收稿日期:2022-01-23
基金項(xiàng)目:中國長江三峽集團(tuán)有限公司科研項(xiàng)目(202003347);水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助課題(sklhse-2020-
C-06);國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(52001149);國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(52039005);國家自然科學(xué)基金國際(地區(qū))合作與交
流項(xiàng)目(51861165102);中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(TKS20200204;TKS20210102;TKS20210110)
通信作者:閆俊義(1974—),男,博士、正高級工程師,主要從事海上風(fēng)電安全運(yùn)行與防護(hù)技術(shù)方面的研究。yan_junyi@ctg.com.cn
DOI:10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0109 文章編號:0254-0096(2023)06-0383-07
摘 要:基于水下自護(hù)砂漿自流可控灌漿技術(shù),利用高性能砂漿將單樁基礎(chǔ)周圍拋石膠結(jié)固化成膠結(jié)拋石體防護(hù)結(jié)構(gòu),并通過模型比尺為1∶13的大型波流水槽沖刷試驗(yàn),研究樁周膠結(jié)拋石體防護(hù)結(jié)構(gòu)在極端波流條件下的防護(hù)效果。試驗(yàn)結(jié)果表明,在重現(xiàn)期50和100 a極端波流條件下,水下部分膠結(jié)拋石體防護(hù)結(jié)構(gòu)均能保持整體穩(wěn)定,并有效減少單樁周圍沖刷,樁周最大沖刷分別深度減少了82%和81%,沖刷范圍減少了70%和80%。試驗(yàn)結(jié)果證明了部分膠結(jié)拋石體防護(hù)結(jié)構(gòu)對海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性起到良好的防沖刷保護(hù)作用。
關(guān)鍵字:海上風(fēng)電;沖刷;沖刷防護(hù);單樁;水下膠結(jié)拋石體
中圖分類號:TV36 """"" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
0 引 言
海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)因其承載力高、沉降均勻、施工方便,是海上風(fēng)電機(jī)應(yīng)用較為廣泛的一種結(jié)構(gòu)形式[1-2]。單樁的布設(shè)破壞了砂床附近原本波流沖刷平衡的狀態(tài),引起樁周地基土體局部沖刷,嚴(yán)重威脅海上風(fēng)電機(jī)組的正常運(yùn)行。單樁防沖刷措施主要包括拋石、砂被、固化土和仿生草等。根據(jù)江蘇海域海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)沖刷檢測,布設(shè)拋石和砂被防護(hù)后,樁周沖刷深度仍能達(dá)到8 m左右。因此,提出一種具有技術(shù)可行性和工程經(jīng)濟(jì)的樁基防沖刷措施和施工工藝十分重要[3-5]。
國內(nèi)外研究者發(fā)現(xiàn),防沖刷護(hù)圈對單樁局部沖刷具有明顯的防護(hù)效果[6-11]。王順意等[8]研究了在單向流作用下,防沖刷護(hù)圈安裝高度和防護(hù)范圍(半徑、角度)對單樁局部沖刷的防護(hù)效果。魏凱等[9]開展單向流和潮汐流作用下的局部沖刷試驗(yàn),研究不同海洋來流形態(tài)下單樁局部沖刷規(guī)律及防沖刷護(hù)圈的防護(hù)效果。Akib[10]提出一種防沖刷護(hù)圈與土工袋相結(jié)合的單樁周圍防沖刷措施,并通過試驗(yàn)說明此防護(hù)措施防沖刷效率優(yōu)于土工袋單獨(dú)防護(hù)。Zarrati等[11]研究對比了拋石、防沖刷護(hù)圈、拋石與防沖刷護(hù)圈組合的防沖刷效率,試驗(yàn)結(jié)果表明,相比拋石單獨(dú)防護(hù),拋石與防沖刷護(hù)圈組合防護(hù)可減少拋石的使用量。基于上述研究可得知,防沖刷護(hù)圈是對于單樁局部沖刷防護(hù)有效的防護(hù)措施,但在實(shí)際工程中由于技術(shù)的限制,單樁幾乎未實(shí)現(xiàn)并應(yīng)用此類的防護(hù)方法。
本文基于水下自護(hù)砂漿自流可控灌漿技術(shù)[12-14],通過控制水下自護(hù)砂漿的流動性能和灌漿量,將單樁周圍拋石散粒體膠凝固化成具有膠結(jié)體和散粒體組合特征的膠結(jié)拋石體護(hù)底結(jié)構(gòu),通過大比尺波流水槽試驗(yàn),系統(tǒng)研究在波流共同作用下膠結(jié)拋石體防沖刷結(jié)構(gòu)的防護(hù)效果,以期為海上風(fēng)電樁基、筒基防沖刷提供新思路。
1 試驗(yàn)概況
1.1 模型設(shè)計(jì)
本試驗(yàn)研究在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程研究院大比尺波流水槽內(nèi)進(jìn)行,如圖1,波流水槽尺寸(長×寬×高)為456 m×5 m×12 m。單樁位于水槽中央,沿波流方向兩側(cè)各設(shè)置長7.5 m,最大深度達(dá)到2.3 m的沖刷試驗(yàn)砂坑。
本試驗(yàn)基于重力相似準(zhǔn)則,并依據(jù)國內(nèi)某海上風(fēng)電場所處海域的波流水動力條件為原型對模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)規(guī)范要求[15],單樁縱向截面面積與水槽截面面積之比不大于1∶6,其中均為水流預(yù)計(jì)通過的面積,簡化為單樁直徑與水槽寬度之比不大于1∶6,試驗(yàn)水槽寬度為5 m,模型單樁直徑為0.5 m,滿足規(guī)范要求;原型單樁直徑為6.5 m,因此本次試驗(yàn)的長度比尺確定為1∶13,通過重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行換算,時(shí)間比尺和流速比尺均為1∶3.6。陳國平等[16]指出模型試驗(yàn)的長度比尺與強(qiáng)度比尺相等,在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)中均為1∶13。在實(shí)際工程施工中,為保證施工質(zhì)量與水下膠結(jié)拋石體護(hù)底后期的防護(hù)效果,施工期應(yīng)選擇在波流較小的時(shí)段,避免較大的波流條件將未固化的砂漿沖刷,同時(shí)這也需要水下自護(hù)砂漿具有早強(qiáng)性能。因此,在模型試驗(yàn)研究中,對砂漿配合比考慮了早強(qiáng)設(shè)計(jì),砂漿3 h達(dá)到終凝,6 h時(shí)水下膠結(jié)拋石體抗壓強(qiáng)度為1.3 MPa,對應(yīng)實(shí)際工程中水下膠結(jié)拋石體的強(qiáng)度為16.9 MPa,能夠滿足抗沖擊的要求。實(shí)際工程實(shí)踐中拋石粒徑范圍為0.15~0.3.0 m,因此模型試驗(yàn)中拋石粒徑的范圍近似為0.01~0.02 m。膠結(jié)拋石體護(hù)底結(jié)構(gòu)的直徑為1.0 m,高度為0.04 m。本試驗(yàn)采用中值粒徑為0.1 mm的泥沙,根據(jù)張瑞瑾[17]泥沙起動流速公式計(jì)算得出,本實(shí)驗(yàn)所用泥沙的起動流速為0.36 m/s。Sumer等[18]表示當(dāng)泥沙起動后,影響單樁周圍的沖刷情況,只與KC數(shù)有關(guān),與泥沙粒徑大小無關(guān)。為了研究膠結(jié)拋石體護(hù)底的防護(hù)效果,因此模型試驗(yàn)水流流速確定0.37 m/s。模型試驗(yàn)具體參數(shù)見表1。
1.2 試驗(yàn)方案
1.2.1 水下膠結(jié)拋石體護(hù)底澆筑試驗(yàn)
在進(jìn)行本澆筑試驗(yàn)前,預(yù)先將拋石均勻鋪設(shè)在已整平的單樁周圍砂床,并將波流水槽提水至0.3 m。為了模擬實(shí)際澆筑環(huán)境,在澆筑的過程中設(shè)置波高為5 cm的波浪水動力條件。在進(jìn)行澆筑時(shí),將預(yù)先稀釋好的水下保護(hù)劑(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%)按質(zhì)量比1∶10(水下保護(hù)劑∶水)投放至單樁周圍,本實(shí)驗(yàn)所用水下保護(hù)劑的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%。在投放水下保護(hù)劑15 min后,依據(jù)圖2的澆筑方案圖,利用澆筑漏斗將新拌砂漿定量地澆筑在護(hù)底預(yù)定的澆筑點(diǎn)處,兩種膠結(jié)拋石體護(hù)底澆筑試驗(yàn)每澆筑點(diǎn)砂漿使用量按表2進(jìn)行試驗(yàn),其中試驗(yàn)所使用的澆筑漏斗為一個(gè)容積為21 L,下端口徑為15 mm的大型漏斗。在澆筑完成3 h時(shí),將波流水槽內(nèi)水排盡,記錄觀察水下部分膠結(jié)拋石體護(hù)底的整體形態(tài),并再次整平砂床。
Fig.2 Pouring test plan
1.2.2 沖刷試驗(yàn)
為了研究膠結(jié)拋石體防沖刷性能及其自身的抗沖刷能力,本試驗(yàn)采用重現(xiàn)期50和100 a極端波流工況進(jìn)行沖刷試驗(yàn),具體試驗(yàn)工況見表3。沖刷試驗(yàn)是在拋石體澆筑完成6 h后進(jìn)行,在沖刷試驗(yàn)過程中,需實(shí)時(shí)監(jiān)測波流水槽內(nèi)波浪波高與水流流速,試驗(yàn)儀器分別用到量程5 m大型動態(tài)電容式波高測量系統(tǒng)與NORTEK聲學(xué)多普勒點(diǎn)式流速儀。
在每一工況沖刷試驗(yàn)完成后,使用TRIMBLE CX三維激光掃描儀對單樁周圍地形進(jìn)行掃描,并將地形數(shù)據(jù)處理為更加直觀的地形圖。在具有水下部分膠結(jié)拋石體護(hù)底防護(hù)的沖刷試驗(yàn)完成后,首先將護(hù)底結(jié)構(gòu)表面的未被膠結(jié)的石子清除,稱重并計(jì)算未被膠結(jié)的拋石質(zhì)量占總拋石量的比例;隨后采用TRIMBLE CX三維激光掃描儀對膠結(jié)拋石體進(jìn)行三維掃描,形成三維地形圖,用以研究水下膠結(jié)拋石體的形態(tài);最后對不同澆筑效果的膠結(jié)拋石體護(hù)底結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割,觀察其斷面區(qū)域的拋石膠結(jié)情況。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1 沖刷試驗(yàn)研究
2.1.1 無防護(hù)沖刷試驗(yàn)研究
圖3為單樁基礎(chǔ)在無防護(hù)條件下沖刷地形圖。由圖3a與圖3b可知,在重現(xiàn)期為50 a極端波流條件作用22 h時(shí),單樁周圍沖刷達(dá)到平衡,單樁基礎(chǔ)樁周的最大沖刷深度點(diǎn)位于單樁上游側(cè),最大沖刷深度達(dá)到4.00 m,沖刷坑寬度達(dá)到6.50 m。由圖3c與圖3d可看出,在重現(xiàn)期100 a的波流條件下,單樁基礎(chǔ)樁周局部沖刷加劇,波流條件作用30 h時(shí),單
樁周圍沖刷達(dá)到平衡,最大沖刷深度點(diǎn)發(fā)生在單樁下游側(cè),最大沖刷深度達(dá)到6.25 m,沖刷坑寬度達(dá)到13.75 m。
2.1.2 部分膠結(jié)拋石體護(hù)底沖刷試驗(yàn)研究
單樁基礎(chǔ)樁周在有部分膠結(jié)拋石體護(hù)底防護(hù)的情況下,在重現(xiàn)期分別為50和100 a的波流條件作用約6 h時(shí),單樁周圍沖刷均達(dá)到平衡。圖4為有部分膠結(jié)拋石體防護(hù)樁周沖刷地形圖。由圖4a與圖4b可知,在重現(xiàn)期為50 a極端波流條件下,單樁基礎(chǔ)樁周的最大沖刷深度約為0.72 m,其位于護(hù)底結(jié)構(gòu)下游側(cè),沖刷坑寬度為1.95 m。由圖4c與圖4d可知,在重現(xiàn)期為100 a極端波流條件下,單樁基礎(chǔ)樁周的最大沖刷深度達(dá)到1.16 m,其同樣位于護(hù)底結(jié)構(gòu)下游側(cè),沖刷坑
寬度擴(kuò)大至2.73 m。根據(jù)表4沖刷試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比,部分膠結(jié)拋石體防護(hù)顯著降低了樁周砂土地基的沖刷深度和沖刷范圍,在重現(xiàn)期為50和100 a極端波流條件下,樁周最大沖刷深度分別減少82%和81%,沖刷坑寬度分別減少70%和80%。
這是由于水下部分膠結(jié)拋石體護(hù)底具有一定強(qiáng)度,其結(jié)構(gòu)自身可抵御波流的作用,從而對單樁周圍土體進(jìn)行防護(hù);另一方面是由于水流作用于護(hù)底結(jié)構(gòu)未被膠結(jié)的拋石散粒體,拋石散粒體位移移動到護(hù)底下游沖刷坑以及邊坡,抑制了沖刷坑的發(fā)展[19]。同時(shí),在部分膠結(jié)拋石體沖刷后,觀測到護(hù)底結(jié)構(gòu)下游側(cè)的拋石散粒體較多,上游側(cè)的拋石散粒體相對較少,這種現(xiàn)象與最大沖刷坑發(fā)生在下游側(cè)具有一致性,由此可推斷出極端波流條件下,波流作用主要體現(xiàn)在膠結(jié)拋石體護(hù)底結(jié)構(gòu)下游邊緣位置。此外,由圖4還可看出,部分膠結(jié)拋石體護(hù)底中已被完全膠結(jié)形成的水下膠結(jié)拋石體未出現(xiàn)破碎與開裂的情況,始終保持著良好的結(jié)構(gòu)完整性。
2.2 膠結(jié)拋石體護(hù)底結(jié)構(gòu)形態(tài)
圖5為澆筑完成后的部分膠結(jié)拋石體護(hù)底結(jié)構(gòu)。據(jù)統(tǒng)計(jì),護(hù)底表面大約45%面積的拋石散粒體未被水下自護(hù)砂漿覆蓋,被砂漿覆蓋并膠結(jié)的拋石在6 h時(shí)已完全固化膠結(jié),達(dá)到部分膠結(jié)拋石形成防護(hù)結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)預(yù)期。
在沖刷試驗(yàn)結(jié)束后,首先對防護(hù)結(jié)構(gòu)中未被砂漿膠結(jié)的拋石散粒進(jìn)行了收集和稱重,質(zhì)量為57.5 kg,約占拋石總重量的34%(拋石用量167.5 kg),該值與試驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論估算值25%相差較大,分析其原因,一部分砂漿在運(yùn)輸和澆筑中黏附于澆筑桶和漏斗壁中,另一部分砂漿從顆粒間流動至砂土表面,沉積于護(hù)底與砂床的交界面后,從護(hù)底邊緣流失。隨后,對防護(hù)結(jié)構(gòu)中膠結(jié)體進(jìn)行三維掃描,三維地形圖如圖5b,可看出,在護(hù)底表面拋石散粒體被砂漿覆蓋的投影面積占整個(gè)防護(hù)結(jié)構(gòu)底面積的80%,膠結(jié)體厚度1~4 cm。最后,對不同膠結(jié)程度的膠結(jié)體進(jìn)行了切割,如圖6所示,可看出砂漿最大流動深度達(dá)到4 cm,在離澆筑點(diǎn)相對較遠(yuǎn)的區(qū)域,砂漿僅膠結(jié)護(hù)底下層的拋石顆粒,如圖6a;澆筑點(diǎn)下部的拋石顆粒間的空隙基本被密實(shí)填充,且拋石與砂土地基交界面被完全膠結(jié)。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要時(shí)砂漿流動填充性較好,自重作用下砂漿在拋石顆??障吨袃?yōu)先向下流動附著和填充后,其次沿著顆粒間隙向外側(cè)流動和填充,最后砂漿達(dá)到砂土表面進(jìn)一步由澆筑點(diǎn)向外擴(kuò)散,最終形成護(hù)底底面完全膠結(jié)的結(jié)構(gòu)形態(tài)。
3 結(jié) 論
本文研究并實(shí)現(xiàn)在水下對拋石散粒體進(jìn)行部分膠結(jié)并形成了一種單樁基礎(chǔ)防沖刷結(jié)構(gòu),并研究了在極端波流共同作用下水下部分膠結(jié)拋石體護(hù)底的防沖刷效果,主要結(jié)論如下:
1)基于水下自護(hù)砂漿的施工工藝,通過控制水下自護(hù)砂漿的用量,可形成水下部分膠結(jié)拋石體護(hù)底結(jié)構(gòu);在重現(xiàn)期為50和100 a的波流條件下,水下部分膠結(jié)拋石體護(hù)底主體結(jié)構(gòu)中已被完全膠結(jié)的護(hù)底結(jié)構(gòu)部分未出現(xiàn)破碎與開裂的情況,始終保持著良好的結(jié)構(gòu)完整性。
2)水下部分膠結(jié)拋石體護(hù)底結(jié)構(gòu)可明顯減少單樁周圍沖刷。在重現(xiàn)期50和100 a的極端波流條件下,部分膠結(jié)拋石體防護(hù)措施較同波流條件下無防護(hù)單樁局部沖刷,單樁基礎(chǔ)樁周最大沖刷深度分別減小了3.28(82%)和5.34 m(81%),沖刷坑寬度減少4.55 m(70%)和11.02 m(80%)。
本次試驗(yàn)局限于依據(jù)實(shí)際工程需要僅對一定粒徑范圍內(nèi)的拋石散粒體進(jìn)行部分膠結(jié),未考慮拋石大小的因素對護(hù)底防沖刷效果的影響,并且沒有考慮防護(hù)范圍對護(hù)底防沖刷效果的影響,后續(xù)我們將對上述問題進(jìn)行系統(tǒng)性的研究并對水下部分膠結(jié)拋石體防護(hù)持續(xù)防護(hù)效果進(jìn)行深入研究,在此基礎(chǔ)上提供一種更加經(jīng)濟(jì)有效的水下膠結(jié)拋石體防護(hù)措施。
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MONOPILE SCOUR PROTECTION MEASURES BASED ON
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Wang Baizhi1,Wang Wei2,Yan Junyi3,Cheng Songgui1,Jin Feng4,Jiang Chaohua5
(1. Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering, Tianjin 300456, China;
2. Institute of Science and Technology, China Three Gorges Corporation, Beijing 100038, China;
3. China Three Gorges Renewables (Group) Co., Ltd., Beijing 100053, China;
4. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China;
5. College of Harbour, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)
Keywords:offshore wind power; scour; scour protection; monopile; cemented riprap underwater