海上風(fēng)電斜樁基礎(chǔ)局部沖刷數(shù)值模擬研究

周茂強，陳大江，葛 暢，周國興，李超杰

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

隨著石油等不可再生資源的日益枯竭，清潔能源逐漸走入人們的視野，風(fēng)能因其具有綠色環(huán)保、清潔高效的特點逐漸被利用起來。海上風(fēng)電事業(yè)隨之大力發(fā)展，中國風(fēng)電累計裝機容量2030年將達8.24億kW左右[1]。導(dǎo)管架基礎(chǔ)因其強度高，結(jié)構(gòu)剛度大等特點，被廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)電領(lǐng)域中。海洋環(huán)境較為復(fù)雜，會導(dǎo)致海洋結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)周圍土體發(fā)生局部沖刷現(xiàn)象，從而使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到影響，因此研究導(dǎo)管架基礎(chǔ)的局部沖刷具有一定工程意義。

導(dǎo)管架斜樁基礎(chǔ)的局部沖刷在樁間距較大時可視為單斜樁的局部沖刷。目前已經(jīng)有學(xué)者對海上風(fēng)電基礎(chǔ)的局部沖刷進行研究[2- 8]。駱光杰等采用Flow3D數(shù)值模擬方法，建立了單樁基礎(chǔ)局部沖刷數(shù)值模擬，分析不同尺寸圓形防護板對單樁基礎(chǔ)局部沖刷保護效果的影響規(guī)律[2]；魏凱等針對圓柱型的單樁基礎(chǔ)，通過試驗研究了單向流和潮汐流的局部沖刷效應(yīng)以及防沖刷護圈的防護效果[3]；喻鵬等采用物理模型試驗和CFD數(shù)值模擬的方法，研究了墩心距對串聯(lián)雙圓柱橋墩局部沖刷情況的影響[4]；陳兵等通過圓柱基礎(chǔ)的沖刷模型試驗，研究了不同擾流環(huán)的高度以及不同流速對減小局部沖刷的效果[5]；王兆耀等通過Flow3D軟件進行數(shù)值模擬以及物理模型試驗，研究了大直徑單樁的局部沖刷特性，發(fā)現(xiàn)大直徑單樁的最大沖刷深度約為直徑的0.9[6]。

但是，目前對導(dǎo)管架斜樁基礎(chǔ)的研究較少，因此研究導(dǎo)管架斜樁基礎(chǔ)局部沖刷效應(yīng)具有重要的研究價值。本文以江蘇某海上升壓站項目地質(zhì)水文條件為研究背景，基于Flow3D軟件對不同傾斜角及樁徑情況下單斜樁基礎(chǔ)局部沖刷進行數(shù)值模擬研究，得到不同條件下斜樁基礎(chǔ)樁周土體沖刷深度的變化情況，為類似的采用導(dǎo)管架斜樁基礎(chǔ)的工程施工以及沖刷防護提供參考。

1 工程背景

1.1 水文地質(zhì)資料

某海上風(fēng)電場工程位于江蘇某近海海域，該場區(qū)潮流主要沿著東南向和西北向往復(fù)流動。冬季潮流可能最大流速在0.67～1.09 m/s之間；夏季潮流可能最大流速在0.91～1.33 m/s之間。該工程海底地形變化較為平緩，屬南黃海濱海相沉積地貌單元。水深為6～13 m。場區(qū)內(nèi)地基土表層以粉砂、粉砂夾粉土為主?？紤]到實際工程中導(dǎo)管架斜樁基礎(chǔ)場地及沖刷坑深度，本文選取表層粉砂作為數(shù)值模擬中的沖刷土層，該土層的顆粒組成為：2～0.5、0.5～0.25(砂粒層)、0.25～0.075、0.075～0.005(粉粒層)、<0.005 mm顆粒占比分別為0.1%、28.6%、41.4%、26.9%、3.0%。

1.2 導(dǎo)管架基礎(chǔ)

本工程海上升壓站結(jié)構(gòu)共由上部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)和4根角樁基礎(chǔ)兩部分組成。4根角樁為斜鋼管樁，傾斜角約為5°，直徑2.3 m，樁長75 m，壁厚36 mm，埋深約為51.4 m。導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意

2 數(shù)值模型及模型驗證

2.1 三維數(shù)值模型

以江蘇某海域海上升壓站導(dǎo)管架斜樁基礎(chǔ)為背景，采用Flow3D軟件建立單斜樁基礎(chǔ)模型，若斜樁基礎(chǔ)樁徑為D，則下游區(qū)域為13D以及兩側(cè)為4.5D處可忽略邊界效應(yīng)的影響[9-10]，為了確保樁前土層不被完全沖走以及樁前水流充分發(fā)展，模型計算域設(shè)為96 m×55 m×18 m。由工程水文地質(zhì)資料可知，該工程區(qū)域最大流速為1.33 m/s，水深取9 m。土層參數(shù)選各顆粒組成的平均粒徑，取中間3組，采用Flow3D沉積物沖刷模塊進行土體建模，密度為2 650 kg/m3，休止角取32°，沿豎直方向設(shè)重力加速度及靜水壓強。模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對樁附近進行網(wǎng)格加密，加密區(qū)網(wǎng)格大小設(shè)為0.5 m×0.5 m×0.5 m。外部網(wǎng)格取1.5 m×1.5 m×1.5 m。模型入口和采用壓力邊界，選取流體高度為9 m，流速設(shè)為1.33 m/s，方向沿x軸方向，出口選取自由出流邊界，兩側(cè)選取對稱邊界，底部選為壁面邊界，頂部選為壓力邊界，流體體積分?jǐn)?shù)設(shè)為0，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)管架斜樁基礎(chǔ)數(shù)值模型示意

2.2 模型驗證

為驗證模型的準(zhǔn)確性，將數(shù)值模型得出的流場與Melville[11]經(jīng)典試驗進行對比。試驗距離床面0.4H(H為初始水深)處平面的流場見圖3a，數(shù)值模型得到的相同位置處的平面流速矢量見圖3b。從圖3可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果和試驗的樁前擾流及樁后尾渦基本吻合。

圖3 單樁基礎(chǔ)局部沖刷數(shù)值模型示意

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 樁徑對斜樁局部沖刷深度的影響

為研究樁徑大小對沖刷深度的影響，設(shè)定樁徑分別為2.3 m和3 m的兩組斜樁基礎(chǔ)，得到斜樁基礎(chǔ)樁周土體附近最大沖刷深度隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 不同樁徑下最大沖刷深度隨時間變化情況

從圖4可以看出，沖刷是一個動態(tài)變化的過程，樁徑對沖刷深度隨時間的變化趨勢沒有影響，斜樁樁周土體局部最大沖刷深度均隨時間先迅速增大再緩慢增加，流態(tài)穩(wěn)定后，沖刷深度也趨于穩(wěn)定?？紤]到數(shù)值模擬結(jié)果的精確性和穩(wěn)定性，選取5 000 s之后穩(wěn)定的沖刷深度為最大沖刷深度。此外，還可以看出，1 000 s為土體沖刷效應(yīng)最大時間段，直徑為2.3 m和3 m的斜樁在1 000 s時最大沖刷深度分別為0.679 m和0.888 1 m，分別達到各自最終穩(wěn)定沖刷深度1.098、1.198 m的61.8%、74.1%，斜樁基礎(chǔ)樁周土體最大沖刷深度會隨著樁徑增大而增大。

橫斷面沖刷結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，沖刷坑左右兩側(cè)呈對稱分布，沖刷深度按階梯狀由遠及近依次增加，空間上為馬蹄形。沖刷深度隨樁徑增加而增大是因為流場受到樁徑影響，樁側(cè)繞流和樁前下潛水流強度隨樁徑增大而增大，沖刷程度也隨之增加。同時，樁徑增大導(dǎo)致水流的路程的增加，水流和泥沙運動需要更多的能量，因此沖刷深度的增大受到了一定的限制。在工程設(shè)計中，需要注意樁徑對局部沖刷的影響以及考慮沖刷達到穩(wěn)定時的沖刷深度對承載力的影響。

圖5 橫斷面沖刷結(jié)果

3.2 傾斜角度對局部沖刷深度的影響

為研究不同傾斜角度對沖刷深度的影響，設(shè)定傾斜角度分別為0、5°、10°的3組斜樁基礎(chǔ)。床面沖刷三維形態(tài)如圖6所示。從圖6可以看出，傾角為0、5°、10°時沖刷坑最遠端距樁基10、11、16 m，說明傾斜角度對沖刷坑形態(tài)有一定影響，在工程設(shè)計時需考慮到傾斜角度對樁周土體的沖刷范圍的影響。傾角為0、5°、10°時對應(yīng)的沖刷深度分別為1.083、1.098、1.134 m，沖刷深度隨傾角增大而增大但最終差別不大。最大沖刷深度主要在樁的兩側(cè)，樁后出現(xiàn)土體淤積現(xiàn)象，形成較長的拖尾，這是因為回流導(dǎo)致泥沙顆粒在樁后發(fā)生堆積。樁前也出現(xiàn)小范圍堆積現(xiàn)象，這是因為上游來流速度較小，樁前下潛水流較弱，導(dǎo)致樁前沖刷現(xiàn)象不明顯。在設(shè)計導(dǎo)管架樁基礎(chǔ)時，角樁傾斜角度對沖刷深度的影響不大。

圖6 床面沖刷三維形態(tài)

4 結(jié) 論

以江蘇某海上升壓站項目為研究背景，采用Flow3D軟件對不同傾斜角度和樁徑下的導(dǎo)管架斜樁基礎(chǔ)局部沖刷進行了數(shù)值模擬研究，得到了以下主要結(jié)論：

(1)斜樁樁周土體局部最大沖刷深度均隨時間先迅速增大再緩慢增加，流態(tài)穩(wěn)定后，沖刷深度也趨于穩(wěn)定，直徑為2.3 m和3 m的最大沖刷深度分別為1.098 m和1.198 m。流場受到樁徑影響，樁側(cè)繞流和樁前下潛水流強度隨樁徑增大而增大，導(dǎo)致沖刷程度也隨之增加。

(2)傾角為0、5°、10°時沖刷坑最遠端距樁基10、11、16 m，說明傾斜角度對沖刷坑形態(tài)有一定影響，在工程設(shè)計時需考慮到傾斜角度對樁周土體的沖刷范圍的影響。

(3)傾角為0、5°、10°時對應(yīng)的沖刷深度分別為1.083、1.098、1.134 m。最大沖刷深度主要在樁的兩側(cè)，樁后出現(xiàn)土體淤積現(xiàn)象，形成較長的拖尾。