開孔護(hù)圈對(duì)海上風(fēng)力機(jī)單樁基礎(chǔ)的沖刷防護(hù)試驗(yàn)

收稿日期：2022-02-23

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51479137）

通信作者：謝立全（1972—），男，博士、教授，主要從事海洋巖土工程方面的研究。xie_liquan@#edu.cn

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-0197 文章編號(hào)：0254-0096（2023）06-0420-07

摘 要：基于圓形護(hù)圈調(diào)整樁基局部流場(chǎng)，護(hù)圈開孔進(jìn)一步交換上下兩側(cè)水體，降低結(jié)構(gòu)振動(dòng)并減少樁基沖刷深度，從而維持風(fēng)力機(jī)的正常運(yùn)行。為驗(yàn)證開孔護(hù)圈的防護(hù)效果，開展不同開孔型式護(hù)圈防護(hù)下的單樁基礎(chǔ)沖刷物理模型試驗(yàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)9種不同型式的開孔護(hù)圈，探究護(hù)圈開孔形態(tài)、開孔數(shù)量和開孔位置對(duì)防護(hù)性能的影響。結(jié)果表明：護(hù)圈改變樁基邊緣沖刷形態(tài)，護(hù)圈開孔可提高樁基前期沖刷速率；相比傳統(tǒng)護(hù)圈，內(nèi)側(cè)開孔護(hù)圈和外側(cè)開孔護(hù)圈防護(hù)效果較差，而中間開孔護(hù)圈可進(jìn)一步減小單樁基礎(chǔ)周圍沖刷深度，并控制沖刷深度不均勻性，提升護(hù)圈防護(hù)效果。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)力機(jī)；樁基礎(chǔ)；沖刷；水槽；開孔護(hù)圈

中圖分類號(hào)：TV135""""""""""""" """" """"文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

單樁基礎(chǔ)作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載力強(qiáng)、適用范圍廣的基礎(chǔ)形式，廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)電工程。但在水流荷載的作用下，單樁基礎(chǔ)存在局部沖刷現(xiàn)象［1-2］。沖刷會(huì)帶走樁基周圍部分泥沙，導(dǎo)致樁基埋深減小，降低了樁基承載力［3］和結(jié)構(gòu)的自振頻率［4］，從而影響風(fēng)力機(jī)的正常運(yùn)行。樁基沖刷防護(hù)措施如拋石防護(hù)、犧牲樁、導(dǎo)流板等是預(yù)防單樁局部沖刷出現(xiàn)失穩(wěn)的重要手段［5-6］。然而，海上風(fēng)力機(jī)單樁由于波浪和潮汐的作用，傳統(tǒng)防護(hù)措施易受限制，難以維持［7］。護(hù)圈防護(hù)作為形式簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)對(duì)稱、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的沖刷防護(hù)措施，適用于復(fù)雜的海流環(huán)境［8］。Mcgovern等［9］通過(guò)模型試驗(yàn)探究了在潮汐循環(huán)荷載作用下，護(hù)圈防護(hù)單樁基礎(chǔ)的沖刷深度發(fā)展規(guī)律。魏凱等［10］通過(guò)開展海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)在護(hù)圈防護(hù)下單向流和潮汐流的局部沖刷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)防沖刷護(hù)圈對(duì)潮汐流防護(hù)效果更明顯。

為提高圓形護(hù)圈的防護(hù)性能，Pandey等［11］通過(guò)沖刷防護(hù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)護(hù)圈防護(hù)效率隨護(hù)圈直徑的增大和安裝高度的降低而增加；王順意等［12］通過(guò)沖刷防護(hù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)護(hù)圈防護(hù)效率隨護(hù)圈防護(hù)角度的增大而增加。同時(shí)，伴隨護(hù)圈形狀的改變，護(hù)圈防護(hù)性能得到進(jìn)一步提高。Jahangirzadeh等［13］發(fā)現(xiàn)相比圓形護(hù)圈，矩形護(hù)圈具有更好的防護(hù)效率；陳樹群等［14］提出鉤狀護(hù)圈，發(fā)現(xiàn)“前上后下”的雙鉤狀新型護(hù)圈結(jié)構(gòu)可顯著減少?zèng)_刷深度；Valela等［15］提出新型護(hù)圈CPN1，通過(guò)與傳統(tǒng)護(hù)圈對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)CPN1有更優(yōu)的防護(hù)效果。

本文基于圓形護(hù)圈調(diào)整局部流場(chǎng)，對(duì)護(hù)圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行開孔，進(jìn)一步交換護(hù)圈上下兩側(cè)水體，降低水流沖擊引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，減少樁基沖刷深度，進(jìn)而提高海上風(fēng)力機(jī)單樁基礎(chǔ)的安全性和可靠性。通過(guò)對(duì)比分析無(wú)防護(hù)單樁、傳統(tǒng)護(hù)圈防護(hù)單樁和不同開孔型式防護(hù)單樁的沖刷模型試驗(yàn)結(jié)果，探究護(hù)圈開孔形態(tài)、開孔數(shù)量和開孔位置對(duì)護(hù)圈防護(hù)性能的影響，以期為實(shí)際海上風(fēng)電工程單樁基礎(chǔ)沖刷防護(hù)提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)水槽位于同濟(jì)大學(xué)水利港口綜合實(shí)驗(yàn)室，水槽長(zhǎng)50 m、寬0.8 m、高1.2 m。水槽擁有獨(dú)立供水循環(huán)系統(tǒng)并配備有沉沙池。沉砂池位于水槽中部，長(zhǎng)2.7 m、寬0.65 m、深1.0 m。為防止邊界效應(yīng)，模型樁橫截面應(yīng)小于水槽橫截面的12%［16］，直徑D=0.05 m的單樁模型埋放在沉砂池中央。沉砂池內(nèi)部鋪滿石英砂，為了反映全尺度下的沖刷程度，D/d50應(yīng)大于50［17］，取石英砂中粒直徑d50=0.55 mm。護(hù)圈固定在單樁模型外側(cè)，其下表面緊貼土體表面。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，取流速U=0.368 m/s，水深H=0.3 m，以保證清水沖刷的試驗(yàn)條件。試驗(yàn)流速采用點(diǎn)式聲學(xué)多普勒流速儀（ADV）測(cè)量，單樁外緣沖刷深度采用新型攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)布置和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)原理［18］如圖1所示。類似的可視化技術(shù)亦見于文獻(xiàn)［19-20］。

試驗(yàn)前需標(biāo)定攝像頭和模型樁。如圖2所示，采用寬度為1 cm的條紋紙包裹于單樁模型外緣，通過(guò)攝像機(jī)拍照可觀測(cè)到條紋紙刻度均成圓形。當(dāng)其圓心與模型樁重合時(shí)，可通過(guò)分析條紋之間像素?cái)?shù)量和實(shí)際豎直方向刻度值之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而建立像素?cái)?shù)和半徑R之間的函數(shù)關(guān)系。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)不同時(shí)刻沖刷形態(tài)拍照，通過(guò)上述函數(shù)關(guān)系可計(jì)算模型樁外緣各點(diǎn)沖刷深度。

1.2 試驗(yàn)方案

護(hù)圈防護(hù)是沖刷防護(hù)的常用型式，圓形護(hù)圈的主要參數(shù)包括：護(hù)圈厚度[t]、護(hù)圈寬度[W]、護(hù)圈安裝高度[h1]。在護(hù)圈參數(shù)確定過(guò)程中，護(hù)圈厚度[t=0.005]m，保證護(hù)圈厚度應(yīng)足夠小，防止對(duì)沖刷起到促進(jìn)作用［21］；護(hù)圈寬度取[W=3D]，多數(shù)研究表明，當(dāng)護(hù)圈寬度大于[3D]時(shí)，護(hù)圈防護(hù)效果差別不明顯［22］；護(hù)圈安裝高度[h1=0]，當(dāng)護(hù)圈安裝高度[h1≤0]時(shí)，局部沖刷防護(hù)效果明顯。

為研究護(hù)圈開孔形態(tài)，開孔數(shù)量和開孔位置對(duì)防護(hù)效果的影響，本文在圓形護(hù)圈C0基礎(chǔ)上，采用內(nèi)側(cè)開孔（NK）、外側(cè)開孔（WK）和中間開孔（ZK）3種不同開孔方式，如圖3所示，并針對(duì)不同開孔方式采用不同的開孔數(shù)量和開孔位置，得到9種不同型式的開孔護(hù)圈。

試驗(yàn)以無(wú)防護(hù)的單樁為對(duì)照組，共開展11組工況試驗(yàn)。試驗(yàn)開始前將沉砂池抹平，控制水泵將水注入水槽至水深[H=0.3 m]，待水面穩(wěn)定后打開造流系統(tǒng)，設(shè)定沖刷時(shí)間為2 h，達(dá)到?jīng)_刷時(shí)間后，緩慢、均勻地將流速降低至零。在試驗(yàn)過(guò)程中，保持水深及流速不變，并用攝像機(jī)實(shí)時(shí)記錄單樁基礎(chǔ)邊緣沖刷深度。具體試驗(yàn)工況如表1所示。

希爾茲數(shù)θ和臨界希爾茲數(shù)[θcr]［17］的計(jì)算公式為：

[μz=ufkln30zks]""" （1）

[θ=u2f（Gs-1）gd50]" （2）

[θcr=0.301+1.2d*+0.055[1-exp（-0.020d*）]]"" （3）

[d*=[g（Gs-1）/ν2]13d50] （4）

式中：[uf]——摩阻流速，m/s；[k]——卡曼系數(shù)，取[k=0.4]；[ks]——粗糙度；[Gs]——床沙比重；[g]——重力加速度，m/s2；[d50]——床沙中值粒徑，mm；[d*]——無(wú)量綱化床沙粒徑；ν——水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)。

本試驗(yàn)臨界希爾茲數(shù)[θcr=0.03]，當(dāng)泥沙起動(dòng)強(qiáng)度[θ/θcrlt;1]時(shí)為清水沖刷，當(dāng)[θ/θcr≥1]時(shí)為動(dòng)床沖刷。根據(jù)表1可知，試驗(yàn)均在清水沖刷條件下進(jìn)行。

2 結(jié)果分析

2.1 實(shí)時(shí)沖刷深度

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，得到不同工況模型樁邊緣實(shí)時(shí)沖刷深度[h]。單樁實(shí)時(shí)沖刷深度如圖4所示，隨著沖刷過(guò)程的進(jìn)行，模型樁外緣各點(diǎn)處沖刷深度逐漸增加，沖刷速率不斷減小。但同時(shí)刻樁基邊緣各點(diǎn)沖刷速率基本相同，且沖刷深度隨方位角的分布曲線呈梯形形態(tài)不變，即在模型樁源點(diǎn)（0°）的左右兩側(cè)，沖刷深度較大且相近；在模型樁的背水面，沖刷深度較小，最小值出現(xiàn)在模型樁背水面的匯流點(diǎn)（180°）。這一沖刷形態(tài)與文獻(xiàn)［5］中的結(jié)果基本相同。

傳統(tǒng)護(hù)圈C0防護(hù)單樁實(shí)時(shí)沖刷深度如圖5所示。在沖刷前期，沖刷深度隨時(shí)間緩慢增加，且沖刷深度隨方位角的變化不明顯，呈一個(gè)輕微起伏相間的趨勢(shì)。隨著沖刷的進(jìn)行，沖刷持續(xù)1 h后，模型樁迎水面一側(cè)的沖刷深度迅速增大，而靠近模型樁背水面的沖刷深度仍緩慢增加，使模型樁邊緣沖刷深度呈現(xiàn)倒“M”形變化趨勢(shì)，最大沖刷深度出現(xiàn)在模型樁迎水面源點(diǎn)（0°）的左右兩側(cè)（[γ=±5°]）。同時(shí)可看到，在沖刷后期樁周沖刷深度仍保持較大的變化趨勢(shì)，即較大的沖刷速率，說(shuō)明傳統(tǒng)護(hù)圈C0在沖刷后期仍未達(dá)到平衡沖刷深度。

foundation with traditional collar

內(nèi)側(cè)開孔護(hù)圈NK防護(hù)單樁實(shí)時(shí)沖刷深度如圖6所示。在3種不同開孔數(shù)量的內(nèi)側(cè)開孔護(hù)圈NK1、NK2、NK3分別防護(hù)下，沖刷深度隨方位角呈相同的弧形變化趨勢(shì)，即在源

點(diǎn)（0°）的左右兩側(cè)，沖刷深度隨距源點(diǎn)距離的增大而減小，最大沖刷深度始終位于迎水面源點(diǎn)處（0°）。與傳統(tǒng)護(hù)圈相比，內(nèi)側(cè)開孔護(hù)圈NK提高了前期的沖刷速率，使模型樁更快達(dá)到最大平衡沖刷深度，且由于護(hù)圈阻擋了部分下降水流，不同時(shí)刻的沖刷深度均有一定程度的減少。從圖6可看出，開孔數(shù)量為4的護(hù)圈NK1有較好的防護(hù)效果，護(hù)圈NK2次之，而開孔數(shù)量為5的護(hù)圈NK3防護(hù)效果較差。

不同開孔數(shù)量的外側(cè)開孔WK護(hù)圈防護(hù)單樁沖刷形態(tài)呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。如圖7所示，外側(cè)開孔數(shù)量為4的護(hù)圈WK1呈弧形變化趨勢(shì)；開孔數(shù)量為5的護(hù)圈WK2呈現(xiàn)倒“M”形變化趨勢(shì)；開孔數(shù)量為6的護(hù)圈WK3雖呈弧形變化趨勢(shì)，但相比WK1，樁前后沖刷深度差異更大，樁周沖刷深度分布更不均勻。此外，相比內(nèi)側(cè)開孔護(hù)圈，外側(cè)開孔護(hù)圈阻擋了更多的下降水流，呈現(xiàn)更好的防護(hù)效果，且隨開孔數(shù)量的增加，防護(hù)效果也有明顯提高。但兩者均未呈現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)護(hù)圈的防護(hù)性能，這可能是由于開孔面積和單孔面積過(guò)大而導(dǎo)致不能有效調(diào)整下降水流和局部流場(chǎng)。

foundation with perforated outer collar

開孔位置不同的中間開孔護(hù)圈ZK1、ZK2、ZK3樁周沖刷深度隨方位角表現(xiàn)出更為差異化的變化趨勢(shì)。如圖8所示，護(hù)圈ZK1呈倒“M”形趨勢(shì)，且隨方位角的變化存在輕微起伏變化；護(hù)圈ZK2呈階梯形變化趨勢(shì)，且越靠近樁前源點(diǎn)（0°），沖刷深度越大；護(hù)圈ZK3呈“M”形變化趨勢(shì)，最小沖刷深度出現(xiàn)在[γ=±120°]處。差異化的樁周沖刷深度隨方位角變化趨勢(shì)說(shuō)明中間開孔護(hù)圈調(diào)整了局部流場(chǎng)，且不同開孔位置護(hù)圈調(diào)整后的流場(chǎng)形態(tài)存在差異。與此同時(shí)，中間開孔護(hù)圈2 h后樁周沖刷深度普遍小于傳統(tǒng)護(hù)圈防護(hù)下的樁周沖刷深度，說(shuō)明中間開孔護(hù)圈不僅能阻擋下降水流，還能有效調(diào)整傳統(tǒng)護(hù)圈防護(hù)下樁周的流場(chǎng)和壓力場(chǎng)，并進(jìn)一步減少樁周沖刷深度。此外，可發(fā)現(xiàn)相比傳統(tǒng)護(hù)圈，開孔護(hù)圈可提高單樁基礎(chǔ)前期沖刷速率，更快達(dá)到平衡沖刷深度。

2.2 最終沖刷深度

為比較不同工況下護(hù)圈的防護(hù)效果，提出一系列沖刷特性參數(shù)，如表2所示。[hmax]為2 h后的最大沖刷深度；[h]為平均沖刷深度，即沖刷2 h后模型樁邊緣各方位角沖刷深度的均值；[β]為沖刷不均勻系數(shù)，即沖刷2 h后模型樁周圍沖刷深度的均方差與平均沖刷深度的比值；[ζ]為沖刷深度削減率，即沖刷2 h后，不同護(hù)圈防護(hù)下最大沖刷深度的減小率。

從表2可看出，傳統(tǒng)護(hù)圈C0防護(hù)單樁，2 h后的沖刷深度明顯減小，但不均勻系數(shù)顯著提高，即樁周不同方位沖刷深度差異較大。雖然由2.1節(jié)所述，此時(shí)樁周還未達(dá)到最大平衡沖刷深度，但本文著重于探究開孔護(hù)圈防護(hù)效果，而不同開孔護(hù)圈在沖刷2 h后近似到達(dá)平衡沖刷深度，因此相同沖刷時(shí)間未達(dá)到平衡沖刷深度的傳統(tǒng)護(hù)圈防護(hù)仍可作為對(duì)照。

內(nèi)側(cè)開孔護(hù)圈防護(hù)單樁，沖刷2 h后的沖刷深度小于無(wú)防護(hù)狀態(tài)，但明顯大于傳統(tǒng)護(hù)圈防護(hù)，沖刷不均勻性系數(shù)也呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律。同時(shí)，相比開孔數(shù)量5，開孔數(shù)量4和6，即護(hù)圈NK1和NK3有更小的沖刷深度和更高的沖刷不均勻系數(shù)。同時(shí)，外側(cè)開孔護(hù)圈防護(hù)單樁，沖刷2 h后的沖刷深度也均小于無(wú)防護(hù)狀態(tài)，不均勻系數(shù)也明顯高于無(wú)防護(hù)狀態(tài)。且外側(cè)開孔護(hù)圈隨開孔數(shù)量的增加，單樁沖刷深度不斷減小。當(dāng)開孔數(shù)量為6，即護(hù)圈WK3，沖刷深度小于傳統(tǒng)護(hù)圈防護(hù)單樁，但沖刷不均勻系數(shù)高于傳統(tǒng)護(hù)圈。

中間開孔護(hù)圈ZK防護(hù)單樁，相比傳統(tǒng)護(hù)圈，最大沖刷深度和平均沖刷深度進(jìn)一步減小，且不均勻系數(shù)較低，即樁周不同方位沖刷深度差異較小，呈現(xiàn)更好的防護(hù)效果。但不同開孔位置的開孔護(hù)圈的防護(hù)效果差異較小，相比而言，開孔護(hù)圈ZK1具有最好的防護(hù)效果。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)局部沖刷問(wèn)題，基于圓形護(hù)圈調(diào)整局部流場(chǎng)，對(duì)護(hù)圈結(jié)構(gòu)進(jìn)行開孔，進(jìn)一步交換護(hù)圈上下兩側(cè)水體，降低水流沖擊引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)，減少樁基沖刷深度，從而保證風(fēng)力機(jī)的正常運(yùn)行。通過(guò)開展無(wú)防護(hù)單樁、傳統(tǒng)護(hù)圈防護(hù)單樁、不同開孔型式護(hù)圈防護(hù)單樁的沖刷模型試驗(yàn)，比較分析不同工況下單樁邊緣實(shí)時(shí)沖刷深度和最終沖刷深度，可為實(shí)際海上風(fēng)電工程單樁基礎(chǔ)沖刷防護(hù)提供理論支撐。試驗(yàn)主要結(jié)論如下：

1）在沖刷試驗(yàn)中，護(hù)圈會(huì)改變單樁周圍的流場(chǎng)，進(jìn)而改變其沖刷形態(tài)。不同型式的護(hù)圈使單樁周圍沖刷深度隨方位角分布曲線由原來(lái)的梯形分布改變?yōu)榈埂癕”形、“M”形、階梯形和弧形等不同形態(tài)。

2）傳統(tǒng)護(hù)圈防護(hù)下，單樁周圍前期沖刷速率較慢，開孔連通了護(hù)圈上下水體，提高了樁周前期沖刷速率，降低了到達(dá)平衡沖刷深度的時(shí)間。

3）內(nèi)側(cè)開孔護(hù)圈NK隨開孔數(shù)量的增加，沖刷深度減小率先增大后減小，外側(cè)開孔護(hù)圈WK則不斷增加，兩者均具有一定的防護(hù)效果，但不如傳統(tǒng)護(hù)圈，而沖刷不均勻系數(shù)呈現(xiàn)相反的變化規(guī)律。

4）中間開孔護(hù)圈ZK阻擋了大部分下降水流，并有效改變了局部流場(chǎng)和壓力差，呈現(xiàn)出更好的防護(hù)效果，且護(hù)圈ZK1防護(hù)效果最優(yōu)。

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EXPERIMENTAL STUDY OF LOCAL SCOUR AROUND MONOPILE FOUNDATION OF OFFSHORE WIND TURBINE UNDER

PROTECTION OF PERFORATED COLLAR

Yu Yuelin1，Zhang Guofeng2，Wang Zhongdai3，Xie Liquan1，Li Huishu1

（1. College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China；

2. Hebei Jiantou Offshore Wind Power Co.， Ltd.， Tangshan 063000， China；

3. College of Transportation Engineering， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Keywords：offshore wind turbines； pile foundations； scour； flume； perforated collar