陽(yáng)江沙扒海上風(fēng)電三桶吸力樁基礎(chǔ)局部沖刷試驗(yàn)研究

任 灝,劉 博,劉曉建,郭輝群,陳 晨

(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;3.中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 珠海 519082)

海上風(fēng)電具有資源豐富、發(fā)電利用小時(shí)數(shù)高的特點(diǎn)，是新能源開(kāi)發(fā)的前沿領(lǐng)域，也是廣東省可再生能源中最具規(guī)?；l(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。三桶吸力樁基礎(chǔ)是海上風(fēng)電領(lǐng)域近年發(fā)展起來(lái)適用于淺覆蓋層海床地質(zhì)的一種基礎(chǔ)形式，具有環(huán)境友好、安裝施工快速、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。

風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和后續(xù)使用過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題之一是風(fēng)電樁基的穩(wěn)定性。受風(fēng)電場(chǎng)樁基阻塞影響，將造成繞柱流動(dòng)的水體流線發(fā)生顯著彎曲，劇烈的渦動(dòng)變化將引起附近海床形成嚴(yán)重淘刷，減弱樁基礎(chǔ)承載力，危及風(fēng)電樁基礎(chǔ)及上部風(fēng)機(jī)安全。因此，海洋結(jié)構(gòu)物局部沖刷問(wèn)題一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)，大多數(shù)研究主要針對(duì)于單樁和群樁結(jié)構(gòu)，單樁研究根據(jù)入射動(dòng)力的不同可分為純流情況(Guney等[1]，Zhao等[2])、純波浪情況(Sumer等[3-4]，Ahmad等[5])和波流聯(lián)合情況 (Klopman等[6]，Olabarrieta等[7])，群樁研究根據(jù)不用群樁形式進(jìn)行波浪下沖刷實(shí)驗(yàn)(Sumer等[8])和水流沖刷實(shí)驗(yàn)(Amini 等[9]，Lanca等[10])。三桶吸力樁相對(duì)于單樁和群樁基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)形式更加復(fù)雜，交錯(cuò)的橫向桁架以及頂蓋覆土近區(qū)非規(guī)則肋板加劇了基礎(chǔ)周圍水體的紊動(dòng)，床面泥沙運(yùn)動(dòng)多變，準(zhǔn)確給出復(fù)雜海洋環(huán)境下局部沖刷深度成為當(dāng)前海岸工程領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性的難題。

擬建工程位于廣東省西部陽(yáng)江沙扒海域，緊鄰珠三角，所處海況較為惡劣，受波浪、海流、風(fēng)暴潮等多種動(dòng)力的影響，且各動(dòng)力間的非線性作用并非簡(jiǎn)單疊加(Matutano等[11])，導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)局部海床沖刷深度難以用現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)。此外，三桶吸力樁基礎(chǔ)因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，海床沖刷受桶頂-桶頂過(guò)渡段肋板的影響較大。為了準(zhǔn)確給出陽(yáng)江沙扒海上風(fēng)電三桶吸力樁基礎(chǔ)局部沖刷深度，有必要考慮沙扒海域風(fēng)機(jī)所處的海洋環(huán)境和海床底質(zhì)沉積物特征，基于大比尺物理模型試驗(yàn)，探討復(fù)雜海況下三桶吸力樁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)局部沖刷問(wèn)題及其對(duì)清淤措施的響應(yīng)，研究成果可為類似工程建設(shè)提供參考。

1 海域狀況

三峽陽(yáng)江沙扒海上風(fēng)電項(xiàng)目位于廣東省陽(yáng)江市陽(yáng)西縣沙扒鎮(zhèn)海域，潮汐屬于不正規(guī)半日潮，根據(jù)本項(xiàng)目周年潮位站一周年的潮位資料統(tǒng)計(jì)，最高潮位為2.5 m，最低潮位為-1 m，最大潮差3.25 m，平均潮差1.51 m。根據(jù)周年水文觀測(cè)期間(2016年6月1日—2017年5月31日)數(shù)據(jù)得到本期項(xiàng)目場(chǎng)址位置波浪周年平均H1/3為0.94 m，周年平均H1/10為1.18 m，周年平均周期4.3 s，周年最大H1/3為5.31 m，周年最大H1/10為6.54 m，測(cè)得的最大波高為7.95 m，對(duì)應(yīng)波周期為17.3 s。綜合考慮工程區(qū)域波浪特征，試驗(yàn)典型波浪要素見(jiàn)表1，2年和50年一遇海流設(shè)計(jì)流速分別為0.63、0.99 m/s。

表1 沙扒海域波浪要素

2 物理模型試驗(yàn)

模型中的波浪采用正態(tài)，根據(jù)模型和水槽造波能力，參考國(guó)家制定JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》斷面長(zhǎng)度比尺小于或者等于60，不規(guī)則波有效波高不應(yīng)小于2 cm，譜峰值周期不應(yīng)小于0.8 s，最后綜合實(shí)際海域波浪條件，確定幾何比尺為1∶50，水流動(dòng)力比尺(流速比尺λv、時(shí)間比尺λt)采用1.00∶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1.00∶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，淤泥層塑性指數(shù)(Ip)為18.9。通過(guò)泥沙起動(dòng)流速計(jì)算公式求得底質(zhì)起動(dòng)流速情況，如武漢水院張瑞瑾公式[12]，即：

(1)

式中h——水深；d——泥沙中值粒徑；γs、γ——泥沙顆粒及水的容重。

竇國(guó)仁公式[13]，即：

(2)

式中h——水深；d——泥沙中值粒徑，取d=0.01～0.02 mm；Δ——糙率，d<0.5 mm時(shí)，取Δ=0.5 mm；εk——泥沙黏結(jié)力參數(shù)，原型沙取εk=2.56 cm3/s2；δ——薄膜水厚度，取0.21×10-4cm。

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[14]公式計(jì)算：

(3)

原型表層底質(zhì)起動(dòng)摩阻流速計(jì)算結(jié)果(u*=0.0438 m/s)可換算到平均流速，其關(guān)系為

(4)

William 等[15]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Jonsson[16]的波浪摩擦系數(shù)，計(jì)算，床面剪應(yīng)力τcm的最大瞬時(shí)值，定義為

(5)

式中umc——近底波浪水質(zhì)點(diǎn)最大水平速度；fw——波浪摩擦系數(shù)，由Jonsson[16]的圖表確定。

對(duì)于本次選定的淤泥土層，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*=0.043 8 m/s)，處于光滑紊流區(qū)，fw可由式(6)計(jì)算：

fw=0.09RE-0.2

(6)

綜上，不同公式時(shí)的泥沙起動(dòng)流速計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，在1.04～1.60 m/s，其中最小為1.04 m/s(換算到模型中約為0.147 m/s)。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，本次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0.12～0.16 m/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。

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)基地的大波流水槽中進(jìn)行，水槽寬5 m，長(zhǎng)50 m，高1.2 m。造波機(jī)位于水槽右端，水槽左端設(shè)置有1∶8的消浪斜坡，斜坡上覆蓋多孔材料以減少波浪反射，水槽底內(nèi)部裝有潛水泵，試驗(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，直到產(chǎn)生的水流流速達(dá)到試驗(yàn)要求，總共布置4個(gè)浪高儀G1位于造波端，G2位于平臺(tái)前端，G3位于沙坑前端，G4位于后方平臺(tái)中部，試驗(yàn)布置和模型見(jiàn)圖1。三桶吸力樁模型，吸力桶直徑0.246 m，3個(gè)桶圓心間距0.6 m，上部桿件鉛錘距離0.93 m，直徑0.032 m，圓心距0.27 m，“x”交叉桿件直徑0.016 m，模型主要考慮3種埋深方式，分別為不清淤、清淤1 m和清淤2 m，見(jiàn)圖2。

表2 泥沙起動(dòng)流速統(tǒng)計(jì)結(jié)果

a)試驗(yàn)布置

b)模型

圖2 三桶吸力樁埋深布置

3 樁基局部沖刷試驗(yàn)結(jié)果

3.1 沖刷穩(wěn)定分析

實(shí)際情況下，一次臺(tái)風(fēng)過(guò)程約為3 h，根據(jù)時(shí)間比尺換算物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程時(shí)間約0.5 h，通過(guò)對(duì)吸力桶迎浪面測(cè)點(diǎn)進(jìn)行量測(cè)，并每隔0.5 h沖刷后進(jìn)行測(cè)點(diǎn)測(cè)量，直至前后2次測(cè)量地形較為接近時(shí)認(rèn)為沖刷穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果顯示沖刷2 h后達(dá)到穩(wěn)定。圖3為測(cè)點(diǎn)布置位置示意，圖4為原型1～15 h后測(cè)點(diǎn)沖刷深度測(cè)量結(jié)果?？梢钥闯霾髯饔迷? h后，沖刷深度基本達(dá)到穩(wěn)定，原型第12小時(shí)和15小時(shí)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小時(shí)后沖刷坑達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖3 吸力桶測(cè)點(diǎn)布置示意

圖4 樁基前后不同時(shí)刻剖面沖刷深度

3.2 不同動(dòng)力對(duì)最大沖刷影響

以不清淤、設(shè)計(jì)低水位50年一遇波浪和海流條件為例，分析波浪、水流以及波流作用下三桶吸力樁導(dǎo)管基礎(chǔ)局部沖刷深度。

3.2.1純流作用

圖5為純流作用下的床面沖淤穩(wěn)定形態(tài)，可以看出吸力桶基礎(chǔ)周圍沖刷深度較小，最大沖刷坑深度約為0.4 m。相較于樁身露出床面較多的單樁結(jié)構(gòu)，吸力桶桶頂位于床面附近，桶身阻水較弱，純流作用下桶結(jié)構(gòu)周圍無(wú)法形成兩側(cè)束水和渦流系，且桶頂細(xì)樁身產(chǎn)生的下降流被桶頂阻擋，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)近區(qū)床面切應(yīng)力較小，因此床面沖刷形態(tài)不明顯。

圖5 純流作用下床面沖淤穩(wěn)定形態(tài)

3.2.2純波作用

圖6為純波作用下的床面沖淤穩(wěn)定形態(tài)，可以看出波浪掀沙下三桶吸力樁模型前端和后端廣泛分布寬度較窄的沙紋，而吸力桶結(jié)構(gòu)內(nèi)部海床形態(tài)較不規(guī)則，相對(duì)結(jié)構(gòu)外部有輕微淤積，實(shí)測(cè)吸力桶附近最大沖刷深度約1.5 m。

圖6 純波作用下床面沖淤穩(wěn)定形態(tài)

3.2.3波流作用

圖7為波流聯(lián)合作用下的床面沖淤穩(wěn)定形態(tài)，可以看出波流下桶結(jié)構(gòu)近區(qū)床面沖刷深度大于純水流和純波浪情況，最大沖刷深度約為2.27 m，出現(xiàn)在桶結(jié)構(gòu)迎浪面?？傮w而言，這主要?dú)w因于純水流下床面表層水體速度與波浪水質(zhì)點(diǎn)速度相比較小，所以泥沙的起動(dòng)量和輸沙率很小，而在純波浪作用下，雖然較大的波浪水質(zhì)點(diǎn)速度使泥沙容易起動(dòng)，但由于波浪水質(zhì)點(diǎn)速度的時(shí)間平均值為0或?yàn)楹苄〉闹?，所以時(shí)間平均的輸沙率相對(duì)較小。但波浪與水流共同作用下，波浪產(chǎn)生的剪切應(yīng)力使泥沙起動(dòng)后，水流便很容易將起動(dòng)后的泥沙搬運(yùn)走，出現(xiàn)較大的海床沖刷。

圖7 波流作用下床面沖淤穩(wěn)定形態(tài)

3.3 不同工況下最大沖刷深度

圖8為不同重現(xiàn)期波流作用下三桶吸力樁近區(qū)的海床沖刷形態(tài)，受結(jié)構(gòu)上部桁架繞流作用，三桶吸力樁連線及尾部區(qū)域均存在顯著變化，沖刷形態(tài)呈三角形，且2年一遇波流下的海床沖刷深度和沖刷范圍均小于50年一遇，這主要?dú)w因于2年一遇重現(xiàn)期下波高較小，底部擾動(dòng)較小，同時(shí)床面流速小、攜沙能力弱。同時(shí)，清淤深度不同造成桶頂肋板繞流強(qiáng)度不同，引起海床沖淤形態(tài)存在明顯差異。

a)不清淤(2年一遇)

b)清淤2 m(2年一遇)

c)清淤1 m(50年一遇)

d) 清淤2 m(50年一遇)

對(duì)不同工況下海床最大沖刷深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表3，可以看出當(dāng)波高相同時(shí)，水深越大波浪引起的床面最大沖刷深度越小。不同清淤措施下，床面最大沖刷均出現(xiàn)在50年一遇極端低水位情況，其中不清淤、清淤1 m和清淤2 m情況下分別為2.34、2.02、2.40 m，則沖刷床面距吸力桶桶頂分別為 2.84、1.52、0.90 m，表明桶身長(zhǎng)度固定的情況下，在吸力桶結(jié)構(gòu)埋置前對(duì)床面進(jìn)行清淤有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，且清淤厚度越大對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越有利。

表3 不同工況下吸力桶結(jié)構(gòu)周圍最大沖刷深度 單位：m

4 結(jié)論

結(jié)合工程底質(zhì)和動(dòng)力條件建立物理模型試驗(yàn)，對(duì)陽(yáng)江沙扒海上風(fēng)電場(chǎng)三桶吸力樁基礎(chǔ)局部沖刷問(wèn)題進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下。

a)波流作用下，三桶吸力樁結(jié)構(gòu)近區(qū)的海床沖刷深度大于純水流和純波浪情況，這主要?dú)w因于波流聯(lián)合作用時(shí)，波浪首先引起海床“掀沙”，隨后海流將懸沙向下游搬運(yùn)，因此其作用下的海床沖刷深度較大。

b)受上部桁架繞流作用，三桶吸力樁連線及迎浪、背浪側(cè)海床均出現(xiàn)顯著變化，沖刷形態(tài)呈三角形，且2年一遇波流下的海床沖刷深度小于50年一遇，這主要因?yàn)樾≈噩F(xiàn)期下波高較小，底部擾動(dòng)不強(qiáng)，同時(shí)床面流速小、攜沙能力弱。

c)不同清淤措施下，肋板的繞流強(qiáng)度存在差異，引起海床呈現(xiàn)不規(guī)則下切。桶身長(zhǎng)度一定時(shí)，在三桶吸力樁結(jié)構(gòu)埋置前對(duì)床面進(jìn)行清淤有利于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，且清淤深度越大對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越有益。