潮間帶風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)樁基局部沖刷深度計算研究

文 | 尚進(jìn)，趙玉宇

潮間帶風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)樁基局部沖刷深度計算研究

文 | 尚進(jìn)，趙玉宇

近年來，隨著全球能源和環(huán)境問題的日益突出，特別是全球氣候變暖的威脅日益明顯，可再生能源以其清潔、安全、永續(xù)的特點(diǎn)，在各國能源戰(zhàn)略中的地位不斷提高。風(fēng)能作為可再生能源中成本較低、技術(shù)較成熟、可靠性較高的新能源，近年來發(fā)展很快并開始在能源供應(yīng)中發(fā)揮重要作用。海上風(fēng)電是風(fēng)電發(fā)展的重要方向，我國海上風(fēng)能資源非常豐富，2015年，中國海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)到360500kW，總裝機(jī)容量達(dá)到1014680kW。

海上風(fēng)電場所處的環(huán)境條件十分復(fù)雜，風(fēng)、浪、流等氣象水文要素對風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)產(chǎn)生的影響不容忽視。尤其在海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)建設(shè)后，潮流和波浪引起的水體運(yùn)動會受到顯著的影響（如圖1）。首先，在機(jī)組基礎(chǔ)的前方會形成一個馬蹄渦；其次，在機(jī)組基礎(chǔ)的背流處會形成渦流（卡門渦街）；再次，在機(jī)組基礎(chǔ)的兩側(cè)流線會收縮。這種局部流態(tài)的改變，會增加水流對底床的剪切應(yīng)力，從而導(dǎo)致水流挾沙能力的提高。如果底床是易受侵蝕的，那么在機(jī)組基礎(chǔ)局部會形成沖刷坑，這種沖刷坑會影響基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

目前，對于樁基局部沖刷問題的研究主要通過現(xiàn)場觀測和模型試驗(yàn)來進(jìn)行。相關(guān)單位曾對江蘇如東潮間帶風(fēng)電場的兩個風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)進(jìn)行現(xiàn)場局部沖刷觀測，實(shí)測樁基最大局部沖刷深度在1.2m－1.6m之間。江蘇如東潮間帶為淤泥質(zhì)海岸，與江蘇沿海其他的潮間帶海洋動力、地質(zhì)等條件相似，江蘇如東潮間帶風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)實(shí)測的局部沖刷深度對于江蘇沿海潮間帶淤泥質(zhì)海岸具有重要的參考價值。

在進(jìn)行波浪、水流作用下，局部沖刷深度的試驗(yàn)研究時，一般根據(jù)圓柱直徑D與波長L比值的大小來分別加以討論。當(dāng)D/L＜0.10－0.15時為小直徑的情況，D/L＞0.10－0.15時為大直徑的情況。按照上述情況，目前風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)樁徑大多在1.2m－6.5m之間，相對于波長較小，通常屬于小直徑的情況。目前已有部分相關(guān)研究成果，給出了局部沖刷深度的計算公式。但是，樁基局部沖刷涉及水動力、底質(zhì)、樁徑等多種因素，問題較為復(fù)雜，對于潮間帶海域，潮流特征更為多變，現(xiàn)有的研究成果多為根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理的經(jīng)驗(yàn)公式，使用條件受到一定的限制，主要表現(xiàn)為：（1）目前河流動力（單項(xiàng)水流）作用下的樁柱局部沖刷研究成果較多，但對于潮間帶作用下的樁柱局部沖刷研究成果較少；（2）大多數(shù)的模型研究只考慮粗砂的情況，對淤泥質(zhì)海岸樁柱局部沖刷研究較少。

本文根據(jù)已建江蘇如東潮間帶風(fēng)電場基礎(chǔ)局部沖刷現(xiàn)場資料，利用國內(nèi)外公認(rèn)較好的樁基局部沖刷計算公式及規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計算,并與實(shí)測資料進(jìn)行比較，改進(jìn)并完善適用于潮間帶淤泥質(zhì)海岸的局部沖刷深度公式。研究成果對于類似工程具有一定的參考價值。

局部沖刷公式及其驗(yàn)證

一、經(jīng)驗(yàn)公式簡介

目前國內(nèi)外用于計算波浪、潮流作用下局部沖刷的公式較多，韓海騫及王汝凱的公式是國內(nèi)認(rèn)為較好的公式，而國外DNV與GL海上機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范中對于機(jī)組基礎(chǔ)局部沖刷深度也有所規(guī)定，而國內(nèi)尚無針對于海上機(jī)組基礎(chǔ)的規(guī)范，所以以下將重點(diǎn)介紹韓海騫、王汝凱及DNV與GL的局部沖刷深度公式，并利用現(xiàn)場實(shí)測資料進(jìn)行檢驗(yàn)。

（一）韓海騫公式

韓海騫研究了潮流作用下杭州灣大橋、金塘大橋、沽渚大橋的實(shí)測沖刷數(shù)據(jù)，結(jié)合水槽試驗(yàn)（60多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)），采用因次分析法，得出了潮流作用下的局部沖刷公式，通過與實(shí)測及試驗(yàn)結(jié)果的對比，該公式可以反映出在潮流的作用下橋墩局部沖刷深度與水流、泥沙及橋墩及其布置形式等各因子之間的關(guān)系，顯示出了較高的精度。

其中，hb為潮流作用下橋墩的最大局部沖刷深度（m）；h為全潮最大水深（m）；B為全潮最大水深條件下平均阻水寬度（墩寬）（m）；d50為河床泥沙的平均中值粒徑（m）；

Fr為水流Froude數(shù)，，u為全潮最大流速（m/s），g為重力加速度（m/s2）；k1為基礎(chǔ)樁平面布置系數(shù)，條帶型k1＝1.0，梅花型k1＝0.862；k2為基礎(chǔ)樁垂直布置系數(shù)，直樁k2＝1.0，斜樁 k2＝1.176。根據(jù)設(shè)計情況， k1、 k2都取1.0。

（二）王汝凱公式

1982年，我國學(xué)者王汝凱在美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)海洋工程實(shí)驗(yàn)室做了在波、流共同作用下樁基周圍海底沖刷實(shí)驗(yàn)研究。通過多組實(shí)驗(yàn)，建立了沖刷深度計算模式。

其中，Su為局部沖刷深度（m），Nf為水流的弗汝德數(shù)的平方， Nf＝V2/gh， V為行近流速（m/s），g為重力加速度（m/s2），h為行近水深（m）； H/L為波陡，H為波高（m），L為波長（m）， T為周期（s）；Ur為Ursell數(shù)，Ur＝HL2/hh2； Ns為顆粒sediment數(shù)，，ρS為泥沙密度，ρ為水密度，d50為泥沙的中值粒徑；Nrp為樁的雷諾數(shù)， Nrp＝VD/v， D為樁的直徑，v為水的運(yùn)動粘滯系數(shù)。

（三）DNV公式（Design of offshoure wind turbine structures）

DNV-OS-J101規(guī)范引用Sumer、Petersen的一些研究成果，他們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樁基在穩(wěn)定潮流作用下，局部沖刷深度最大，極值近似為Sc/D＝0.6－2，而在波浪和潮流的聯(lián)合作用下，樁基的最大局部沖刷深度反而會減小。

其中，S為風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)在波流聯(lián)合作用下局部沖刷深度（m）；Sc為風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)在穩(wěn)定流作用下局部沖刷深度（m）；D為風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)樁徑（m）；umax為波浪在泥面處渦旋速度的最大值（m/s）；H為波高（m）；T為波周期（s）；h為水深（m）；Ucw＝Uc/（Uc＋Umax）； Uc為流速。

（四）（Guideline for Certification of Offshore Wind Turbines規(guī)范公式GL公式）

GL風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范是在趨于保守的理念，認(rèn)為風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的局部沖刷深度與樁徑有線性關(guān)系。

其中，h為風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的局部沖刷深度；D為風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)樁徑。

二、經(jīng)驗(yàn)公式驗(yàn)證

我國已建的海上風(fēng)電場較少，江蘇如東潮間帶海域的波浪、潮流、海床質(zhì)條件具有江蘇如東潮間帶的典型特征。為此，利用已建的江蘇如東潮間帶風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)局部沖刷的實(shí)測數(shù)據(jù)，對上述四個公式在潮間帶的適用性進(jìn)行驗(yàn)證。其水文及泥沙數(shù)據(jù)見表1。

分別應(yīng)用了韓海騫公式、王汝凱公式、DNV公式和GL公式，對風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的局部沖刷深度進(jìn)行計算，計算結(jié)果列于表2。從表中可以看出，考慮波浪對于潮流沖刷深度抑制作用的DNV公式，與實(shí)測值相差較多；GL公式的計算結(jié)果最大，其是基于保守原則進(jìn)行的估算；韓海騫公式和王汝凱公式的結(jié)果雖然與實(shí)測值較為接近，但都偏大。通過分析認(rèn)為主要有以下四點(diǎn)原因：

1.王汝凱公式是根據(jù)粗砂模型得到的計算公式，而本工程所處區(qū)域海岸主要以淤泥質(zhì)粉砂為主，因此計算結(jié)果偏差較大。

表1 如東潮間帶海洋動力參數(shù)及海床中值粒徑

2.雖然韓海騫公式適用于淤泥質(zhì)海岸，基本是在持續(xù)潮流作用下，但是本工程處于潮間帶區(qū)域，漲潮時潮流作用明顯，落潮后露灘，基本無潮流作用，潮流作用時間大大減少。

3.DNV公式考慮的是波浪作用對于潮流沖刷深度的抑制作用，穩(wěn)定潮流作用下，將樁基一定深度范圍內(nèi)的泥沙輸移，并且沖刷深度可以達(dá)到最大值，若考慮波浪與潮流聯(lián)合作用，波浪反而對沖刷坑存在回淤效應(yīng)，這可能是北海的海岸地質(zhì)條件與我國淤泥質(zhì)海岸相差較大的原因。

4.GL公式是根據(jù)與樁徑之間的關(guān)系得出沖刷深度，此公式是在沒有海洋水文、地質(zhì)資料的情況下對基礎(chǔ)設(shè)計局部沖刷深度進(jìn)行的估算。

潮間帶海域公式折減系數(shù)

驗(yàn)證結(jié)果表明，對于韓海騫公式和王汝凱公式，必須考慮潮間帶特有的潮流特征，否則結(jié)果偏大。一般情況下，公式的計算結(jié)果主要代表單向水流和波浪長時間作用下的最大局部沖刷深度，而在本工程中，潮流為往復(fù)流，波浪要素也不會長時間不變，并且風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)有一定的時間處于露灘狀態(tài)。因此，實(shí)測的局部沖刷深度比韓海騫公式和王汝凱公式計算值要小是理所當(dāng)然的。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)將單向流的局部沖刷計算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)折減，由表3可見，韓海騫公式折減系數(shù)為0.6時和王汝凱公式折減系數(shù)為0.5－0.6時計算結(jié)果與實(shí)測值最為接近。

表2 如東潮間帶樁基局部沖刷深度

表3 考慮折減后的如東潮間帶樁基局部沖刷深度

結(jié)語

根據(jù)江蘇如東潮間帶風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)局部沖刷深度的現(xiàn)場觀測資料，據(jù)此對比四種計算公式進(jìn)行了驗(yàn)證，提出了考慮潮間帶海域應(yīng)用折減系數(shù)的方法，取得了較為滿意的結(jié)果，研究表明：

（一）經(jīng)與如東潮間帶風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)局部沖刷實(shí)測結(jié)果比較，認(rèn)為采用韓海騫公式和王汝凱公式并進(jìn)行相應(yīng)折減較為適宜用來計算潮間帶淤泥質(zhì)海岸的樁徑局部沖刷深度，推薦采用上述兩種公式進(jìn)行計算。

（二）通常，局部沖刷深度公式主要來源于單項(xiàng)長流長期作用下的試驗(yàn)結(jié)果，而在海岸工程中，潮流多為往復(fù)流或者旋轉(zhuǎn)流，波浪要素也并非長期不變，對于潮間帶海域的局部沖刷深度來說，由于水深較淺，并且露灘時間較長，波浪、海流對于樁基沖刷時間相對較短，因此，利用現(xiàn)用的經(jīng)驗(yàn)公式計算的樁基局部沖刷深度較大，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?，根?jù)如東潮間帶風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)的現(xiàn)場實(shí)測資料，需要對結(jié)果進(jìn)行0.5－0.6的折減。

（作者單位：尚進(jìn)：中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司；趙玉宇：水利部農(nóng)村電氣化研究所）