刘 博,马兆荣,刘晓建,郭辉群
(1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司,广东 广州 510663;2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院,广东 广州 510610)
风能是目前发展最快,最具有发展前景的可再生能源之一。由于海上风速大、风能大、风力持续时间长且稳定,风电机组大规模化逐渐从陆地走向海上。吸力桶形基础是近几年发展起来适用于浅覆盖层海床地质的一种基础形式,具有环境友好、安装施工快速、可重复利用等优点,可同时适用于砂性土和软粘土等地质条件。然而,海上风电场所处海洋环境较为复杂,在波浪和洋流综合作用下桩周会形成冲刷坑,降低基础承载能力,对风电桩基的稳定性产生了很大影响。
因此,风电桩基础局部冲刷问题一直是学者们研究的热点,以往研究多集中在单向流[1-4]、纯波浪[5-8]、波流联合[9-10]情况下的单桩或群桩结构冲刷问题,而三桶吸力桩结构形式更加复杂,上部桁架相互交错,桶顶布有多段肋板,导致基础周围水体的紊动加剧,床面泥沙运动多变,由于三桶吸力桩结构较新颖、相关研究成果较少[11]。此外,为了应对构筑物在海洋环境下的局部冲刷问题,国内外学者对不同防护措施进行了探讨,分为主动防护和被动防护[12],主动防护措施如护圈防护措施[13]、牺牲桩防护措施等[14],被动防护如抛石防护措施[15-16]、防护沙袋防护措施等[17],然而上述成果鲜有研究三桶吸力桩结构的防冲刷措施。
海上风电场海床冲刷与构筑物形态、桩周流场、海床底质特征等因素有关。本研究针对阳江沙扒海域典型水文泥沙情势和三桶吸力桩结构特点,通过大比尺物理模型试验对三桶吸力桩结构基础的防冲刷问题进行探讨,着重分析不同防护方案的防冲刷能力,相关成果可为类似工程建设及运维提供参考。
广东省阳江市阳西县沙扒镇海域潮汐属于不正规半日潮,根据周年潮位站和周年水文观站(2016年6月1日至2017年5月31日)数据统计分析,本工程区海域的潮位和波浪要素,见表1。
表1 沙扒海域潮位、波浪要素
采用大比尺模型试验,严格按照水流运动相似、波浪运动相似,及泥沙运动相似要求。模型采用正态波浪,综合实际海域波浪条件以及水槽造波能力,参考中国制定JTJ/T 234—2001《波浪模型试验规程》中相关规范,确定几何比尺为1∶50,水流动力比尺(流速比尺、时间比尺)采用1.00∶7.07,波要素比尺(波长比尺、波高比尺)采用1∶50,波速比尺、波周期比尺采用1.00∶7.07。
模型沙的选择以泥沙起动相似为主,模型沙的选取已由任灏等[11]给出,在此不多介绍。本次物理模型试验在珠江水利科学研究院里水科学试验基地的大波流水槽中进行,水槽宽5 m,长50 m,高1.2 m。大波流水槽配备有推板式造波机,其位于水槽右端,水槽左端有覆盖多孔材料的消浪斜坡,坡度为1∶8,水槽底内部装有转机频率控制的潜水泵,可以通过调整转机频率调节水流,以达到试验要求。总共布置4个浪高仪用于测量造波端(G1)、平台前端(G2)、沙坑前端(G3)和后方平台中部(G4)的波高时间序列,试验布置和模型见图1。三桶吸力桩模型,底部3个桶圆心成等边三角形,圆心间距0.6 m,桶直径0.246 m,上部杆件直径0.032 m,交叉斜拉筋直径0.016 m,见图1。
图1 物理模型试验布置
3.1 床面形态分布
无防护时吸力桶近区海床冲淤情况见图2,试验发现,不同重现期波浪和海流组合动力下,冲淤变化形态变化没有本质差异,仅是冲淤幅度略有调整。冲刷稳定后,海床表面沙纹分布明显,吸力桶基础结构外侧周围沙纹较宽,沙纹形态较为规则,海床冲淤明显;相对而言,基础结构中间区域在外侧桁架的掩护和桁架的绕流作用的影响下,海床形态略显紊乱、不规则。
图2 吸力桶近区海床冲淤
3.2 断面形态分布
为了反映淤泥质动床条件下,吸力桶基础近区海床剖面形态,选取了3个横向断面和2个纵向断面对其进行量化,具体布置见图3。
图3 横向、纵向断面选取示意
3.2.1不同动力条件
分别选取纯波、纯流及波流联合动力,对海床剖面形态变化情况进行分析,选择海床不清淤,设计低水位、50年一遇波浪、海流组合条件进行试验,相应的横向断面和纵向断面结果见图4、5。
a)横向断面1
a)纵向断面1
从结果可以看出,纯流作用时床面冲淤变化较小。纯波和波流作用时,床面均出现沙纹,且波流共同作用时沙纹的波长大于纯波情况,沙纹的波峰和波谷表现出了类似的变化趋势。此外,从横向断面结果可以看出,波流共同作用下沙纹的不对称性显著,迎浪侧沙纹长度大于背浪侧,表明海流的加入增强了床沙的净输移。从纵向断面结果可以看出,波流共同作用下海床整体下切,部分区域的冲刷深度约为纯波、纯流两者之和,再次表明波流共同作用时海床冲淤更加明显,冲刷深度更大。
3.2.2不同波流组合
图6、7给出了不同波流组合动力下,典型位置处的海床剖面变化。从图6中可以看出,2年一遇波流组合时海床冲淤幅值较小,而50年一遇波流组合时海床冲淤幅值较大,并呈现不同的变化特征:靠近桶基础的海床前侧(约0.3 m范围内)主要以冲刷为主,远离桶基础的海床前侧(大于0.3 m)主要以沙纹形态为主;靠近桶基础的海床后侧(约0.3 m范围内)主要以淤积为主,同样远离桶基础的后方区域仍以沙纹形态为主。从图7中可以看出,近桩基(约小于0.2 m)两侧海床以冲刷为主,其他位置海床形态则冲淤交替。50年一遇极端高水位、设计高水位、设计低水位、极端低水位情况下,最大冲刷深度约为1.69、2.03、2.27、2.34 m。
a)横向断面1
a)纵向断面1
4.1 防冲刷试验布置
桩基冲刷防护措施包括主要防护措施和被动防护措施,通过冲刷实验结果进一步探讨被动防护措施防护效果,被动防护措施主要为沙袋防护、抛石防护和仿生草防护措施。工程应用中,沙袋采用渗透系数不小于10-3cm/s的细沙或者中细沙,粒径大约为0.075 mm的颗粒含量大于85%,黏粒(d<0.005)小于3%,采用400 g/m2的涤纶长丝机织土工模袋制作,规格约为800 mm×500 mm,物理模型根据几何相似和重力相似,根据比尺缩放进行物理模型沙袋制作;抛石防护方案综合考虑抛石的粒径、级配,并通过相应比尺关系进行抛石筛选,本试验对中值粒径为150 mm,最大粒径不超过250 mm,所抛碎石粒径为60 mm的抛石方案;仿生海草技术是基于海洋仿生学开发研制的海底防冲刷技术,物理模型中选用人造塑料草皮;物理试验防护模型材料见图8。
a)沙袋
抛填法是目前采用最广泛的方法,在复杂海洋环境下,在吸力桶周围抛填沙袋具有一定的困难,本试验沙袋防护考虑散落布置和叠层布置,具体布置效果见图9。抛石防护范围选择与沙袋防护范围一致,布置情况见图10。
a)散落布置
图10 抛石防护
仿生草防护技术主要利用仿生草的柔性黏滞阻尼作用来降低结构物的基础附近的水流流速,防止附近泥沙冲刷,促进沉积物颗粒在结构物的基础进行沉降淤,本试验主要在吸力桶的周围布置矩形区域的人工仿生草皮,使用细铁丝和铁块将人工仿生草皮锚固在沙床上,布置方式见图11。
图11 仿生草防护
4.2 防冲刷试验结果
4.2.1沙袋防护措施研究
冲刷稳定后吸力桶底床冲刷形态见图12,散落布置情况下,吸力桶前大部分沙袋在强波流的作用下被携带到结构物后方,根据试验现场观测和测量,吸力桶后方的掩护区存在少数沙袋,其范围为与波浪方向夹角约-140～140°,吸力桶四周发生明显的冲刷现象,测点吸力桶基础周围最大冲刷深度为1.6 m,较防护前减小32%;叠放布置情况下,相同波流条件下,吸力桶前部分沙袋大多数被携带到掩护区,根据试验现场观测和测量,吸力桶后方的掩护区存在少数沙袋,其范围为与波浪方向夹角约-90～90°,吸力桶周围冲刷主要发生在迎浪面,测点吸力桶基础周围最大冲刷深度为1.3 m,较防护前减小44%,表明叠放布置防护效果相对散落布置较好。
a)随机布置
4.2.2抛石防护措施
图13为波流联合作用下抛石周围海床局部冲刷形态,从图中可以看出碎石主要停留在吸力桶结构周围,部分碎石散顺着吸力桶周围沙纹排布,测量吸力桶基础周围最大冲刷深度为0.6 m,较防护前减小74%。根据试验结果可以发现,抛石方案对于吸力桶的周围防冲刷具有一定的作用。
图13 吸力桶底床冲刷形态
4.2.3仿生草防护措施
在波流共同作用下,人工仿生草皮四周环绕沙纹(图14),除迎浪面的位置出现一定下切,其余位置并未有明显冲刷,且草皮上淤积较多沙子,桶周冲刷深度较防护前减小90%以上。对比前后吸力桶的周围冲刷现象,人工仿生草皮防护防冲刷效果良好。
4.3 对比分析
无防护桶周海床冲刷和不同防护方案防护效果对比见表2,从表中可知,多个防护措施方案都具有一定的保护效果,其中仿生草防护方案最佳,抛石方案其次。但需注意的是仿生草防护方案需注意吸力桶与仿生草皮交接处的贴合性、紧密性,而对于抛石方案,试验发现如果石块抛填不好,石块周围可能会出现严重的水流扰动,引发更严重的冲刷问题,相关问题也被Ettema[18]所证实。
表2 不同方案防护效果对比
本研究基于阳江沙扒海域底质、动力和三桶吸力桶结构特点,建立了物理模型试验,对阳江沙扒海上风电三桶吸力桩防冲刷能力进行分析。主要结论如下。
a)波流共同作用时,吸力桶近区海床冲淤程度大于纯流或者纯波条件作用,未实施防护方案情况下,50年一遇极端波流动力情况下三桶吸力桩基础最大冲刷深度为2.34 m,桶基础结构外侧沙纹形态较为规则,而中间区域在外侧桁架的掩护和桁架的绕流作用影响下,海床形态略显紊乱、不规则。
b)50年一遇极端波流动力情况下,横向断面上,吸力桶前侧(约0.3 m范围内)海床主要以冲刷为主,后侧(约0.3 m范围内)海床主要以淤积为主,大于0.3 m其他区域主要以沙纹形态为主;纵向断面上,桶基(约小于0.2 m)两侧海床以冲刷为主,其他位置海床形态则冲淤交替。
c)抛石、沙袋、仿生草等不同防护措施实施后,50年一遇极端波流动力下桶周海床冲刷深度显著降低,其中沙袋规则布置时防冲刷效果达到44%,沙袋随机布置时防冲刷效果为32%,抛石防护时防冲刷效果达74%,而仿生草措施不仅减少了桩周海床冲刷深度,也促进了附近悬沙落淤,桶周冲刷深度较防护前减小90%以上。
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