潮間帶風電機組基礎樁基局部沖刷深度計算研究

文 | 尚進，趙玉宇

潮間帶風電機組基礎樁基局部沖刷深度計算研究

文 | 尚進，趙玉宇

近年來，隨著全球能源和環境問題的日益突出，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、永續的特點，在各國能源戰略中的地位不斷提高。風能作為可再生能源中成本較低、技術較成熟、可靠性較高的新能源，近年來發展很快并開始在能源供應中發揮重要作用。海上風電是風電發展的重要方向，我國海上風能資源非常豐富，2015年，中國海上風電新增裝機容量達到360500kW，總裝機容量達到1014680kW。

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

目前，對于樁基局部沖刷問題的研究主要通過現場觀測和模型試驗來進行。相關單位曾對江蘇如東潮間帶風電場的兩個風電機組基礎進行現場局部沖刷觀測，實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海岸，與江蘇沿海其他的潮間帶海洋動力、地質等條件相似，江蘇如東潮間帶風電機組基礎實測的局部沖刷深度對于江蘇沿海潮間帶淤泥質海岸具有重要的參考價值。

在進行波浪、水流作用下，局部沖刷深度的試驗研究時，一般根據圓柱直徑D與波長L比值的大小來分別加以討論。當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，目前風電機組基礎樁徑大多在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、樁徑等多種因素，問題較為復雜，對于潮間帶海域，潮流特征更為多變，現有的研究成果多為根據試驗數據整理的經驗公式，使用條件受到一定的限制，主要表現為：（1）目前河流動力（單項水流）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）大多數的模型研究只考慮粗砂的情況，對淤泥質海岸樁柱局部沖刷研究較少。

本文根據已建江蘇如東潮間帶風電場基礎局部沖刷現場資料，利用國內外公認較好的樁基局部沖刷計算公式及規范的經驗公式進行計算,并與實測資料進行比較，改進并完善適用于潮間帶淤泥質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證

一、經驗公式簡介

目前國內外用于計算波浪、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認為較好的公式，而國外DNV與GL海上機組基礎設計規范中對于機組基礎局部沖刷深度也有所規定，而國內尚無針對于海上機組基礎的規范，所以以下將重點介紹韓海騫、王汝凱及DNV與GL的局部沖刷深度公式，并利用現場實測資料進行檢驗。

（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、沽渚大橋的實測沖刷數據，結合水槽試驗（60多組試驗數據），采用因次分析法，得出了潮流作用下的局部沖刷公式，通過與實測及試驗結果的對比，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，，u為全潮最大流速（m/s），g為重力加速度（m/s2）；k1為基礎樁平面布置系數，條帶型k1＝1.0，梅花型k1＝0.862；k2為基礎樁垂直布置系數，直樁k2＝1.0，斜樁 k2＝1.176。根據設計情況， k1、 k2都取1.0。

（二）王汝凱公式

1982年，我國學者王汝凱在美國德克薩斯農工大學海洋工程實驗室做了在波、流共同作用下樁基周圍海底沖刷實驗研究。通過多組實驗，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，Ur＝HL2/hh2； Ns為顆粒sediment數，，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， Nrp＝VD/v， D為樁的直徑，v為水的運動粘滯系數。

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

DNV-OS-J101規范引用Sumer、Petersen的一些研究成果，他們通過實驗發現，樁基在穩定潮流作用下，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為風電機組基礎在波流聯合作用下局部沖刷深度（m）；Sc為風電機組基礎在穩定流作用下局部沖刷深度（m）；D為風電機組基礎樁徑（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規范公式GL公式）

GL風電機組基礎設計規范是在趨于保守的理念，認為風電機組基礎的局部沖刷深度與樁徑有線性關系。

其中，h為風電機組基礎的局部沖刷深度；D為風電機組基礎樁徑。

二、經驗公式驗證

我國已建的海上風電場較少，江蘇如東潮間帶海域的波浪、潮流、海床質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電機組基礎局部沖刷的實測數據，對上述四個公式在潮間帶的適用性進行驗證。其水文及泥沙數據見表1。

分別應用了韓海騫公式、王汝凱公式、DNV公式和GL公式，對風電機組基礎的局部沖刷深度進行計算，計算結果列于表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，與實測值相差較多；GL公式的計算結果最大，其是基于保守原則進行的估算；韓海騫公式和王汝凱公式的結果雖然與實測值較為接近，但都偏大。通過分析認為主要有以下四點原因：

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

表1 如東潮間帶海洋動力參數及海床中值粒徑

2.雖然韓海騫公式適用于淤泥質海岸，基本是在持續潮流作用下，但是本工程處于潮間帶區域，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，穩定潮流作用下，將樁基一定深度范圍內的泥沙輸移，并且沖刷深度可以達到最大值，若考慮波浪與潮流聯合作用，波浪反而對沖刷坑存在回淤效應，這可能是北海的海岸地質條件與我國淤泥質海岸相差較大的原因。

4.GL公式是根據與樁徑之間的關系得出沖刷深度，此公式是在沒有海洋水文、地質資料的情況下對基礎設計局部沖刷深度進行的估算。

潮間帶海域公式折減系數

驗證結果表明，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，否則結果偏大。一般情況下，公式的計算結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，潮流為往復流，波浪要素也不會長時間不變，并且風電機組基礎有一定的時間處于露灘狀態。因此，實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然的。根據以往的經驗，應將單向流的局部沖刷計算結果進行適當折減，由表3可見，韓海騫公式折減系數為0.6時和王汝凱公式折減系數為0.5－0.6時計算結果與實測值最為接近。

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

結語

根據江蘇如東潮間帶風電場風電機組基礎局部沖刷深度的現場觀測資料，據此對比四種計算公式進行了驗證，提出了考慮潮間帶海域應用折減系數的方法，取得了較為滿意的結果，研究表明：

（一）經與如東潮間帶風電場風電機組基礎局部沖刷實測結果比較，認為采用韓海騫公式和王汝凱公式并進行相應折減較為適宜用來計算潮間帶淤泥質海岸的樁徑局部沖刷深度，推薦采用上述兩種公式進行計算。

（二）通常，局部沖刷深度公式主要來源于單項長流長期作用下的試驗結果，而在海岸工程中，潮流多為往復流或者旋轉流，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，利用現用的經驗公式計算的樁基局部沖刷深度較大，必須進行適當的修正，根據如東潮間帶風電機組基礎的現場實測資料，需要對結果進行0.5－0.6的折減。

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