海上風電斜樁基礎局部沖刷數值模擬研究

周茂強，陳大江，葛 暢，周國興，李超杰

(1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；3.浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

隨著石油等不可再生資源的日益枯竭，清潔能源逐漸走入人們的視野，風能因其具有綠色環保、清潔高效的特點逐漸被利用起來。海上風電事業隨之大力發展，中國風電累計裝機容量2030年將達8.24億kW左右[1]。導管架基礎因其強度高，結構剛度大等特點，被廣泛應用于海上風電領域中。海洋環境較為復雜，會導致海洋結構基礎周圍土體發生局部沖刷現象，從而使結構穩定性受到影響，因此研究導管架基礎的局部沖刷具有一定工程意義。

導管架斜樁基礎的局部沖刷在樁間距較大時可視為單斜樁的局部沖刷。目前已經有學者對海上風電基礎的局部沖刷進行研究[2- 8]。駱光杰等采用Flow3D數值模擬方法，建立了單樁基礎局部沖刷數值模擬，分析不同尺寸圓形防護板對單樁基礎局部沖刷保護效果的影響規律[2]；魏凱等針對圓柱型的單樁基礎，通過試驗研究了單向流和潮汐流的局部沖刷效應以及防沖刷護圈的防護效果[3]；喻鵬等采用物理模型試驗和CFD數值模擬的方法，研究了墩心距對串聯雙圓柱橋墩局部沖刷情況的影響[4]；陳兵等通過圓柱基礎的沖刷模型試驗，研究了不同擾流環的高度以及不同流速對減小局部沖刷的效果[5]；王兆耀等通過Flow3D軟件進行數值模擬以及物理模型試驗，研究了大直徑單樁的局部沖刷特性，發現大直徑單樁的最大沖刷深度約為直徑的0.9[6]。

但是，目前對導管架斜樁基礎的研究較少，因此研究導管架斜樁基礎局部沖刷效應具有重要的研究價值。本文以江蘇某海上升壓站項目地質水文條件為研究背景，基于Flow3D軟件對不同傾斜角及樁徑情況下單斜樁基礎局部沖刷進行數值模擬研究，得到不同條件下斜樁基礎樁周土體沖刷深度的變化情況，為類似的采用導管架斜樁基礎的工程施工以及沖刷防護提供參考。

1 工程背景

1.1 水文地質資料

某海上風電場工程位于江蘇某近海海域，該場區潮流主要沿著東南向和西北向往復流動。冬季潮流可能最大流速在0.67～1.09 m/s之間；夏季潮流可能最大流速在0.91～1.33 m/s之間。該工程海底地形變化較為平緩，屬南黃海濱海相沉積地貌單元。水深為6～13 m。場區內地基土表層以粉砂、粉砂夾粉土為主。考慮到實際工程中導管架斜樁基礎場地及沖刷坑深度，本文選取表層粉砂作為數值模擬中的沖刷土層，該土層的顆粒組成為：2～0.5、0.5～0.25(砂粒層)、0.25～0.075、0.075～0.005(粉粒層)、<0.005 mm顆粒占比分別為0.1%、28.6%、41.4%、26.9%、3.0%。

1.2 導管架基礎

本工程海上升壓站結構共由上部導管架結構和4根角樁基礎兩部分組成。4根角樁為斜鋼管樁，傾斜角約為5°，直徑2.3 m，樁長75 m，壁厚36 mm，埋深約為51.4 m。導管架基礎結構示意如圖1所示。

圖1 導管架基礎結構示意

2 數值模型及模型驗證

2.1 三維數值模型

以江蘇某海域海上升壓站導管架斜樁基礎為背景，采用Flow3D軟件建立單斜樁基礎模型，若斜樁基礎樁徑為D，則下游區域為13D以及兩側為4.5D處可忽略邊界效應的影響[9-10]，為了確保樁前土層不被完全沖走以及樁前水流充分發展，模型計算域設為96 m×55 m×18 m。由工程水文地質資料可知，該工程區域最大流速為1.33 m/s，水深取9 m。土層參數選各顆粒組成的平均粒徑，取中間3組，采用Flow3D沉積物沖刷模塊進行土體建模，密度為2 650 kg/m3，休止角取32°，沿豎直方向設重力加速度及靜水壓強。模型采用結構化網格，對樁附近進行網格加密，加密區網格大小設為0.5 m×0.5 m×0.5 m。外部網格取1.5 m×1.5 m×1.5 m。模型入口和采用壓力邊界，選取流體高度為9 m，流速設為1.33 m/s，方向沿x軸方向，出口選取自由出流邊界，兩側選取對稱邊界，底部選為壁面邊界，頂部選為壓力邊界，流體體積分數設為0，如圖2所示。

圖2 導管架斜樁基礎數值模型示意

2.2 模型驗證

為驗證模型的準確性，將數值模型得出的流場與Melville[11]經典試驗進行對比。試驗距離床面0.4H(H為初始水深)處平面的流場見圖3a，數值模型得到的相同位置處的平面流速矢量見圖3b。從圖3可以看出，數值模擬結果和試驗的樁前擾流及樁后尾渦基本吻合。

圖3 單樁基礎局部沖刷數值模型示意

3 數值模擬結果與分析

3.1 樁徑對斜樁局部沖刷深度的影響

為研究樁徑大小對沖刷深度的影響，設定樁徑分別為2.3 m和3 m的兩組斜樁基礎，得到斜樁基礎樁周土體附近最大沖刷深度隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 不同樁徑下最大沖刷深度隨時間變化情況

從圖4可以看出，沖刷是一個動態變化的過程，樁徑對沖刷深度隨時間的變化趨勢沒有影響，斜樁樁周土體局部最大沖刷深度均隨時間先迅速增大再緩慢增加，流態穩定后，沖刷深度也趨于穩定。考慮到數值模擬結果的精確性和穩定性，選取5 000 s之后穩定的沖刷深度為最大沖刷深度。此外，還可以看出，1 000 s為土體沖刷效應最大時間段，直徑為2.3 m和3 m的斜樁在1 000 s時最大沖刷深度分別為0.679 m和0.888 1 m，分別達到各自最終穩定沖刷深度1.098、1.198 m的61.8%、74.1%，斜樁基礎樁周土體最大沖刷深度會隨著樁徑增大而增大。

橫斷面沖刷結果見圖5。從圖5可以看出，沖刷坑左右兩側呈對稱分布，沖刷深度按階梯狀由遠及近依次增加，空間上為馬蹄形。沖刷深度隨樁徑增加而增大是因為流場受到樁徑影響，樁側繞流和樁前下潛水流強度隨樁徑增大而增大，沖刷程度也隨之增加。同時，樁徑增大導致水流的路程的增加，水流和泥沙運動需要更多的能量，因此沖刷深度的增大受到了一定的限制。在工程設計中，需要注意樁徑對局部沖刷的影響以及考慮沖刷達到穩定時的沖刷深度對承載力的影響。

圖5 橫斷面沖刷結果

3.2 傾斜角度對局部沖刷深度的影響

為研究不同傾斜角度對沖刷深度的影響，設定傾斜角度分別為0、5°、10°的3組斜樁基礎。床面沖刷三維形態如圖6所示。從圖6可以看出，傾角為0、5°、10°時沖刷坑最遠端距樁基10、11、16 m，說明傾斜角度對沖刷坑形態有一定影響，在工程設計時需考慮到傾斜角度對樁周土體的沖刷范圍的影響。傾角為0、5°、10°時對應的沖刷深度分別為1.083、1.098、1.134 m，沖刷深度隨傾角增大而增大但最終差別不大。最大沖刷深度主要在樁的兩側，樁后出現土體淤積現象，形成較長的拖尾，這是因為回流導致泥沙顆粒在樁后發生堆積。樁前也出現小范圍堆積現象，這是因為上游來流速度較小，樁前下潛水流較弱，導致樁前沖刷現象不明顯。在設計導管架樁基礎時，角樁傾斜角度對沖刷深度的影響不大。

圖6 床面沖刷三維形態

4 結 論

以江蘇某海上升壓站項目為研究背景，采用Flow3D軟件對不同傾斜角度和樁徑下的導管架斜樁基礎局部沖刷進行了數值模擬研究，得到了以下主要結論：

(1)斜樁樁周土體局部最大沖刷深度均隨時間先迅速增大再緩慢增加，流態穩定后，沖刷深度也趨于穩定，直徑為2.3 m和3 m的最大沖刷深度分別為1.098 m和1.198 m。流場受到樁徑影響，樁側繞流和樁前下潛水流強度隨樁徑增大而增大，導致沖刷程度也隨之增加。

(2)傾角為0、5°、10°時沖刷坑最遠端距樁基10、11、16 m，說明傾斜角度對沖刷坑形態有一定影響，在工程設計時需考慮到傾斜角度對樁周土體的沖刷范圍的影響。

(3)傾角為0、5°、10°時對應的沖刷深度分別為1.083、1.098、1.134 m。最大沖刷深度主要在樁的兩側，樁后出現土體淤積現象，形成較長的拖尾。