱。結(jié)合水體產(chǎn)生的周期性波動(dòng)力，底部速度增大，迫使泥沙起動(dòng)。引起局部沖刷的主要原因?yàn)椋孩贅吨杷谥靶纬删植扣账a(chǎn)生垂向水流下切床面；②波動(dòng)力掀起泥沙輸移；③樁柱兩側(cè)和后部地形的沖刷主要受馬蹄形漩渦和尾流漩渦的影響。

圖8 樁基近區(qū)沖刷形態(tài)Fig.8 Scour pattern around pile foundation

3.4 樁周最大沖刷深度

本試驗(yàn)結(jié)果表明：波流共同作用下樁基近區(qū)沖刷范圍主要位于單樁迎水面和單樁結(jié)構(gòu)后兩側(cè)，其中，迎水面沖刷最為顯著。柱徑為7.5 m、水深為13 m 的樁前、樁后床面地形剖面特征如圖9 所示?；诒瘸呖s放模型試驗(yàn)成果，已換算到原型。從圖9中可以看出，隨著波流過(guò)程樁基沖深逐漸增大，而沖坑坡度未明顯改變，柱基前后沖刷坡度約1:10～1:1，且樁前的沖刷坡度遠(yuǎn)大于樁后的。

圖9 樁周沖刷剖面Fig.9 Scour profile around pile

對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可得不同工況下的樁周海床最大沖刷深度，見(jiàn)表2。

表2 50a一遇波況各工況最大沖刷深度Table 2 Maximum scour depth under each case in a once-in-50-year wave

由表2 可知，在現(xiàn)場(chǎng)柱徑8.5 m 和水深25.0 m組合時(shí)，50 a一遇波流情況下樁基近區(qū)海床沖刷最為嚴(yán)重，在柱徑8.5 m、水深25.0 m 組合的50 a 一遇波流情況下平面和三維沖刷形態(tài)如圖10～11 所示。從圖10～11 中可以看出，受尾渦脫落影響，樁基側(cè)后方海床沖刷較明顯，側(cè)后方?jīng)_刷顯著區(qū)與主流方向的夾角在30°～66°。沿波流方向上，沖刷深度達(dá)到－1.0 m 以上的范圍最遠(yuǎn)距樁基中心約為35 m，沖刷深度達(dá)到－2.0 m 以上范圍的約15 m，沖刷深度達(dá)到－3.0 m 以上范圍的約9.0 m。垂直于波流方向上，沖刷深度達(dá)到－1.0 m 以上范圍最遠(yuǎn)距樁基中心約為25 m，沖刷深度達(dá)到－2.0 m以上范圍的約22.5 m，沖刷深度達(dá)到－3.0 m 以上范圍的約7.5 m。

圖10 樁周平面沖刷形態(tài)Fig.10 Plane scour pattern around pile foundation

圖11 樁周三維沖刷形態(tài)Fig.11 Three-dimensional scour pattern around pile foundation

4 結(jié)論

根據(jù)工程地質(zhì)和動(dòng)力條件，通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)珠海金灣風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)建設(shè)后的局部沖刷進(jìn)行研究，得到結(jié)論為：

1）純流作用下，受馬蹄渦和兩側(cè)束水的影響，樁周出現(xiàn)明顯沖坑，形成不對(duì)稱的“勺型”。純波作用下，樁基周?chē)臎_刷坑不能發(fā)展至環(huán)繞全部基礎(chǔ)，樁基周?chē)霈F(xiàn)明顯沙紋，沖刷坑較為不明顯。波流共同作用下，沖刷形態(tài)兼具這2種特征，沖刷坑形狀似“勺”，并伴有廣泛分布寬度較窄的沙紋，但本海域波流作用下的沖刷深度小于純流的，表明波浪起到了回填作用。

2）沖刷坑主要圍繞在樁基周?chē)?，沖刷最深處在單樁迎水面和結(jié)構(gòu)后兩側(cè)，單樁背流側(cè)沖坑略淺，尾流區(qū)有淤積，柱基前后沖刷坡度約為1:10～1:1，且樁前的沖刷坡度遠(yuǎn)大于樁后的。受尾渦脫落的影響，樁基側(cè)后方海床沖刷較明顯，側(cè)后方?jīng)_刷顯著區(qū)與主流方向的夾角在30°～66°。

3）考慮最不利情況，在沿波流方向上，沖刷深度－1.0、－2.0、－3.0 m以上范圍最遠(yuǎn)距單樁樁基中心約為35、15、9.0 m，即4.12D、1.76D、1.06D。在垂直于波流方向上，沖刷深度－1.0、－2.0、－3.0 m 以上范圍最遠(yuǎn)距單樁樁基中心約為25、22.5、7.5m，即2.94D、2.65D、0.88D。