陽江沙扒海上風(fēng)電三桶吸力樁防沖刷試驗(yàn)研究

劉 博,馬兆榮,劉曉建,郭輝群

(1.中國能源建設(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)

風(fēng)能是目前發(fā)展最快,最具有發(fā)展前景的可再生能源之一。由于海上風(fēng)速大、風(fēng)能大、風(fēng)力持續(xù)時(shí)間長且穩(wěn)定,風(fēng)電機(jī)組大規(guī)?；饾u從陸地走向海上。吸力桶形基礎(chǔ)是近幾年發(fā)展起來適用于淺覆蓋層海床地質(zhì)的一種基礎(chǔ)形式,具有環(huán)境友好、安裝施工快速、可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn),可同時(shí)適用于砂性土和軟粘土等地質(zhì)條件。然而,海上風(fēng)電場所處海洋環(huán)境較為復(fù)雜,在波浪和洋流綜合作用下樁周會(huì)形成沖刷坑,降低基礎(chǔ)承載能力,對(duì)風(fēng)電樁基的穩(wěn)定性產(chǎn)生了很大影響。

因此,風(fēng)電樁基礎(chǔ)局部沖刷問題一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn),以往研究多集中在單向流[1-4]、純波浪[5-8]、波流聯(lián)合[9-10]情況下的單樁或群樁結(jié)構(gòu)沖刷問題,而三桶吸力樁結(jié)構(gòu)形式更加復(fù)雜,上部桁架相互交錯(cuò),桶頂布有多段肋板,導(dǎo)致基礎(chǔ)周圍水體的紊動(dòng)加劇,床面泥沙運(yùn)動(dòng)多變,由于三桶吸力樁結(jié)構(gòu)較新穎、相關(guān)研究成果較少[11]。此外,為了應(yīng)對(duì)構(gòu)筑物在海洋環(huán)境下的局部沖刷問題,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同防護(hù)措施進(jìn)行了探討,分為主動(dòng)防護(hù)和被動(dòng)防護(hù)[12],主動(dòng)防護(hù)措施如護(hù)圈防護(hù)措施[13]、犧牲樁防護(hù)措施等[14],被動(dòng)防護(hù)如拋石防護(hù)措施[15-16]、防護(hù)沙袋防護(hù)措施等[17],然而上述成果鮮有研究三桶吸力樁結(jié)構(gòu)的防沖刷措施。

海上風(fēng)電場海床沖刷與構(gòu)筑物形態(tài)、樁周流場、海床底質(zhì)特征等因素有關(guān)。本研究針對(duì)陽江沙扒海域典型水文泥沙情勢和三桶吸力樁結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通過大比尺物理模型試驗(yàn)對(duì)三桶吸力樁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的防沖刷問題進(jìn)行探討,著重分析不同防護(hù)方案的防沖刷能力,相關(guān)成果可為類似工程建設(shè)及運(yùn)維提供參考。

1 基本情況

廣東省陽江市陽西縣沙扒鎮(zhèn)海域潮汐屬于不正規(guī)半日潮,根據(jù)周年潮位站和周年水文觀站(2016年6月1日至2017年5月31日)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,本工程區(qū)海域的潮位和波浪要素,見表1。

表1 沙扒海域潮位、波浪要素

2 模型布置

采用大比尺模型試驗(yàn),嚴(yán)格按照水流運(yùn)動(dòng)相似、波浪運(yùn)動(dòng)相似,及泥沙運(yùn)動(dòng)相似要求。模型采用正態(tài)波浪,綜合實(shí)際海域波浪條件以及水槽造波能力,參考中國制定JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》中相關(guān)規(guī)范,確定幾何比尺為1∶50,水流動(dòng)力比尺(流速比尺、時(shí)間比尺)采用1.00∶7.07,波要素比尺(波長比尺、波高比尺)采用1∶50,波速比尺、波周期比尺采用1.00∶7.07。

模型沙的選擇以泥沙起動(dòng)相似為主,模型沙的選取已由任灝等[11]給出,在此不多介紹。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)基地的大波流水槽中進(jìn)行,水槽寬5 m,長50 m,高1.2 m。大波流水槽配備有推板式造波機(jī),其位于水槽右端,水槽左端有覆蓋多孔材料的消浪斜坡,坡度為1∶8,水槽底內(nèi)部裝有轉(zhuǎn)機(jī)頻率控制的潛水泵,可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)機(jī)頻率調(diào)節(jié)水流,以達(dá)到試驗(yàn)要求?？偣膊贾?個(gè)浪高儀用于測量造波端(G1)、平臺(tái)前端(G2)、沙坑前端(G3)和后方平臺(tái)中部(G4)的波高時(shí)間序列,試驗(yàn)布置和模型見圖1。三桶吸力樁模型,底部3個(gè)桶圓心成等邊三角形,圓心間距0.6 m,桶直徑0.246 m,上部桿件直徑0.032 m,交叉斜拉筋直徑0.016 m,見圖1。

圖1 物理模型試驗(yàn)布置

3 無防護(hù)時(shí)局部沖刷試驗(yàn)結(jié)果

3.1 床面形態(tài)分布

無防護(hù)時(shí)吸力桶近區(qū)海床沖淤情況見圖2,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),不同重現(xiàn)期波浪和海流組合動(dòng)力下,沖淤變化形態(tài)變化沒有本質(zhì)差異,僅是沖淤幅度略有調(diào)整。沖刷穩(wěn)定后,海床表面沙紋分布明顯,吸力桶基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外側(cè)周圍沙紋較寬,沙紋形態(tài)較為規(guī)則,海床沖淤明顯;相對(duì)而言,基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中間區(qū)域在外側(cè)桁架的掩護(hù)和桁架的繞流作用的影響下,海床形態(tài)略顯紊亂、不規(guī)則。

圖2 吸力桶近區(qū)海床沖淤

3.2 斷面形態(tài)分布

為了反映淤泥質(zhì)動(dòng)床條件下,吸力桶基礎(chǔ)近區(qū)海床剖面形態(tài),選取了3個(gè)橫向斷面和2個(gè)縱向斷面對(duì)其進(jìn)行量化,具體布置見圖3。

圖3 橫向、縱向斷面選取示意

3.2.1不同動(dòng)力條件

分別選取純波、純流及波流聯(lián)合動(dòng)力,對(duì)海床剖面形態(tài)變化情況進(jìn)行分析,選擇海床不清淤,設(shè)計(jì)低水位、50年一遇波浪、海流組合條件進(jìn)行試驗(yàn),相應(yīng)的橫向斷面和縱向斷面結(jié)果見圖4、5。

a)橫向斷面1

a)縱向斷面1

從結(jié)果可以看出,純流作用時(shí)床面沖淤變化較小。純波和波流作用時(shí),床面均出現(xiàn)沙紋,且波流共同作用時(shí)沙紋的波長大于純波情況,沙紋的波峰和波谷表現(xiàn)出了類似的變化趨勢。此外,從橫向斷面結(jié)果可以看出,波流共同作用下沙紋的不對(duì)稱性顯著,迎浪側(cè)沙紋長度大于背浪側(cè),表明海流的加入增強(qiáng)了床沙的凈輸移。從縱向斷面結(jié)果可以看出,波流共同作用下海床整體下切,部分區(qū)域的沖刷深度約為純波、純流兩者之和,再次表明波流共同作用時(shí)海床沖淤更加明顯,沖刷深度更大。

3.2.2不同波流組合

圖6、7給出了不同波流組合動(dòng)力下,典型位置處的海床剖面變化。從圖6中可以看出,2年一遇波流組合時(shí)海床沖淤幅值較小,而50年一遇波流組合時(shí)海床沖淤幅值較大,并呈現(xiàn)不同的變化特征:靠近桶基礎(chǔ)的海床前側(cè)(約0.3 m范圍內(nèi))主要以沖刷為主,遠(yuǎn)離桶基礎(chǔ)的海床前側(cè)(大于0.3 m)主要以沙紋形態(tài)為主;靠近桶基礎(chǔ)的海床后側(cè)(約0.3 m范圍內(nèi))主要以淤積為主,同樣遠(yuǎn)離桶基礎(chǔ)的后方區(qū)域仍以沙紋形態(tài)為主。從圖7中可以看出,近樁基(約小于0.2 m)兩側(cè)海床以沖刷為主,其他位置海床形態(tài)則沖淤交替。50年一遇極端高水位、設(shè)計(jì)高水位、設(shè)計(jì)低水位、極端低水位情況下,最大沖刷深度約為1.69、2.03、2.27、2.34 m。

a)橫向斷面1

a)縱向斷面1

4 有防護(hù)時(shí)局部沖刷試驗(yàn)結(jié)果

4.1 防沖刷試驗(yàn)布置

樁基沖刷防護(hù)措施包括主要防護(hù)措施和被動(dòng)防護(hù)措施,通過沖刷實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步探討被動(dòng)防護(hù)措施防護(hù)效果,被動(dòng)防護(hù)措施主要為沙袋防護(hù)、拋石防護(hù)和仿生草防護(hù)措施。工程應(yīng)用中,沙袋采用滲透系數(shù)不小于10-3cm/s的細(xì)沙或者中細(xì)沙,粒徑大約為0.075 mm的顆粒含量大于85%,黏粒(d<0.005)小于3%,采用400 g/m2的滌綸長絲機(jī)織土工模袋制作,規(guī)格約為800 mm×500 mm,物理模型根據(jù)幾何相似和重力相似,根據(jù)比尺縮放進(jìn)行物理模型沙袋制作;拋石防護(hù)方案綜合考慮拋石的粒徑、級(jí)配,并通過相應(yīng)比尺關(guān)系進(jìn)行拋石篩選,本試驗(yàn)對(duì)中值粒徑為150 mm,最大粒徑不超過250 mm,所拋碎石粒徑為60 mm的拋石方案;仿生海草技術(shù)是基于海洋仿生學(xué)開發(fā)研制的海底防沖刷技術(shù),物理模型中選用人造塑料草皮;物理試驗(yàn)防護(hù)模型材料見圖8。

a)沙袋

拋填法是目前采用最廣泛的方法,在復(fù)雜海洋環(huán)境下,在吸力桶周圍拋填沙袋具有一定的困難,本試驗(yàn)沙袋防護(hù)考慮散落布置和疊層布置,具體布置效果見圖9。拋石防護(hù)范圍選擇與沙袋防護(hù)范圍一致,布置情況見圖10。

a)散落布置

圖10 拋石防護(hù)

仿生草防護(hù)技術(shù)主要利用仿生草的柔性黏滯阻尼作用來降低結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)附近的水流流速,防止附近泥沙沖刷,促進(jìn)沉積物顆粒在結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)進(jìn)行沉降淤,本試驗(yàn)主要在吸力桶的周圍布置矩形區(qū)域的人工仿生草皮,使用細(xì)鐵絲和鐵塊將人工仿生草皮錨固在沙床上,布置方式見圖11。

圖11 仿生草防護(hù)

4.2 防沖刷試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1沙袋防護(hù)措施研究

沖刷穩(wěn)定后吸力桶底床沖刷形態(tài)見圖12,散落布置情況下,吸力桶前大部分沙袋在強(qiáng)波流的作用下被攜帶到結(jié)構(gòu)物后方,根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場觀測和測量,吸力桶后方的掩護(hù)區(qū)存在少數(shù)沙袋,其范圍為與波浪方向夾角約-140～140°,吸力桶四周發(fā)生明顯的沖刷現(xiàn)象,測點(diǎn)吸力桶基礎(chǔ)周圍最大沖刷深度為1.6 m,較防護(hù)前減小32%;疊放布置情況下,相同波流條件下,吸力桶前部分沙袋大多數(shù)被攜帶到掩護(hù)區(qū),根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場觀測和測量,吸力桶后方的掩護(hù)區(qū)存在少數(shù)沙袋,其范圍為與波浪方向夾角約-90～90°,吸力桶周圍沖刷主要發(fā)生在迎浪面,測點(diǎn)吸力桶基礎(chǔ)周圍最大沖刷深度為1.3 m,較防護(hù)前減小44%,表明疊放布置防護(hù)效果相對(duì)散落布置較好。

a)隨機(jī)布置

4.2.2拋石防護(hù)措施

圖13為波流聯(lián)合作用下拋石周圍海床局部沖刷形態(tài),從圖中可以看出碎石主要停留在吸力桶結(jié)構(gòu)周圍,部分碎石散順著吸力桶周圍沙紋排布,測量吸力桶基礎(chǔ)周圍最大沖刷深度為0.6 m,較防護(hù)前減小74%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),拋石方案對(duì)于吸力桶的周圍防沖刷具有一定的作用。

圖13 吸力桶底床沖刷形態(tài)

4.2.3仿生草防護(hù)措施

在波流共同作用下,人工仿生草皮四周環(huán)繞沙紋(圖14),除迎浪面的位置出現(xiàn)一定下切,其余位置并未有明顯沖刷,且草皮上淤積較多沙子,桶周沖刷深度較防護(hù)前減小90%以上。對(duì)比前后吸力桶的周圍沖刷現(xiàn)象,人工仿生草皮防護(hù)防沖刷效果良好。

4.3 對(duì)比分析

無防護(hù)桶周海床沖刷和不同防護(hù)方案防護(hù)效果對(duì)比見表2,從表中可知,多個(gè)防護(hù)措施方案都具有一定的保護(hù)效果,其中仿生草防護(hù)方案最佳,拋石方案其次。但需注意的是仿生草防護(hù)方案需注意吸力桶與仿生草皮交接處的貼合性、緊密性,而對(duì)于拋石方案,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)如果石塊拋填不好,石塊周圍可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的水流擾動(dòng),引發(fā)更嚴(yán)重的沖刷問題,相關(guān)問題也被Ettema[18]所證實(shí)。

表2 不同方案防護(hù)效果對(duì)比

5 結(jié)論

本研究基于陽江沙扒海域底質(zhì)、動(dòng)力和三桶吸力桶結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立了物理模型試驗(yàn),對(duì)陽江沙扒海上風(fēng)電三桶吸力樁防沖刷能力進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下。

a)波流共同作用時(shí),吸力桶近區(qū)海床沖淤程度大于純流或者純波條件作用,未實(shí)施防護(hù)方案情況下,50年一遇極端波流動(dòng)力情況下三桶吸力樁基礎(chǔ)最大沖刷深度為2.34 m,桶基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外側(cè)沙紋形態(tài)較為規(guī)則,而中間區(qū)域在外側(cè)桁架的掩護(hù)和桁架的繞流作用影響下,海床形態(tài)略顯紊亂、不規(guī)則。

b)50年一遇極端波流動(dòng)力情況下,橫向斷面上,吸力桶前側(cè)(約0.3 m范圍內(nèi))海床主要以沖刷為主,后側(cè)(約0.3 m范圍內(nèi))海床主要以淤積為主,大于0.3 m其他區(qū)域主要以沙紋形態(tài)為主;縱向斷面上,桶基(約小于0.2 m)兩側(cè)海床以沖刷為主,其他位置海床形態(tài)則沖淤交替。

c)拋石、沙袋、仿生草等不同防護(hù)措施實(shí)施后,50年一遇極端波流動(dòng)力下桶周海床沖刷深度顯著降低,其中沙袋規(guī)則布置時(shí)防沖刷效果達(dá)到44%,沙袋隨機(jī)布置時(shí)防沖刷效果為32%,拋石防護(hù)時(shí)防沖刷效果達(dá)74%,而仿生草措施不僅減少了樁周海床沖刷深度,也促進(jìn)了附近懸沙落淤,桶周沖刷深度較防護(hù)前減小90%以上。