珠海金灣海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沖刷及海纜穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

鄭燦，王洪慶，劉旭東，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）

1 引言

風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)和運(yùn)行期間的主要問題之一就是風(fēng)電場(chǎng)基座及其基礎(chǔ)和周圍電纜線的穩(wěn)定性，除受自身結(jié)構(gòu)屬性影響外，還受到外部動(dòng)力的影響，例如隨著樁基礎(chǔ)沖刷深度增加，樁結(jié)構(gòu)的自振頻率會(huì)接近海洋動(dòng)力運(yùn)動(dòng)頻率，容易形成共振，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性將產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響，并進(jìn)一步影響海纜安全。因此合理評(píng)估風(fēng)機(jī)單樁基礎(chǔ)、海上升壓站基礎(chǔ)以及纜線附近的水沙動(dòng)力響應(yīng)和海床穩(wěn)定特性是關(guān)乎風(fēng)電工程設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期的關(guān)鍵。

珠海金灣風(fēng)電場(chǎng)所處海洋環(huán)境復(fù)雜，受潮流、波浪、風(fēng)暴潮等多種動(dòng)力作用，且風(fēng)電場(chǎng)近區(qū)海床由不同的底質(zhì)沉積物構(gòu)成，其基礎(chǔ)沖刷及其引起的海纜失穩(wěn)情況尚不明晰，因此需開展物理模型試驗(yàn)研究，并提出相應(yīng)的防護(hù)措施，以期為珠海金灣海上風(fēng)電樁基設(shè)計(jì)和運(yùn)維提供科學(xué)參考。

2 海域狀況

金灣風(fēng)電場(chǎng)位于珠江口萬山島和高欄島之間的海域，南臨廣闊的南海海面，四周沒有島嶼等遮擋，風(fēng)電場(chǎng)所處海區(qū)受波浪影響顯著，尤其是南海頻繁的臺(tái)風(fēng)浪。

根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析可知，本海域潮汐屬于不正規(guī)半日混合潮型，一次全潮的周期約為24h50min。50年一遇表層、0.6H、底層、垂向平均設(shè)計(jì)流速分別為2.37m/s、1.86m/s、1.19m/s、1.81m/s。該海域的常浪向?yàn)镾E向、ESE向，其年出現(xiàn)頻率分別為52.4%、22.0%；強(qiáng)浪向?yàn)镾向、SE向、E向，浪高均超過3.0m。多年平均的H1/10多集中在3~4級(jí)波高中，3級(jí)（0.5m＜H1/10＜1.5m）波高出現(xiàn)頻率為73.65%，4級(jí)(1.5m＜H1/10＜3.0m)波高出現(xiàn)頻率為24.05%。50年一遇有效波高10.47m，峰值周期15.0s。

3 物理模型試驗(yàn)

本次研究基于大比尺物理模型，幾何比尺確定為1:50，水流、時(shí)間比尺采用1:7.07；波要素幾何比尺采用1:50，波速和波周期比尺采用1:7.07。本次物理模型試驗(yàn)在珠江水利科學(xué)研究院里水科學(xué)試驗(yàn)基地的大波浪水槽中進(jìn)行，水槽的長(zhǎng)、寬、高分別為76m、1.2m、1.5 m，水槽右端為造波機(jī)。

試驗(yàn)主要進(jìn)行樁基局部沖刷、海纜穩(wěn)定性和海上升壓站特性的試驗(yàn)。風(fēng)電場(chǎng)所處海域上表土層主要以淤泥質(zhì)土為主，中值粒徑約為0.01～0.03 mm之間，淤泥層塑性指數(shù)（Ip）為18.9 ,根據(jù)泥沙起動(dòng)流速計(jì)算公式分析底質(zhì)起動(dòng)流速。

張瑞瑾公式：

竇國(guó)仁公式：

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；為泥沙黏結(jié)力參數(shù)，原型沙取＝2.56 cm3/s2；δ為薄膜水厚度，取0.21×10-4 cm；γ為泥沙容重，約為2.65 t/m3；γs為水容重，約為1 t/m3。

Smerdon公式：

土的塑性指數(shù)是影響?zhàn)ば酝僚R界起動(dòng)切應(yīng)力主要因素。

式中：Ip為土的塑性指數(shù)。

起動(dòng)摩阻流速可由下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：τc為臨界起動(dòng)切應(yīng)力（N/m2）；為水的密度（kg/m3）。

原型表層底質(zhì)起動(dòng)摩阻流速與平均流速關(guān)系式為：

式中：u為垂線平均流速（m/s）；C為謝才系數(shù)，，其中，R≈h（水深）；為摩阻流速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）。

結(jié)合波浪條件和純流Shields泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)曲線，利用波浪摩擦系數(shù)計(jì)算振蕩流作用下床面切應(yīng)力，床面剪應(yīng)力的最大瞬時(shí)值，定義為：

式中：為近底波浪水質(zhì)點(diǎn)最大水平速度（m/s）；fw為波浪摩擦系數(shù)，本次試驗(yàn)研究淤泥粒中值粒徑在0.01～0.03 mm之間，顆粒較細(xì)，起動(dòng)切應(yīng)力為0.043 8 m/s，相對(duì)較大，根據(jù)Jonsson圖表關(guān)系可知，處于光滑紊流區(qū)，fw可由式（7）計(jì)算：

根據(jù)上式分析，金灣海域沙床底質(zhì)起動(dòng)流速介于1.03～1.81m/s之間，換算到模型中約為介于14.5～25.6 cm/s。經(jīng)過泥沙起動(dòng)試驗(yàn)，容重，d50為0.4 mm的精煤屑在試驗(yàn)水深時(shí)，起動(dòng)流速為12～16cm/s，滿足原型沙起動(dòng)準(zhǔn)則，因此本次研究采用該模型沙進(jìn)行后續(xù)研究。試驗(yàn)中單樁圓柱模型直徑D為0.17m（即原型為8.5m）；纜線直徑為2.646~2.886mm（即原型為138.3±6.0mm），質(zhì)量約為0.017kg/m（即原型為43.2kg/m），在纜線懸空段布置一個(gè)彎曲矯正裝置，用于減小纜線擺動(dòng)；海上升壓站模型主腿直徑d為4.1cm（即原型為2.05m）。試驗(yàn)中對(duì)極端波流動(dòng)力條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，闡述3種結(jié)構(gòu)情況下的局部沖刷情況。試驗(yàn)過程中流速采用剖面流速儀進(jìn)行測(cè)量，三維地形采用多普勒地形儀，并結(jié)合在水槽頂端安裝的電動(dòng)滑輪支架進(jìn)行測(cè)量。

4 結(jié)果分析

4.1 單樁基礎(chǔ)沖刷

圖1給出了單樁基礎(chǔ)海床沖刷穩(wěn)定后的床面形態(tài)和海床沖淤變化，從圖中可以看出沖刷主要發(fā)生在單樁周圍，其中單樁側(cè)后方海床沖刷較明顯，沖刷穩(wěn)定后測(cè)得最大沖刷深度約為5.36m（約為0.63D），沖刷深度-1.0m以上范圍沿波流方向上最遠(yuǎn)距樁基中心約為35m（約為4.12D），垂直于波流方向上最遠(yuǎn)距樁基中心約為25m（約為2.94D），沖刷深度-3.0m以上范圍沿波流方向上最遠(yuǎn)距單樁中心約為9.0m（約為1.06D），垂直于波流方向上最遠(yuǎn)距單樁中心約為7.5m（約為0.88D）。

圖1 單樁基礎(chǔ)海床沖刷結(jié)果

4.2 海上升壓站沖刷

海上升壓站是風(fēng)電場(chǎng)電力集中升壓、輸送的中轉(zhuǎn)站和關(guān)鍵樞紐。圖2為升壓站底床沖刷過程，對(duì)于升壓站前排樁基礎(chǔ)，迎浪側(cè)海床床砂被懸起，并在波流耦合動(dòng)力的作用下向下游運(yùn)動(dòng)，由于其后側(cè)基礎(chǔ)框架的遮擋作用，起始階段柱后懸沙并不明顯；對(duì)于升壓站后排樁基礎(chǔ)，柱后尾渦動(dòng)力充分發(fā)展，泥沙起懸較為顯著。

圖2 海上升壓站模型初始布置圖（左：前排 右：后排）

圖3為導(dǎo)管架基礎(chǔ)海床沖刷結(jié)果，從圖中可以看出導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)周圍呈前沖后淤態(tài)勢(shì)，且四基礎(chǔ)均有明顯的沖刷坑，受管架的遮蔽影響，內(nèi)側(cè)沖刷坑范圍略有減小。對(duì)于升壓站前排樁基礎(chǔ)，顯著沖刷區(qū)域位于迎浪側(cè)和模型外側(cè)，最大沖刷深度約為0.06m（即現(xiàn)場(chǎng)3.0m）；對(duì)于升壓站后排樁基礎(chǔ)，顯著沖刷區(qū)域位于迎浪側(cè)、模型外側(cè)和背浪側(cè)，最大沖刷深度約為0.05m（即現(xiàn)場(chǎng)2.5m）。升壓站沖刷顯著區(qū)樁周床面形態(tài)，沖刷坑呈現(xiàn)明顯的“勺”形，其中樁前沖刷集中在較小的區(qū)域內(nèi)，而樁后沖刷范圍明顯增大，沖刷最大處出現(xiàn)樁基迎水面及樁基結(jié)構(gòu)兩側(cè)，背水面高程由柱后向下游逐漸增大，沖刷平衡位置距離樁徑中心最大距離約6.5m左右。

圖3 導(dǎo)管架基礎(chǔ)海床沖刷結(jié)果

4.3 海纜穩(wěn)定性

纜線的布置及維穩(wěn)是風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)重要一環(huán)，本試驗(yàn)分別開展了有防護(hù)和無防護(hù)情況下的海纜穩(wěn)定性分析。根據(jù)上述成果可知樁基兩側(cè)擾流流速較大，考慮不利情況，將纜線模型與波流方向垂直布置，見圖4，左圖為無防護(hù)措施，右圖為有防護(hù)措施，其防護(hù)措施采用砂被方案，主要根據(jù)工程中實(shí)際砂被（厚度一般為0.35m，密度約為2.4t/m3，寬度為5m，長(zhǎng)度為10m）進(jìn)行正態(tài)縮尺縮放制作。此外，根據(jù)設(shè)計(jì)資料，纜線斜向進(jìn)入海床，繼而保持水平向近岸牽引，其中平整段距離床面3m，按照1:50的試驗(yàn)比尺，則試驗(yàn)中纜線掩埋于床面下0.06m。

圖4 樁周海纜線模型布置圖（左：無防護(hù)，右：有防護(hù)）

無防護(hù)下，海纜線布置處床面最終沖刷形態(tài)。受樁周繞流動(dòng)力的影響，樁基近區(qū)纜線頻繁暴露于水體內(nèi)，或被底質(zhì)回填掩埋，長(zhǎng)時(shí)間波流動(dòng)力作用后床面趨于穩(wěn)定，此時(shí)海纜已露出海床。而受砂被的掩護(hù)作用樁基近區(qū)纜線未出現(xiàn)暴露于水體內(nèi)的情況，但由于強(qiáng)波流動(dòng)力下海床表面沙紋會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響砂被的布置形式。因此，為了避免海床沙紋運(yùn)動(dòng)影響覆蓋物的布置，確保風(fēng)機(jī)和纜線的安全穩(wěn)定，建議設(shè)計(jì)施工時(shí)，充分考慮覆蓋物的自身重量，確保安裝后砂被能夠靠自身重量自沉一定深度。

5 結(jié)語

針對(duì)金灣海上風(fēng)電場(chǎng)工程近區(qū)底質(zhì)和動(dòng)力條件構(gòu)建正態(tài)大比尺物理模型，詳細(xì)分析極端波流聯(lián)合動(dòng)力作用下風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沖刷及海纜穩(wěn)定性進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

（1）單樁基礎(chǔ)沖刷主要發(fā)生在樁基礎(chǔ)周圍，單樁迎水面和結(jié)構(gòu)后兩側(cè)沖刷程度明顯大于背流側(cè)，淤積出現(xiàn)在尾流區(qū)，其中單樁基礎(chǔ)最大沖深約0.63D（D為單樁直徑），沖刷深度-1.0m以上沿順?biāo)鞣较蛏暇鄻痘行募s4.12D，垂直于水流方向上距樁基中心約2.94D。

（2）海上升壓站結(jié)構(gòu)近區(qū)均出現(xiàn)明顯的沖刷坑，受管架的遮蔽影響，內(nèi)側(cè)沖刷范圍略有減小。局部沖刷坑呈“勺”形，即樁前沖刷范圍較小，樁后沖刷范圍明顯增大，沖刷平衡位置距離樁基中心約為3.17d（d為升壓站主腿直徑）。

（3）無防護(hù)條件下，受矯正器作用樁基近區(qū)海纜懸空段未出現(xiàn)明顯擺動(dòng)，掩埋段則影響較大、頻繁暴露于水體中。有沙被防護(hù)作用時(shí)，樁基近區(qū)纜線未出現(xiàn)暴露于水體內(nèi)的情況，海纜穩(wěn)定性增強(qiáng)，但需注意沙紋運(yùn)動(dòng)對(duì)沙被穩(wěn)定的影響。