海上風(fēng)機單樁基礎(chǔ)局部沖刷計算分析

張曉蕊，吳子昂，戴東鷹

(上?？睖y設(shè)計研究院，上海 200335)

海上風(fēng)電作為一種可再生清潔能源，已經(jīng)得到了全世界廣泛的關(guān)注。海上風(fēng)資源豐富，同時環(huán)境也更加復(fù)雜。需要注意的是，樁基礎(chǔ)泥面位置由于波浪和海流的作用，會產(chǎn)生局部沖刷從而導(dǎo)致風(fēng)機整體的穩(wěn)定性降低。因此，針對海上風(fēng)機基礎(chǔ)局部沖刷問題開展一系列分析，將具有十分重要的工程意義[1-2]。目前，海上風(fēng)電場風(fēng)機基礎(chǔ)局部沖刷深度主要依靠經(jīng)驗公式或根據(jù)已有的工程場區(qū)資料做參考。但由于場區(qū)資料較少，且各個海域環(huán)境相差甚遠，經(jīng)驗公式一般作為首選方法。本文針對江蘇某風(fēng)電場，對比不同沖刷深度下結(jié)構(gòu)頻率、變形、承載力和疲勞壽命等的變化，分析特定海洋環(huán)境下局部沖刷對風(fēng)力機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響。

1 經(jīng)驗公式及驗證

目前國內(nèi)外用于局部沖刷深度計算的經(jīng)驗公式主要有以下三種，韓海騫公式，王汝凱公式和J&S公式[3]。

1.1 經(jīng)驗公式

1)韓海騫公式。浙江大學(xué)的韓海騫建立了單一潮流作用下橋墩局部沖刷計算公式。

(1)

式中：hb為潮流作用下橋墩最大局部沖刷深度，m；h為全潮最大水深，m；B為最大水深下平均阻水寬度，m；d50為河床泥沙的中值粒徑，m；Fr為弗勞德數(shù)；g為重力加速度；k1為基礎(chǔ)平面布置系數(shù)，條形取1.0，梅花形取0.862；k2為基礎(chǔ)垂直布置系數(shù)，直樁取1.0，斜樁取1.176。

韓海騫公式適用范圍：平均阻水寬度B為0.8～42.0 m；全潮最大流速u為1.4～8.0 m/s；全潮最大水深h為4.5～31.0 m；中值粒徑d50為0.008～0.14 mm。

(2)王汝凱公式。王汝凱和Herbich基于粗砂模型，進行了波、流共同作用下小直徑樁的局部沖刷研究，并建立了局部沖刷深度計算公式。

(2)

(3)

式中：Nf為水流弗勞德數(shù)的平方；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為波高，m；L為波長，m；T為周期，s；Ur為Ursell數(shù)；Ns為顆粒sediment數(shù)，Ns=Vfw2/[(ρs-ρ)/ρ]gd50；Vfw為波流合成速度，m/s；ρs為泥沙密度，kg/m3；ρ為水密度，kg/m3；d50位泥沙的中值粒徑，mm；Nrp為樁的雷諾數(shù)；D為樁徑，m；υ為運動粘滯系數(shù)，m2/s。

3)J&S公式。Jones和Sheppard提出了僅考慮流速的大型橋墩局部沖刷計算公式。

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：Ds為樁基極限沖刷深度，m；dp為樁徑，m；D為水深，m；V為底部最大平均流速，m/s；Vcr為泥沙臨界起動速度，m/s；Vuspb為垂線平均流速，m/s；d50為泥沙中值粒徑，m。

1.2 公式驗證

根據(jù)已有的埕島油田海域環(huán)境條件(見表1)及沖刷數(shù)據(jù)[4]，對上述經(jīng)驗公式進行適用性驗證。由于韓海騫公式和J&S公式僅考慮流速的影響，現(xiàn)參考《港口與航道水文規(guī)范》得到波浪水質(zhì)點的平均流速與潮流速度之和帶入公式進行計算，結(jié)果見表2。

表1 埕島油田環(huán)境參數(shù)表

表2 平臺局部沖刷深度及實測值表 m

從表2可以看出：適用粗砂的王汝凱公式在淤泥質(zhì)土或細砂條件下，沖刷深度被放大，其計算結(jié)果比實測值大40%左右，過于保守，在實際工程中經(jīng)濟性較低；J&S公式雖然考慮了波流聯(lián)合作用，但結(jié)果仍偏低，不推薦采用；考慮波流聯(lián)合作用的韓海騫公式計算結(jié)果與實測值較為接近，實測值為經(jīng)驗公式的80%～90%。本文環(huán)境條件為近海海域，波浪對海底的影響不能忽視，所以采用考慮波流作用下的韓海騫公式進行局部沖刷計算。

2 SACS計算原理

SACS(Structural Analysis Computer System)是基于有限元分析的結(jié)構(gòu)仿真平臺，能夠進行復(fù)雜海洋環(huán)境下的結(jié)構(gòu)靜力和動力性能分析。靜力分析模塊主要包括線彈性靜力分析、樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用的非線性靜力分析等。動力分析模塊主要包括模態(tài)分析、疲勞分析，以及波浪作用分析等[5]。本文后續(xù)內(nèi)容將采用SACS軟件對風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)性能進行計算分析。

3 風(fēng)機基礎(chǔ)局部沖刷計算

3.1 環(huán)境條件

本文針對江蘇某海上風(fēng)場進行單樁基礎(chǔ)局部沖刷計算分析，具體環(huán)境條件如表3所示。采用波流聯(lián)合作用下的韓海騫公式，分析樁徑、中值粒徑對沖刷深度的影響程度。

表3 江蘇某海域環(huán)境條件表

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)，變換基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式和尺寸，計算F30、F47機位特定地質(zhì)條件下的局部沖刷深度，得到圖1(a)。從圖1(a)中可以看出，F(xiàn)30、F47機位4 m直徑斜樁和將近7 m直徑的直樁沖刷深度接近；1 m直徑斜樁和將近2 m直徑的直樁沖刷深度接近，從公式中也可計算得出相同沖刷深度的斜樁直徑是直樁的0.608倍。小直徑樁的多腳架基礎(chǔ)和高樁承臺對局部沖刷不如單樁敏感，但在實際工程中，單樁基礎(chǔ)由于結(jié)構(gòu)相對簡單，海上施工作業(yè)期短，施工可靠性高等優(yōu)點，成為頗受歡迎的一種基礎(chǔ)型式。為防止鋼管樁樁周沖刷，沿基礎(chǔ)一定范圍內(nèi)會進行防沖刷地基處理。本文風(fēng)場最大水深8～11 m，變化范圍不大。從圖1(b)中可以看出，水深對沖刷深度的影響較小，僅1.3%。圖(a)、(b)中的曲線均隨著x軸變量的增大而增大，而曲線斜率隨x變量的增大而減小。

圖1 局部沖刷結(jié)果圖

3.2 計算分析

風(fēng)機基礎(chǔ)局部沖刷深度大多根據(jù)經(jīng)驗公式估算，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時放出相應(yīng)的裕度。但經(jīng)驗公式適用條件為單向流，本場區(qū)實際為旋轉(zhuǎn)流，流向并不固定，經(jīng)驗公式結(jié)果將放大波流對沖刷的影響。本文將對經(jīng)驗公式的局部沖刷深度計算結(jié)果進行適當折減，再通過SACS軟件進行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)受力變形等分析。

F30、F47機位擬采用3.3 MW風(fēng)機，塔筒底部直徑為5.5 m，單樁基礎(chǔ)頂高程11 m，整機允許頻率范圍0.258～0.276 Hz。F47機位結(jié)構(gòu)直徑5.5 m，采用波、流聯(lián)合作用下的韓海騫公式得到?jīng)_刷深度為5.28 m，對比不同折減系數(shù)下的結(jié)構(gòu)靜力計算結(jié)果，如表4所示。

表4 F47結(jié)構(gòu)(D=5.5 m)計算結(jié)果表

注：承載力考慮安全系數(shù)1.5；結(jié)構(gòu)壓力乘以1.1倍放大系數(shù)。

由表4可以看出，同樣的結(jié)構(gòu)在不考慮沖刷時滿足變形頻率等要求，但是在折減系數(shù)為0.8時整機頻率就十分接近安全范圍的下界了，完全不考慮折減則更加無法滿足頻率要求，此時的變形和受力結(jié)果依然滿足規(guī)范，結(jié)構(gòu)尺寸以頻率控制為主。選取適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)尺寸，需要與沖刷深度進行進一步的迭代計算。為提高頻率的安全裕度重新建立直徑5.5～5.7 m的單樁模型，考慮到海流為旋轉(zhuǎn)流，我們?nèi)≌蹨p系數(shù)0.8的沖刷深度，得到?jīng)_刷深度為4.27 m，具體計算結(jié)果如表5，樁身位移曲線收斂如圖2。

表5 F47結(jié)構(gòu)(D=5.5～5.7 m)計算結(jié)果表

注：承載力考慮安全系數(shù)1.5；結(jié)構(gòu)壓力乘以1.1倍放大系數(shù)。

圖2 F47(D=5.5～5.7 m)樁身位移曲線圖

F30機位表層土為厚度1.3 m的砂質(zhì)粉土(d50=0.070 9)，第二層是厚度10.7 m的淤泥質(zhì)粘土(d50=0.015 3 mm)，由于表層土較薄，計算局部沖刷時中值粒徑選取0.015 3 mm(見表6)。

由表6和圖3可以看出，F(xiàn)30基礎(chǔ)樁徑比F47增大了0.2 m，使得泥面轉(zhuǎn)角減小，但由于淺層土壤較差，整機頻率仍然難以滿足規(guī)定要求，且樁徑的增大也加大了波浪力的作用，使得樁身位移曲線不收斂。解決這一系列問題，需增加樁徑和樁長。重新建立直徑5.5～6.1 m的單樁模型，樁長增加4 m，考慮到海流為旋轉(zhuǎn)流，我們?nèi)≌蹨p系數(shù)0.8的沖刷深度，得到?jīng)_刷深度為4.42 m，具體計算結(jié)果如表7，樁身位移曲線收斂如圖4。

表6 F30結(jié)構(gòu)(D=5.5～5.9 m)計算結(jié)果表

注：承載力考慮安全系數(shù)1.5；結(jié)構(gòu)壓力乘以1.1倍放大系數(shù)。

圖3 F30(D=5.5～5.9 m，沖刷4.37 m)樁身位移曲線圖

表7 F30結(jié)構(gòu)(D=5.5～6.1 m)計算結(jié)果表

注：承載力考慮安全系數(shù)1.5；結(jié)構(gòu)壓力乘以1.1倍放大系數(shù)。

綜上可得，F(xiàn)47機位若要滿足折減系數(shù)0.8的局部沖刷深度要求，結(jié)構(gòu)最大樁徑要在5.5 m基礎(chǔ)上增加0.2 m，鋼管樁重量增加將近17 t；F30機位若要滿足折減系數(shù)0.8的局部沖刷深度要求，結(jié)構(gòu)最大樁徑要在5.9 m基礎(chǔ)上增加0.2 m，且樁長增加4 m，鋼管樁重量增加將近53 t。沖刷主要影響的是實際入泥深度，所以對整機頻率和樁身側(cè)向位移會有一定影響。單樁基礎(chǔ)的剛度較小，表層土的沖刷對基礎(chǔ)變位極其不利，所以通常會對海床表層土進行防沖刷處理，例如投放沙袋，砂被，連鎖排和固化土等措施。如何既經(jīng)濟又安全的設(shè)計出最理想的基礎(chǔ)方案，需要不斷嘗試并結(jié)合實際工程的觀測結(jié)果進行更準確的預(yù)測。

圖4 F30(D=5.5～6.1 m)樁身位移曲線圖

3.3 疲勞分析

選取F47機位進行疲勞分析，由于缺乏一體化的載荷輸入，本文將保守地采用風(fēng)載荷損傷與波浪譜疲勞損傷直接相加的方式得到最終損傷值。設(shè)計疲勞安全系數(shù)為2，壽命25年。對比不同樁徑，不同沖刷深度對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響，原泥面高程-5.49 m，鋼管樁3 m一段，具體計算結(jié)果見表8。

從表8可以看出，F(xiàn)47基礎(chǔ)D=5.5 m時沖刷4.22 m最大疲勞損傷是不沖刷的1.7倍；D=5.5～5.7 m時沖刷4.27 m最大疲勞損傷是沖刷4.22 m的1.01倍。相同結(jié)構(gòu)在考慮沖刷時整機頻率相對降低，結(jié)構(gòu)更柔，所以疲勞損傷更大。D=5.5～5.7 m結(jié)構(gòu)變徑段高程2～-1 m，-1 m到樁尖位置樁徑5.7 m。風(fēng)機載荷和波浪載荷當結(jié)構(gòu)尺寸增大時，產(chǎn)生的疲勞損傷減小，但初始變徑位置波浪損傷稍稍增大。綜上，針對F47機位選取D=5.5～5.7 m結(jié)構(gòu)尺寸，滿足疲勞計算要求。

表8 F47基礎(chǔ)疲勞損傷計算結(jié)果表

4 結(jié) 語

1)通過和現(xiàn)有工程實測沖刷深度進行對照，波、流聯(lián)合作用下的韓海騫經(jīng)驗公式計算結(jié)果比王汝凱、J&S公式更接近實際，且數(shù)值略大偏安全。

2)局部沖刷主要影響的是實際入泥深度，所以對整機頻率和樁身側(cè)向位移會有一定影響，一般通過增加樁徑和樁長來解決。如何既經(jīng)濟又安全的設(shè)計出最理想的基礎(chǔ)方案，需要不斷嘗試并結(jié)合實際工程的觀測結(jié)果進行更準確的預(yù)測。

3)針對本風(fēng)場的F47機位基礎(chǔ)，相同結(jié)構(gòu)在沖刷深度大時整機頻率相對降低，結(jié)構(gòu)更柔，所以疲勞損傷更大；相同沖刷深度條件下，大尺寸樁徑部位的疲勞損傷較小，但變徑段的小直徑部位的損傷值稍稍增大。