海上風電樁基沖刷計算研究

王守峰，戚振亞，許衛(wèi)東

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

1 引言

海上風力發(fā)電場的建設可避免土地資源的浪費，且年平均風速較大，年發(fā)電量大[1，2]。近年來，我國海上風電事業(yè)發(fā)展迅猛。但海上風機運行環(huán)境惡劣，基礎(chǔ)受到波浪、海流、水深等因素相互影響，容易形成比較大的沖刷坑[3]。我國在規(guī)范、手冊和教材中對過河大橋樁基的沖刷問題[4～7]進行了討論和規(guī)定，但部分學者考慮到河流和海洋在動力環(huán)境方面有很大不同，不能完全照河流橋墩的規(guī)定執(zhí)行。因此，針對跨海大橋、平臺、線路基礎(chǔ)等海洋建筑物的樁基沖刷問題作了大量研究[8～16]。本文簡要介紹海上風電樁基的沖刷機理，沖刷深度計算經(jīng)驗公式，并以山東某海上風電為例，進行計算。

2 沖刷機理

引起樁、柱、墩周圍局部沖刷的動力因素一般可歸結(jié)為潮流、波浪以及波流共同作用等3個方面。在海洋環(huán)境中，幾乎所有的樁基沖刷都是由波流共同作用造成的。沖刷發(fā)生機理非常復雜，由于實驗條件和認識程度所限，最初研究多是波、流分開的。隨著研究的不斷深入，最后逐漸過渡到對波、流作用進行耦合疊加，對波流[17]共同作用下樁基沖刷問題進行探討。

2.1 海流作用

對樁基周圍水動力情況進行觀測后發(fā)現(xiàn)海流作用下障礙物造成的繞流及由此引發(fā)的二次流是造成樁基沖刷的主要原因。位于恒定流場中的樁基，造成

圓柱側(cè)向繞流，并在樁基迎流面作用下形成一股向下的二次流，在水底處產(chǎn)生馬蹄形渦流，并沿圓柱邊緣流向下游，在樁后水流與樁壁分離。物理模型實驗表明，二次流引起樁基周圍局部沖刷主要通過以下3種方式：①樁基前方形成的旋渦，為沖刷坑圍繞樁基發(fā)育的主要作用力；②由于隨離底面高度的增加水流流速增大，樁基上部水頭增高，自上而下壓力的梯度在樁基迎流面形成強大的垂向射流，并沿樁壁下流。此種渦流的存在，使樁基前面底床沖刷，并在沖刷坑內(nèi)形成相對平坦的小區(qū);③由剝離旋渦形成的二次流在沖刷坑的迎流面附近形成較弱的反向旋渦。樁基的側(cè)向繞流流速加大，助長了樁前旋渦侵蝕作用，加速泥沙的懸浮運移。在與流向呈90°角相交的樁基側(cè)壁，流速可增至原來的2倍。樁基后方的梯度變化趨勢與樁前相反，隨離底面高度增加壓力減小，這種不平衡使泥沙易隨紊動水流搬運出沖刷坑。

2.2 波浪作用

在波浪作用下，結(jié)構(gòu)物周圍的波動水流在樁柱體兩側(cè)形成馬蹄形漩渦并向下游方向移動。在原始流場作用下,波浪形成的渦流進一步助長底床沖刷作用,側(cè)向馬蹄形漩渦向下游移動則造成沖刷坑位置分散，遍布樁柱四周，見圖1。

圖1 波浪沖刷機理

2.3 土體特性影響

海流和波浪是造成樁基周圍海底沖刷的主要原因，而土體本身的性質(zhì)，使其對波、流的響應帶有一定的特殊性，不同土體的破壞機制和由此而形成的樁周局部沖刷機制有所區(qū)別。

海底泥沙的起動運移是由水流和波浪形成的海底剪切應力和泥沙本身的臨界剪切應力的相對大小決定的。當水力剪切力超過泥沙臨界剪切應力時，則泥沙啟動，海底發(fā)生沖刷。在自然狀態(tài)下，海底泥沙在波浪和潮流作用下維持一種平衡，但當有建筑物立于海底后，建筑物周圍泥沙平衡被破壞，出現(xiàn)局部沖刷。樁基立于海底之后泥沙平衡從兩個方面同時遭到破壞：除了水動力場的改變，產(chǎn)生局部繞流和旋渦，更重要的是被擾動之后海底泥沙性狀發(fā)生變化。

對沒有擾動的土體，適度的波浪循環(huán)作用會打破原有的平衡，建立土體對波浪的一種適應性結(jié)構(gòu)變化，向排水壓密的過程發(fā)展，而土體結(jié)構(gòu)力的加強將對波浪、水流產(chǎn)生類似于剛體的屏蔽作用，在這種情況下，海底泥沙不易起動運移產(chǎn)生局部沖刷。但樁基的埋設不可避免地對土體造成局部擾動，經(jīng)擾動之后再沉積的土體，原有的結(jié)構(gòu)及其結(jié)構(gòu)力被破壞，在波浪、海流容易發(fā)生液化和剪切破壞，促使樁周發(fā)生局部沖刷，使沖刷程度加大。

3 最大沖刷深度計算

本研究選用馮秀麗[18,19]計算模式進行樁基沖刷計算，公式如下：

(1)

式(1)中：a為待定系數(shù)，本文取1.3；D為樁徑，m；g為重力加速度,m/s2；H為波高，m；T為周期,s；L為波長，m；h為水深,m；vc為近底最大可能流速，m/s。

4 工程概況

本工程[20]位于山東省濰坊昌邑市境內(nèi)北部萊州灣海域，風電場規(guī)劃范圍呈不規(guī)則多邊形，風電場中心離岸直線距離約15.5 km，泥面高程在-9.2～-6.7 m，水下地形為西南高東北低。為安全起見，近底最大可能流速按實測最大垂線平均流速考慮，為52 cm/s。樁基分別選取直徑2 m和6 m的圓樁進行計算。

5 計算結(jié)果

根據(jù)公式計算得到五年一遇波浪情況下研究海區(qū)樁基最大沖刷深度，見表1和表2。

表1 各方案樁基最大沖刷深度計算結(jié)果(2m樁徑)

表2 各方案樁基最大沖刷深度計算結(jié)果(6m樁徑)

由表1、表2知，工程區(qū)域周邊2 m直徑S1～S9計算點的樁基沖刷深度在1.98～2.43 m，6 m直徑S1-S9計算點的樁基沖刷深度在5.40～6.64 m。沖刷深度與樁徑基本一致。

6 對策與建議

樁基周圍沖刷形態(tài)的總輪廓和大致深度是在樁基形成之后很短的時間內(nèi)實現(xiàn)的。最終平衡狀態(tài)需要較長時間才能完成。波流共同作用下局部沖刷機理復雜，理論研究也很不成熟，經(jīng)驗公式存在一些誤差，且無法給出由于結(jié)構(gòu)形態(tài)不同引起水流變化導致的沖刷形態(tài)、范圍等，建議在工程建設期間及工程建成后，對風機基礎(chǔ)局部沖刷情況加強監(jiān)測，及時采取防護措施。

7 結(jié)論

本文介紹了海上風電樁基沖刷深度常用的王汝凱和馮秀麗公式，然后以山東某風電場為例，采用馮秀麗公式進行了計算，得到結(jié)果為：該工程海域樁基沖刷深度與樁基直徑之比在0.99～1.22之間。沖刷深度與樁徑基本一致。為此，建議海上風電場在運行階段進一步加強樁基沖刷坑監(jiān)測與防護。