盧欽先,王洪慶,劉曉建,郭輝群*
(1.中國(guó)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)
海上風(fēng)電是新型可再生能源開(kāi)發(fā)的前沿領(lǐng)域,最具有規(guī)?;l(fā)展?jié)摿?,受到沿海?guó)家和區(qū)域的廣泛關(guān)注。海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)長(zhǎng)期處于波浪、水流往復(fù)作用的海洋環(huán)境下,常伴有高速繞柱渦動(dòng),巨大水流挾沙力,形成局部沖刷坑。海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)外形呈細(xì)長(zhǎng)體,隨著沖刷深度增加,強(qiáng)風(fēng)強(qiáng)流作用下樁柱細(xì)長(zhǎng)體的柔性自振頻率會(huì)接近周邊海洋動(dòng)力的運(yùn)動(dòng)頻率,極有可能形成共振,影響結(jié)構(gòu)安全性。
許多學(xué)者對(duì)樁基沖刷進(jìn)行了研究,主要集中在單純水流和單純波浪的情況[1-4]。波流作用下的樁基沖刷涉及到波浪、水流、樁柱與鄰近底質(zhì)之間復(fù)雜的相互作用,研究成果較少[5-6]。實(shí)驗(yàn)表明:波流聯(lián)合動(dòng)力并不是簡(jiǎn)單的疊加,不同動(dòng)力組合情況下結(jié)構(gòu)物周?chē)鷾u流系存在較大的差異[7]。對(duì)于樁周最大沖深,部分學(xué)者們給出了相反觀點(diǎn)。Qi等人[8]指出水流或波浪單獨(dú)作用下的樁基周?chē)鷽_刷坑深度明顯小于波流共同作用下的。Sumer 等人[9]指出聯(lián)合的沖刷深度小于純水流的,但在大于純波浪的情況下,該過(guò)程受KC 數(shù)(KC=UwmT/D,其中,Uwm是波浪最大水質(zhì)點(diǎn)速度,T是波周期,D是樁直徑)和速度比[Ucw(=Uc/(Uc+Uwm),其中,Uc是波流聯(lián)合動(dòng)力中的水流流速]的影響,并指出當(dāng)Ucw>0.7 時(shí),聯(lián)合的沖刷深度接近單一水流的,因此,波流共同作用下單樁基礎(chǔ)局部沖刷機(jī)理有待進(jìn)一步研究。作者擬以珠海金灣風(fēng)電基礎(chǔ)受波流共同作用為例,通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn),研究波浪、海流和波流共同作用下樁基周?chē)木植繘_刷特征,以期為海上風(fēng)電樁基設(shè)計(jì)相關(guān)沖刷參數(shù)的設(shè)定提供借鑒。
金灣風(fēng)電場(chǎng)位于珠江口萬(wàn)山島和高欄島之間,海洋環(huán)境十分復(fù)雜,受波浪、海流、風(fēng)暴潮等多種動(dòng)力因素影響,其局部沖刷特性難以用現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行預(yù)測(cè),潮汐屬于不正規(guī)半日混合潮型。金灣風(fēng)電場(chǎng)處潮汐特征選取三灶潮位站作為參證站,據(jù)自1965 年至今的驗(yàn)潮資料,歷史最高潮位3.23 m,平均高潮位0.39 m,最低潮位-1.97 m,平均低潮位-0.70 m。在100 a 一遇高潮位和SE 向強(qiáng)浪作用下,有效波高在7.11~9.44 m 之間達(dá)到最大波高,W 向浪相對(duì)較弱。由于風(fēng)電場(chǎng)范圍水深差異較大,各點(diǎn)波況也明顯不同??紤]工程區(qū)域波浪特征,5 a 和50 a 一遇海流設(shè)計(jì)流速分別為1.08、1.19 m/s,典型波浪要素見(jiàn)表1。
表1 試驗(yàn)原型波浪要素Table 1 Wave parameters of test prototype
根據(jù)工程結(jié)構(gòu)和動(dòng)力條件,采用大比尺物理模型試驗(yàn),同時(shí)滿足水流運(yùn)動(dòng)相似、波浪運(yùn)動(dòng)相似和泥沙運(yùn)動(dòng)相似。比尺相似要求為:重力相似(流速比尺),阻力相似(糙率比尺)λn=時(shí)間比尺流量比尺其中,λl為水平比尺,λh為垂直比尺。
模型中的波浪采用正態(tài),根據(jù)模型和水槽造波能力,幾何比尺確定為1:50,水流動(dòng)力比尺(流速比尺λv、時(shí)間比尺λt)采用1:7.07,波要素比尺(波長(zhǎng)比尺λL、波高比尺λH)采用1:50,(波速比尺λC、波周期比尺λT)采用1:7.07。
模型沙的選擇以水流泥沙起動(dòng)相似為主,根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)所處海域土層采樣資料分析,區(qū)域主要以淤泥質(zhì)土等軟土層為主,中值粒徑介于0.01~0.03 mm,淤泥層塑性指數(shù)(Ip)為18.9。通過(guò)泥沙起動(dòng)流速計(jì)算公式為式(1)或式(2),求得底質(zhì)起動(dòng)流速情況。
式中:h為水深,m;d為泥沙中值粒徑,取d=0.01~0.02 mm;Δ為糙率,d<0.5 mm 時(shí),取Δ=0.5 mm;εk為泥沙黏結(jié)力參數(shù),原型沙取εk=2.56 cm3/s2;δ為薄膜水厚度,取0.21×10-4cm;γ為泥沙,約2.65 t/m3;γs為水容重,約1 t/m3。
對(duì)于黏性土,臨界起動(dòng)切應(yīng)力與土的塑性指數(shù)有關(guān),可采用Smerdon公式計(jì)算:
式中:Ip為土的塑性指數(shù);τc為臨界起動(dòng)切應(yīng)力,N/m2。
起動(dòng)摩阻流速可由式(4)進(jìn)行計(jì)算:
式中:ρ為水的密度。
原型表層底質(zhì)起動(dòng)摩阻流速計(jì)算結(jié)果(u*c=0.043 8 m/s)可換算到平均流速為:
式中:u為垂線平均流速;u*c為摩阻流速;C為謝才系數(shù),其中,R≈h(水深),n為糙率,g為重力加速度。
學(xué)者們將波浪條件和純流Shields 泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)曲線相結(jié)合,指出振蕩流作用下床面切應(yīng)力可利用波浪摩擦系數(shù)計(jì)算[10-11],床面剪應(yīng)力τcm的最大瞬時(shí)值,定義為:
式中:umc為近底波浪水質(zhì)點(diǎn)最大水平速度;fw為波浪摩擦系數(shù),由Jonsson圖表確定。
對(duì)于本研究選定的淤泥土層,由于粒徑較細(xì)(d50=0.01~0.03 mm),而起動(dòng)切應(yīng)力又較大(u*c=0.043 8 m/s),處于光滑紊流區(qū),fw可由式(7)計(jì)算。
fw= 0.09RE-0.2。 (7)
由式(1)~(7)計(jì)算,底質(zhì)的起動(dòng)流速介于1.03 ~1.81 m/s 之間,其中,最小為1.03 m/s(換算到模型中約為14.5 cm/s)。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試,本研究模型沙采用處理過(guò)的精煤屑,容重γs=1.35 t/m3,d50為0.4 mm,模型沙鋪設(shè)簡(jiǎn)便,長(zhǎng)期浸水不會(huì)板結(jié),水下擾動(dòng)不會(huì)密實(shí),能夠達(dá)到泥沙重復(fù)性試驗(yàn)的要求。該模型沙在試驗(yàn)水深時(shí),起動(dòng)流速為12~16 cm/s,滿足原型沙起動(dòng)準(zhǔn)則,可用于后續(xù)沖刷試驗(yàn)研究。
本物理模型試驗(yàn)在珠江水利科學(xué)研究院里水科學(xué)試驗(yàn)基地的咸潮風(fēng)浪流水槽中進(jìn)行,水槽的長(zhǎng)76 m×寬1.2 m×高1.5 m,實(shí)驗(yàn)布置如圖1 所示。造波機(jī)位于水槽右端,水槽左端設(shè)有1:8 的消浪斜坡,斜坡上覆蓋多孔材料減少波浪反射。同時(shí),為了盡量避免反射波對(duì)試驗(yàn)區(qū)波浪的影響,試驗(yàn)中每造100個(gè)波后,造波機(jī)停止運(yùn)行,待水面穩(wěn)定后再重新造波,如此循環(huán)往復(fù)。水槽底的內(nèi)部裝有潛水泵,實(shí)驗(yàn)中通過(guò)控制潛水泵轉(zhuǎn)機(jī)頻率控制流量,水流穩(wěn)定后使用流速儀測(cè)量水槽底部流速,不斷調(diào)整轉(zhuǎn)機(jī)頻率,直到達(dá)到目標(biāo)流速。
圖1 物理模型試驗(yàn)布置(單位:m)Fig.1 Layout of physical model test(unit:m)
金灣風(fēng)電場(chǎng)工程單樁基礎(chǔ)柱徑擬為7.5、8.0、8.5 m,因海洋環(huán)境中結(jié)構(gòu)物的存在,改變了其周?chē)牟ɡ撕退鳁l件,樁基周?chē)暮4渤33霈F(xiàn)淘刷現(xiàn)象。為了確定波流作用下樁周局部沖刷過(guò)程,首先針對(duì)原型7.5 m 樁基,在50 a 一遇波流條件下開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),1 次臺(tái)風(fēng)過(guò)程約為3 h,則根據(jù)比尺縮放關(guān)系換算到試驗(yàn)中約為25 min,以此作為1 次沖刷過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)。此后,每隔一段時(shí)間對(duì)樁前、后、兩側(cè)等4個(gè)測(cè)點(diǎn)高程進(jìn)行量測(cè),原型1~15 h 后,樁周測(cè)點(diǎn)和樁基前后沖刷深度測(cè)量結(jié)果如圖2~3 所示,圖中x為沿水槽方向,z為沿水深方向,θ為沿樁表面角度,其中,θ=0為迎水側(cè)點(diǎn)。從圖2~3 中可以看出,波流作用原型6 h后,沖刷深度基本達(dá)到穩(wěn)定,原型第12 h和15 h各點(diǎn)沖刷深度僅有少量變化。因此,后續(xù)試驗(yàn)認(rèn)為波流作用原型15 h 后沖刷坑達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),其中,原型15 h 換到算模型試驗(yàn)約為2 h,以此作為海床穩(wěn)定沖刷標(biāo)準(zhǔn)。
圖2 樁周測(cè)點(diǎn)不同時(shí)刻沖刷深度Fig.2 Scour depth of measuring points around piles at different times
圖3 樁基前后不同時(shí)刻剖面沖刷深度Fig.3 Scour depth of profile at different time before and after pile foundation
波浪、水流和波流耦合等多種動(dòng)力下,樁基沖刷過(guò)程明顯不同,為了掌握不同動(dòng)力下水沙運(yùn)動(dòng)差異,首先采用高速相機(jī)對(duì)其進(jìn)行捕捉(以7.5 m樁徑為例)。
3.2.1 純水流作用
在恒定流作用下,水流對(duì)樁基周?chē)炒驳那袘?yīng)力受馬蹄渦和兩側(cè)束水的影響顯著增大。切應(yīng)力大于泥沙的臨界起動(dòng)切應(yīng)力時(shí),發(fā)生沖刷,隨著沖坑深度的增大,沖刷坑的深度不再變化,達(dá)到?jīng)_刷平衡,此時(shí)形成的樁基沖刷為清水沖刷,沖刷過(guò)程如圖4所示。
從圖4中可以看出,樁基的上游迎水面和兩側(cè)先發(fā)生沖刷,在純流作用下,沖刷逐漸向下游發(fā)展,直至沖刷深度不再發(fā)生變化,沖刷坑的上游沙坑坡面較陡,下游沙坑坡面較緩,呈現(xiàn)不對(duì)稱的“勺型”。樁周沖刷達(dá)到平衡后,測(cè)得柱前最大沖刷深度達(dá)到11 cm(即現(xiàn)場(chǎng)為5.5 m),約為0.73D;樁側(cè)最大沖刷深度為10.5 cm(即現(xiàn)場(chǎng)為5.25 m),約為0.7D。
3.2.2 純波浪作用
波浪作用下樁基周?chē)哪嗌称饝疫^(guò)程如圖5所示。波浪作用時(shí),樁柱前產(chǎn)生反射,同時(shí),在柱后掩護(hù)區(qū)形成衍射。從圖5中可以看出,漩渦運(yùn)動(dòng)對(duì)大直徑樁的沖刷過(guò)程影響較小,當(dāng)波浪反射后,近底層流速增加,泥沙逐漸起動(dòng),反射和繞射導(dǎo)致水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)不對(duì)稱性,引起泥沙的凈輸移,沖刷坑并沒(méi)有發(fā)展至環(huán)繞全部基礎(chǔ),樁基周?chē)纬擅黠@沙紋,整個(gè)過(guò)程中沖刷坑并不顯著。
圖4 流作用下樁周泥沙起懸過(guò)程Fig.4 Sediment suspension process around pile under current
圖5 波作用下樁周泥沙起懸過(guò)程Fig.5 Sediment suspension process around pile under wave
3.2.3 波浪水流共同作用
風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在波浪、水流共同影響下,樁周海床瞬時(shí)沖刷過(guò)程如圖6所示。由于樁基的阻水作用,流體的行進(jìn)速度變?yōu)榱?,轉(zhuǎn)化為駐點(diǎn)壓力。駐點(diǎn)壓力導(dǎo)致水流向下流動(dòng),并且還導(dǎo)致樁兩側(cè)繞流的側(cè)向流速明顯增大,引起泥沙起懸。
圖6 波流作用下樁周泥沙起懸過(guò)程Fig.6 Sediment suspension process around pile under wave and current
長(zhǎng)時(shí)間的波流聯(lián)合動(dòng)力作用后,樁基根部出現(xiàn)明顯的沖刷坑,如圖7所示。樁前及兩側(cè)的沖刷程度大于背流/浪面的,沖刷形狀呈現(xiàn)“勺”狀,并伴有廣泛分布寬度較窄的沙紋,樁背水面的中軸線附近為淤積區(qū)。樁基局部沖刷特征和水流、波浪動(dòng)力特征相對(duì)應(yīng),兼具單一波/流兩者引起的沖刷特性。樁周沖刷達(dá)到平衡后,測(cè)得柱前最大沖刷深度為9.50 cm(即現(xiàn)場(chǎng)為4.75 m),約為0.63D;樁測(cè)最大沖刷深度為9.20 cm(即現(xiàn)場(chǎng)為4.60 m),約為0.61D。從圖7 中可以看出,波流作用下的沖刷值小于純流作用下的,表明:波浪起到了一定回填作用。實(shí)際情況中,樁基所處的海洋環(huán)境波流一般共存,因此,后續(xù)研究中以波流動(dòng)力為基礎(chǔ)開(kāi)展相關(guān)研究工作。
圖7 波流作用下樁基近區(qū)沖刷形態(tài)Fig.7 Scour pattern around pile foundation under wave and current
基于超聲波地形測(cè)量?jī)x,對(duì)樁周海床沖淤形態(tài)進(jìn)行測(cè)量,部分結(jié)果如圖8 所示(已換算成原型,D=7.5m,h=14.0 m)。從圖8 中可以看出,5 a一遇波流情況下的沖刷深度和沖刷范圍均小于50 a一遇波流情況下的。其中,一次沖刷,僅樁周出現(xiàn)了較大沖刷,經(jīng)過(guò)多次沖刷海床穩(wěn)定后,樁周沖刷深度進(jìn)一步增加,同時(shí)樁后兩側(cè)沖刷深度也明顯增大。沖刷坑主要圍繞在樁基周?chē)瑳_刷最深處在單樁迎水面和單樁結(jié)構(gòu)后兩側(cè),單樁背流側(cè)沖坑略淺,尾流區(qū)有淤積。其他實(shí)驗(yàn)工況下波流引起的沖刷地形形態(tài)變化與該情況沒(méi)有本質(zhì)差異,僅沖刷幅度略有不同。表明:波浪在樁基局部沖刷過(guò)程中主要起掀沙作用,當(dāng)沖刷深度較大時(shí),波浪對(duì)沖刷坑的下切作用明顯減弱。結(jié)合水體產(chǎn)生的周期性波動(dòng)力,底部速度增大,迫使泥沙起動(dòng)。引起局部沖刷的主要原因?yàn)椋孩贅吨杷谥靶纬删植扣账a(chǎn)生垂向水流下切床面;②波動(dòng)力掀起泥沙輸移;③樁柱兩側(cè)和后部地形的沖刷主要受馬蹄形漩渦和尾流漩渦的影響。
圖8 樁基近區(qū)沖刷形態(tài)Fig.8 Scour pattern around pile foundation
本試驗(yàn)結(jié)果表明:波流共同作用下樁基近區(qū)沖刷范圍主要位于單樁迎水面和單樁結(jié)構(gòu)后兩側(cè),其中,迎水面沖刷最為顯著。柱徑為7.5 m、水深為13 m 的樁前、樁后床面地形剖面特征如圖9 所示?;诒瘸呖s放模型試驗(yàn)成果,已換算到原型。從圖9中可以看出,隨著波流過(guò)程樁基沖深逐漸增大,而沖坑坡度未明顯改變,柱基前后沖刷坡度約1:10~1:1,且樁前的沖刷坡度遠(yuǎn)大于樁后的。
圖9 樁周沖刷剖面Fig.9 Scour profile around pile
對(duì)試驗(yàn)工況進(jìn)行統(tǒng)計(jì),可得不同工況下的樁周海床最大沖刷深度,見(jiàn)表2。
表2 50a一遇波況各工況最大沖刷深度Table 2 Maximum scour depth under each case in a once-in-50-year wave
由表2 可知,在現(xiàn)場(chǎng)柱徑8.5 m 和水深25.0 m組合時(shí),50 a一遇波流情況下樁基近區(qū)海床沖刷最為嚴(yán)重,在柱徑8.5 m、水深25.0 m 組合的50 a 一遇波流情況下平面和三維沖刷形態(tài)如圖10~11 所示。從圖10~11 中可以看出,受尾渦脫落影響,樁基側(cè)后方海床沖刷較明顯,側(cè)后方?jīng)_刷顯著區(qū)與主流方向的夾角在30°~66°。沿波流方向上,沖刷深度達(dá)到-1.0 m 以上的范圍最遠(yuǎn)距樁基中心約為35 m,沖刷深度達(dá)到-2.0 m 以上范圍的約15 m,沖刷深度達(dá)到-3.0 m 以上范圍的約9.0 m。垂直于波流方向上,沖刷深度達(dá)到-1.0 m 以上范圍最遠(yuǎn)距樁基中心約為25 m,沖刷深度達(dá)到-2.0 m以上范圍的約22.5 m,沖刷深度達(dá)到-3.0 m 以上范圍的約7.5 m。
圖10 樁周平面沖刷形態(tài)Fig.10 Plane scour pattern around pile foundation
圖11 樁周三維沖刷形態(tài)Fig.11 Three-dimensional scour pattern around pile foundation
根據(jù)工程地質(zhì)和動(dòng)力條件,通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)珠海金灣風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)建設(shè)后的局部沖刷進(jìn)行研究,得到結(jié)論為:
1)純流作用下,受馬蹄渦和兩側(cè)束水的影響,樁周出現(xiàn)明顯沖坑,形成不對(duì)稱的“勺型”。純波作用下,樁基周?chē)臎_刷坑不能發(fā)展至環(huán)繞全部基礎(chǔ),樁基周?chē)霈F(xiàn)明顯沙紋,沖刷坑較為不明顯。波流共同作用下,沖刷形態(tài)兼具這2種特征,沖刷坑形狀似“勺”,并伴有廣泛分布寬度較窄的沙紋,但本海域波流作用下的沖刷深度小于純流的,表明波浪起到了回填作用。
2)沖刷坑主要圍繞在樁基周?chē)?,沖刷最深處在單樁迎水面和結(jié)構(gòu)后兩側(cè),單樁背流側(cè)沖坑略淺,尾流區(qū)有淤積,柱基前后沖刷坡度約為1:10~1:1,且樁前的沖刷坡度遠(yuǎn)大于樁后的。受尾渦脫落的影響,樁基側(cè)后方海床沖刷較明顯,側(cè)后方?jīng)_刷顯著區(qū)與主流方向的夾角在30°~66°。
3)考慮最不利情況,在沿波流方向上,沖刷深度-1.0、-2.0、-3.0 m以上范圍最遠(yuǎn)距單樁樁基中心約為35、15、9.0 m,即4.12D、1.76D、1.06D。在垂直于波流方向上,沖刷深度-1.0、-2.0、-3.0 m 以上范圍最遠(yuǎn)距單樁樁基中心約為25、22.5、7.5m,即2.94D、2.65D、0.88D。