陽江沙扒海上風電三桶吸力樁防沖刷試驗研究

劉 博,馬兆榮,劉曉建,郭輝群

(1.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司,廣東 廣州 510663;2.珠江水利委員會珠江水利科學研究院,廣東 廣州 510610)

風能是目前發展最快,最具有發展前景的可再生能源之一。由于海上風速大、風能大、風力持續時間長且穩定,風電機組大規模化逐漸從陸地走向海上。吸力桶形基礎是近幾年發展起來適用于淺覆蓋層海床地質的一種基礎形式,具有環境友好、安裝施工快速、可重復利用等優點,可同時適用于砂性土和軟粘土等地質條件。然而,海上風電場所處海洋環境較為復雜,在波浪和洋流綜合作用下樁周會形成沖刷坑,降低基礎承載能力,對風電樁基的穩定性產生了很大影響。

因此,風電樁基礎局部沖刷問題一直是學者們研究的熱點,以往研究多集中在單向流[1-4]、純波浪[5-8]、波流聯合[9-10]情況下的單樁或群樁結構沖刷問題,而三桶吸力樁結構形式更加復雜,上部桁架相互交錯,桶頂布有多段肋板,導致基礎周圍水體的紊動加劇,床面泥沙運動多變,由于三桶吸力樁結構較新穎、相關研究成果較少[11]。此外,為了應對構筑物在海洋環境下的局部沖刷問題,國內外學者對不同防護措施進行了探討,分為主動防護和被動防護[12],主動防護措施如護圈防護措施[13]、犧牲樁防護措施等[14],被動防護如拋石防護措施[15-16]、防護沙袋防護措施等[17],然而上述成果鮮有研究三桶吸力樁結構的防沖刷措施。

海上風電場海床沖刷與構筑物形態、樁周流場、海床底質特征等因素有關。本研究針對陽江沙扒海域典型水文泥沙情勢和三桶吸力樁結構特點,通過大比尺物理模型試驗對三桶吸力樁結構基礎的防沖刷問題進行探討,著重分析不同防護方案的防沖刷能力,相關成果可為類似工程建設及運維提供參考。

1 基本情況

廣東省陽江市陽西縣沙扒鎮海域潮汐屬于不正規半日潮,根據周年潮位站和周年水文觀站(2016年6月1日至2017年5月31日)數據統計分析,本工程區海域的潮位和波浪要素,見表1。

表1 沙扒海域潮位、波浪要素

2 模型布置

采用大比尺模型試驗,嚴格按照水流運動相似、波浪運動相似,及泥沙運動相似要求。模型采用正態波浪,綜合實際海域波浪條件以及水槽造波能力,參考中國制定JTJ/T 234—2001《波浪模型試驗規程》中相關規范,確定幾何比尺為1∶50,水流動力比尺(流速比尺、時間比尺)采用1.00∶7.07,波要素比尺(波長比尺、波高比尺)采用1∶50,波速比尺、波周期比尺采用1.00∶7.07。

模型沙的選擇以泥沙起動相似為主,模型沙的選取已由任灝等[11]給出,在此不多介紹。本次物理模型試驗在珠江水利科學研究院里水科學試驗基地的大波流水槽中進行,水槽寬5 m,長50 m,高1.2 m。大波流水槽配備有推板式造波機,其位于水槽右端,水槽左端有覆蓋多孔材料的消浪斜坡,坡度為1∶8,水槽底內部裝有轉機頻率控制的潛水泵,可以通過調整轉機頻率調節水流,以達到試驗要求。總共布置4個浪高儀用于測量造波端(G1)、平臺前端(G2)、沙坑前端(G3)和后方平臺中部(G4)的波高時間序列,試驗布置和模型見圖1。三桶吸力樁模型,底部3個桶圓心成等邊三角形,圓心間距0.6 m,桶直徑0.246 m,上部桿件直徑0.032 m,交叉斜拉筋直徑0.016 m,見圖1。

圖1 物理模型試驗布置

3 無防護時局部沖刷試驗結果

3.1 床面形態分布

無防護時吸力桶近區海床沖淤情況見圖2,試驗發現,不同重現期波浪和海流組合動力下,沖淤變化形態變化沒有本質差異,僅是沖淤幅度略有調整。沖刷穩定后,海床表面沙紋分布明顯,吸力桶基礎結構外側周圍沙紋較寬,沙紋形態較為規則,海床沖淤明顯;相對而言,基礎結構中間區域在外側桁架的掩護和桁架的繞流作用的影響下,海床形態略顯紊亂、不規則。

圖2 吸力桶近區海床沖淤

3.2 斷面形態分布

為了反映淤泥質動床條件下,吸力桶基礎近區海床剖面形態,選取了3個橫向斷面和2個縱向斷面對其進行量化,具體布置見圖3。

圖3 橫向、縱向斷面選取示意

3.2.1不同動力條件

分別選取純波、純流及波流聯合動力,對海床剖面形態變化情況進行分析,選擇海床不清淤,設計低水位、50年一遇波浪、海流組合條件進行試驗,相應的橫向斷面和縱向斷面結果見圖4、5。

a)橫向斷面1

a)縱向斷面1

從結果可以看出,純流作用時床面沖淤變化較小。純波和波流作用時,床面均出現沙紋,且波流共同作用時沙紋的波長大于純波情況,沙紋的波峰和波谷表現出了類似的變化趨勢。此外,從橫向斷面結果可以看出,波流共同作用下沙紋的不對稱性顯著,迎浪側沙紋長度大于背浪側,表明海流的加入增強了床沙的凈輸移。從縱向斷面結果可以看出,波流共同作用下海床整體下切,部分區域的沖刷深度約為純波、純流兩者之和,再次表明波流共同作用時海床沖淤更加明顯,沖刷深度更大。

3.2.2不同波流組合

圖6、7給出了不同波流組合動力下,典型位置處的海床剖面變化。從圖6中可以看出,2年一遇波流組合時海床沖淤幅值較小,而50年一遇波流組合時海床沖淤幅值較大,并呈現不同的變化特征:靠近桶基礎的海床前側(約0.3 m范圍內)主要以沖刷為主,遠離桶基礎的海床前側(大于0.3 m)主要以沙紋形態為主;靠近桶基礎的海床后側(約0.3 m范圍內)主要以淤積為主,同樣遠離桶基礎的后方區域仍以沙紋形態為主。從圖7中可以看出,近樁基(約小于0.2 m)兩側海床以沖刷為主,其他位置海床形態則沖淤交替。50年一遇極端高水位、設計高水位、設計低水位、極端低水位情況下,最大沖刷深度約為1.69、2.03、2.27、2.34 m。

a)橫向斷面1

a)縱向斷面1

4 有防護時局部沖刷試驗結果

4.1 防沖刷試驗布置

樁基沖刷防護措施包括主要防護措施和被動防護措施,通過沖刷實驗結果進一步探討被動防護措施防護效果,被動防護措施主要為沙袋防護、拋石防護和仿生草防護措施。工程應用中,沙袋采用滲透系數不小于10-3cm/s的細沙或者中細沙,粒徑大約為0.075 mm的顆粒含量大于85%,黏粒(d<0.005)小于3%,采用400 g/m2的滌綸長絲機織土工模袋制作,規格約為800 mm×500 mm,物理模型根據幾何相似和重力相似,根據比尺縮放進行物理模型沙袋制作;拋石防護方案綜合考慮拋石的粒徑、級配,并通過相應比尺關系進行拋石篩選,本試驗對中值粒徑為150 mm,最大粒徑不超過250 mm,所拋碎石粒徑為60 mm的拋石方案;仿生海草技術是基于海洋仿生學開發研制的海底防沖刷技術,物理模型中選用人造塑料草皮;物理試驗防護模型材料見圖8。

a)沙袋

拋填法是目前采用最廣泛的方法,在復雜海洋環境下,在吸力桶周圍拋填沙袋具有一定的困難,本試驗沙袋防護考慮散落布置和疊層布置,具體布置效果見圖9。拋石防護范圍選擇與沙袋防護范圍一致,布置情況見圖10。

a)散落布置

圖10 拋石防護

仿生草防護技術主要利用仿生草的柔性黏滯阻尼作用來降低結構物的基礎附近的水流流速,防止附近泥沙沖刷,促進沉積物顆粒在結構物的基礎進行沉降淤,本試驗主要在吸力桶的周圍布置矩形區域的人工仿生草皮,使用細鐵絲和鐵塊將人工仿生草皮錨固在沙床上,布置方式見圖11。

圖11 仿生草防護

4.2 防沖刷試驗結果

4.2.1沙袋防護措施研究

沖刷穩定后吸力桶底床沖刷形態見圖12,散落布置情況下,吸力桶前大部分沙袋在強波流的作用下被攜帶到結構物后方,根據試驗現場觀測和測量,吸力桶后方的掩護區存在少數沙袋,其范圍為與波浪方向夾角約-140～140°,吸力桶四周發生明顯的沖刷現象,測點吸力桶基礎周圍最大沖刷深度為1.6 m,較防護前減小32%;疊放布置情況下,相同波流條件下,吸力桶前部分沙袋大多數被攜帶到掩護區,根據試驗現場觀測和測量,吸力桶后方的掩護區存在少數沙袋,其范圍為與波浪方向夾角約-90～90°,吸力桶周圍沖刷主要發生在迎浪面,測點吸力桶基礎周圍最大沖刷深度為1.3 m,較防護前減小44%,表明疊放布置防護效果相對散落布置較好。

a)隨機布置

4.2.2拋石防護措施

圖13為波流聯合作用下拋石周圍海床局部沖刷形態,從圖中可以看出碎石主要停留在吸力桶結構周圍,部分碎石散順著吸力桶周圍沙紋排布,測量吸力桶基礎周圍最大沖刷深度為0.6 m,較防護前減小74%。根據試驗結果可以發現,拋石方案對于吸力桶的周圍防沖刷具有一定的作用。

圖13 吸力桶底床沖刷形態

4.2.3仿生草防護措施

在波流共同作用下,人工仿生草皮四周環繞沙紋(圖14),除迎浪面的位置出現一定下切,其余位置并未有明顯沖刷,且草皮上淤積較多沙子,桶周沖刷深度較防護前減小90%以上。對比前后吸力桶的周圍沖刷現象,人工仿生草皮防護防沖刷效果良好。

4.3 對比分析

無防護桶周海床沖刷和不同防護方案防護效果對比見表2,從表中可知,多個防護措施方案都具有一定的保護效果,其中仿生草防護方案最佳,拋石方案其次。但需注意的是仿生草防護方案需注意吸力桶與仿生草皮交接處的貼合性、緊密性,而對于拋石方案,試驗發現如果石塊拋填不好,石塊周圍可能會出現嚴重的水流擾動,引發更嚴重的沖刷問題,相關問題也被Ettema[18]所證實。

表2 不同方案防護效果對比

5 結論

本研究基于陽江沙扒海域底質、動力和三桶吸力桶結構特點,建立了物理模型試驗,對陽江沙扒海上風電三桶吸力樁防沖刷能力進行分析。主要結論如下。

a)波流共同作用時,吸力桶近區海床沖淤程度大于純流或者純波條件作用,未實施防護方案情況下,50年一遇極端波流動力情況下三桶吸力樁基礎最大沖刷深度為2.34 m,桶基礎結構外側沙紋形態較為規則,而中間區域在外側桁架的掩護和桁架的繞流作用影響下,海床形態略顯紊亂、不規則。

b)50年一遇極端波流動力情況下,橫向斷面上,吸力桶前側(約0.3 m范圍內)海床主要以沖刷為主,后側(約0.3 m范圍內)海床主要以淤積為主,大于0.3 m其他區域主要以沙紋形態為主;縱向斷面上,桶基(約小于0.2 m)兩側海床以沖刷為主,其他位置海床形態則沖淤交替。

c)拋石、沙袋、仿生草等不同防護措施實施后,50年一遇極端波流動力下桶周海床沖刷深度顯著降低,其中沙袋規則布置時防沖刷效果達到44%,沙袋隨機布置時防沖刷效果為32%,拋石防護時防沖刷效果達74%,而仿生草措施不僅減少了樁周海床沖刷深度,也促進了附近懸沙落淤,桶周沖刷深度較防護前減小90%以上。