海上风电吸力式筒型基础防冲刷措施研究

金晓辉

天津港航工程有限公司 天津市300457 

摘要：现如今，我国的经济在快速发展的过程中，我国是新能源快速发展的新时期，风能作为一种绿色环保的可再生能源具有重要的应用前景，海上风力发电的研究受到广泛关注。在波浪和潮流荷载作用下，会导致风电桩基周围土体发生局部冲刷，影响桩基的性能。阐述了海上风电单桩基础局部冲刷的研究进展，综述了桩基局部冲刷的机理，总结了不同的平衡冲刷深度计算方法，对不同学者的模型试验、数值计算以及现场观测进行对比分析，探讨其中的不足并提出若干展望和思考。相关研究成果显示结合现场观测数据和冲刷预测模型的海上风机单桩基础防冲刷设计是有效的。

关键词：局部冲刷;单桩基础;冲刷深度;耦合作用;海床

引言

近海波浪和水流两种海洋动力对海洋工程影响很大，更是海上风电基础局部冲刷的主要影响因素。波流共同作用下局部冲刷研究认为，波浪与水流共同作用和水流单独作用建筑物冲刷形态大致相同，波浪作用非冲刷主要动力，其冲深比单独水流的冲深值略大。潮流波浪造成风电桩基底床局部冲刷，进而影响风电桩基结构的稳定。因此，对风电桩基进行冲刷及防护研究具有重要意义。在海洋工程实践及国内、外研究中，最为常见的海底结构物防冲刷措施有消能减冲和护底抗冲两种。消能减冲的措施之一是在基础上、下游设置防护桩群，折减流速，将冲刷坑位置前移，从而减小基础范围内的冲刷深度。护底抗冲措施是利用抛石、沙枕、沙袋、软体排等结构对桥墩基础及周围进行防护。本次设计防护措施即为护底抗冲措施。通过正态物理模型对海上风电桩基局部冲刷情况及防护问题进行研究，在风电桩基局部冲刷的基础上进行防冲方案验证，为风电桩基冲刷防护提供技术支撑。

1海上风机单桩基础动力环境及冲刷分析

海上的环境比陆地上要恶劣得多，与陆地上的荷载相比，海上的荷载主要是动力荷载，除地震以外，还有风、波浪、流甚至冰等水平荷载，因此海上风机的建设较陆上风机需要更为先进的工程技术给予支撑。在过去的１０年间，海上风机的尺寸变得越来越大，为了尽可能地降低成本，海上风机被建成了非常细长的柔性结构，不恰当的基础设计极有可能造成风机结构在风或波浪等作用下的共振破坏。如何保障海上风机在风、浪、流及地震等频率迥异的动荷载作用下的安全稳定仍是目前研究的重点和难点。海上风机桩基础的安全设计中最重要且难度最大的一个环节便是预测复杂海洋动力条件下的桩基础最大冲刷深度，不足或过于保守的冲刷设计深度将分别导致建筑物的失稳破坏可能性的增加或施工成本的大幅上浮。据统计，目前世界范围内已建近海风机基础中７５％都使用了大直径单桩基础，因此欧洲传统的风电强国积累的风机基础设计经验也主要集中在大直径单桩基础上，涌现出了一大批单桩基础在波流共同作用下的冲刷及防护设计方法。大直径单桩基础是一种极有潜力的新型近海风机基础型式，与一般的桩基础相比，它具有更大的直径，直径一般在３～８ｍ，壁厚一般在３０～６０ｍｍ，长径比也较传统的桩基小很多，一般在１０ｍ左右。

2数值计算与数值模拟

建立的模型包括波浪场、流场、剪应力模型和冲淤形态模型。计算结果与试验符合较好，最大冲刷深度均在圆柱的侧前方±(45°～90°)，与李林普、但计算淤积范围和高度与实验值有一定差异。基于水气、水土界面捕获，分别选择Eulerian方法(VOF)和Lagrangian方法(动态网格法)，建立了一种新型数值模型Foamscour。试验结果对比发现单桩地基最大冲刷深度比试验结果偏大，但冲刷形态和性质大致与实验结果吻合。三维有限元冲刷模型揭示了桩基侧向变形和旋转角的累积速率随着荷载的循环次数增加而增大，冲刷深度越大，侧向变形和旋转角越大。研究了不同类型接触单元和土体单元下冲刷后的桩基承载性能的变化规律，结果表明土体冲刷过后具有卸载回弹效应，采用高承台计算得出的结果与实际偏差较大。基于冲刷深度随时间变化的理论基础，提出了一种新型的STEP时间－冲刷深度模型，对于清水和活床冲刷均适用，经过对比发现采用S/D=1.25更接近试验结果。利用ANSYS建立了不同冲刷深度下风机集中质量的支撑系统三维模型，随着冲刷深度的增加，风机支撑系统的3～6阶频率显著降低，振型存在多样性。利用FLOW－3D，采用(ＲNG)k－ε涡流模型，开展了数值模拟。通过模型试验和数值模拟的结果对比发现两者的流体速度分布、剪应力分布以及防冲刷层沉降比较吻合，而在防冲刷层表面和自由流体界面处有明显差异。基于有限元分析，进而模拟CBG701井场桩周土的冲刷过程。研究表明随着冲刷深度的增加，对土的承载力影响越显著，提出了采用沙袋填充桩基底部未入泥部分，起到防止和减小冲刷的目的。基于Openfoam开源程序和动网格技术，通过海床面剪应力平衡法建立了冲刷数学模型，得到了海床面冲刷速率和冲刷量E，剪应力τ的关系，以此作为判断是否发生冲刷的条件。

31:20比尺模型试验

从冲刷坑的个数来看，在筒型基础的前后两侧出现了两个形状不对称的冲刷坑剖面形态。造成两个特征剖面冲刷坑形态不一样的原因可能在于:待试验结束，将水槽中的水放掉之后，发现特征剖面1侧的两个冲刷体积较大，特征剖面1测量的断面基本横穿此侧两个冲刷坑的中间位置，所以特征剖面1中两个冲刷坑的演化过程较为明显;而特征剖面2一侧的两个冲刷坑体积较小，此侧两个冲刷坑的大小也不完全一致，特征剖面2中显示的冲刷坑是此侧较大的冲刷坑的发展变化过程，另一个冲刷坑因为体积较小，紧贴模型的表面，还没有发展到特征剖面2的位置，因此在特征剖面2的历时曲线中并没有体现出这个小冲刷坑的发展过程，造成筒型基础前后两侧冲刷坑不对称的根本原因是由于试验中双向泵反向运动形成反向水流时流速小于正向水流造成，类似于涨潮流速大于落潮流速情况。

4设计方案冲刷验证试验

防冲刷试验是在冲刷坑形成条件下进行的，模型防护范围根据前面冲刷试验情况采用最远1.00m冲刷范围，即单桩外围12.50m，模型中范围为0.25m。模型试验中土工布厚约2.0mm，袋装沙按装满46%左右重的沙，块石选用0.48g、1.30g、2.65g、21.2g、169.6g五种重量，前四种碎石厚度均为20.0mm，169.6g碎石厚度约为40.0mm。

结语：通过对桩土相互作用分析可知，桩周土容易出现变形现象，这就需要工作人员加强对桩土作用机理的研究，掌握其应用范围，这样不但能够发挥出其在海上风电基础中的作用，还能达到预期的效果，进而提高社会效益。参考文献：

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