盧欽先，王洪慶，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）

海上風電是新型可再生能源開發(fā)的前沿領域，最具有規(guī)模化發(fā)展?jié)摿?，受到沿海國家和區(qū)域的廣泛關注。海上風電樁基礎長期處于波浪、水流往復作用的海洋環(huán)境下，常伴有高速繞柱渦動，巨大水流挾沙力，形成局部沖刷坑。海上風電樁基礎外形呈細長體，隨著沖刷深度增加，強風強流作用下樁柱細長體的柔性自振頻率會接近周邊海洋動力的運動頻率，極有可能形成共振，影響結構安全性。

許多學者對樁基沖刷進行了研究，主要集中在單純水流和單純波浪的情況[1-4]。波流作用下的樁基沖刷涉及到波浪、水流、樁柱與鄰近底質之間復雜的相互作用，研究成果較少[5-6]。實驗表明：波流聯(lián)合動力并不是簡單的疊加，不同動力組合情況下結構物周圍渦流系存在較大的差異[7]。對于樁周最大沖深，部分學者們給出了相反觀點。Qi等人[8]指出水流或波浪單獨作用下的樁基周圍沖刷坑深度明顯小于波流共同作用下的。Sumer 等人[9]指出聯(lián)合的沖刷深度小于純水流的，但在大于純波浪的情況下，該過程受KC 數(shù)（KC=UwmT/D，其中，Uwm是波浪最大水質點速度，T是波周期，D是樁直徑）和速度比[Ucw(=Uc/(Uc+Uwm)，其中，Uc是波流聯(lián)合動力中的水流流速]的影響，并指出當Ucw＞0.7 時，聯(lián)合的沖刷深度接近單一水流的，因此，波流共同作用下單樁基礎局部沖刷機理有待進一步研究。作者擬以珠海金灣風電基礎受波流共同作用為例，通過物理模型實驗，研究波浪、海流和波流共同作用下樁基周圍的局部沖刷特征，以期為海上風電樁基設計相關沖刷參數(shù)的設定提供借鑒。

1 海域狀況

金灣風電場位于珠江口萬山島和高欄島之間，海洋環(huán)境十分復雜，受波浪、海流、風暴潮等多種動力因素影響，其局部沖刷特性難以用現(xiàn)有的經(jīng)驗公式進行預測，潮汐屬于不正規(guī)半日混合潮型。金灣風電場處潮汐特征選取三灶潮位站作為參證站，據(jù)自1965 年至今的驗潮資料，歷史最高潮位3.23 m，平均高潮位0.39 m，最低潮位－1.97 m，平均低潮位－0.70 m。在100 a 一遇高潮位和SE 向強浪作用下，有效波高在7.11～9.44 m 之間達到最大波高，W 向浪相對較弱。由于風電場范圍水深差異較大，各點波況也明顯不同?？紤]工程區(qū)域波浪特征，5 a 和50 a 一遇海流設計流速分別為1.08、1.19 m/s，典型波浪要素見表1。

表1 試驗原型波浪要素Table 1 Wave parameters of test prototype

2 物理模型試驗

根據(jù)工程結構和動力條件，采用大比尺物理模型試驗，同時滿足水流運動相似、波浪運動相似和泥沙運動相似。比尺相似要求為：重力相似（流速比尺），阻力相似（糙率比尺）λn=時間比尺流量比尺其中，λl為水平比尺，λh為垂直比尺。

模型中的波浪采用正態(tài)，根據(jù)模型和水槽造波能力，幾何比尺確定為1:50，水流動力比尺（流速比尺λv、時間比尺λt）采用1:7.07，波要素比尺（波長比尺λL、波高比尺λH）采用1:50，（波速比尺λC、波周期比尺λT）采用1:7.07。

模型沙的選擇以水流泥沙起動相似為主，根據(jù)風電場所處海域土層采樣資料分析，區(qū)域主要以淤泥質土等軟土層為主，中值粒徑介于0.01～0.03 mm，淤泥層塑性指數(shù)(Ip)為18.9。通過泥沙起動流速計算公式為式（1）或式（2），求得底質起動流速情況。

式中：h為水深，m；d為泥沙中值粒徑，取d=0.01～0.02 mm；Δ為糙率，d＜0.5 mm 時，取Δ=0.5 mm；εk為泥沙黏結力參數(shù)，原型沙取εk=2.56 cm3/s2；δ為薄膜水厚度，取0.21×10-4cm；γ為泥沙，約2.65 t/m3；γs為水容重，約1 t/m3。

對于黏性土，臨界起動切應力與土的塑性指數(shù)有關，可采用Smerdon公式計算：

式中：Ip為土的塑性指數(shù)；τc為臨界起動切應力，N/m2。

起動摩阻流速可由式（4）進行計算：

式中：ρ為水的密度。

原型表層底質起動摩阻流速計算結果（u*c=0.043 8 m/s）可換算到平均流速為：

式中：u為垂線平均流速；u*c為摩阻流速；C為謝才系數(shù)，其中，R≈h（水深），n為糙率，g為重力加速度。

學者們將波浪條件和純流Shields 泥沙起動標準曲線相結合，指出振蕩流作用下床面切應力可利用波浪摩擦系數(shù)計算[10-11]，床面剪應力τcm的最大瞬時值，定義為：

式中：umc為近底波浪水質點最大水平速度；fw為波浪摩擦系數(shù)，由Jonsson圖表確定。

對于本研究選定的淤泥土層，由于粒徑較細（d50=0.01～0.03 mm），而起動切應力又較大（u*c=0.043 8 m/s），處于光滑紊流區(qū)，fw可由式（7）計算。

fw= 0.09RE-0.2。 （7）

由式（1）～（7）計算，底質的起動流速介于1.03 ～1.81 m/s 之間，其中，最小為1.03 m/s（換算到模型中約為14.5 cm/s）。經(jīng)過多次測試，本研究模型沙采用處理過的精煤屑，容重γs=1.35 t/m3，d50為0.4 mm，模型沙鋪設簡便，長期浸水不會板結，水下擾動不會密實，能夠達到泥沙重復性試驗的要求。該模型沙在試驗水深時，起動流速為12～16 cm/s，滿足原型沙起動準則，可用于后續(xù)沖刷試驗研究。

本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咸潮風浪流水槽中進行，水槽的長76 m×寬1.2 m×高1.5 m，實驗布置如圖1 所示。造波機位于水槽右端，水槽左端設有1:8 的消浪斜坡，斜坡上覆蓋多孔材料減少波浪反射。同時，為了盡量避免反射波對試驗區(qū)波浪的影響，試驗中每造100個波后，造波機停止運行，待水面穩(wěn)定后再重新造波，如此循環(huán)往復。水槽底的內部裝有潛水泵，實驗中通過控制潛水泵轉機頻率控制流量，水流穩(wěn)定后使用流速儀測量水槽底部流速，不斷調整轉機頻率，直到達到目標流速。

圖1 物理模型試驗布置（單位：m）Fig.1 Layout of physical model test(unit:m)

3 樁基局部沖刷試驗結果

3.1 沖刷穩(wěn)定分析

金灣風電場工程單樁基礎柱徑擬為7.5、8.0、8.5 m，因海洋環(huán)境中結構物的存在，改變了其周圍的波浪和水流條件，樁基周圍的海床常常出現(xiàn)淘刷現(xiàn)象。為了確定波流作用下樁周局部沖刷過程，首先針對原型7.5 m 樁基，在50 a 一遇波流條件下開展實驗研究。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，1 次臺風過程約為3 h，則根據(jù)比尺縮放關系換算到試驗中約為25 min，以此作為1 次沖刷過程標準。此后，每隔一段時間對樁前、后、兩側等4個測點高程進行量測，原型1～15 h 后，樁周測點和樁基前后沖刷深度測量結果如圖2～3 所示，圖中x為沿水槽方向，z為沿水深方向，θ為沿樁表面角度，其中，θ=0為迎水側點。從圖2～3 中可以看出，波流作用原型6 h后，沖刷深度基本達到穩(wěn)定，原型第12 h和15 h各點沖刷深度僅有少量變化。因此，后續(xù)試驗認為波流作用原型15 h 后沖刷坑達到穩(wěn)定狀態(tài)，其中，原型15 h 換到算模型試驗約為2 h，以此作為海床穩(wěn)定沖刷標準。

圖2 樁周測點不同時刻沖刷深度Fig.2 Scour depth of measuring points around piles at different times

圖3 樁基前后不同時刻剖面沖刷深度Fig.3 Scour depth of profile at different time before and after pile foundation

3.2 樁基沖刷過程

波浪、水流和波流耦合等多種動力下，樁基沖刷過程明顯不同，為了掌握不同動力下水沙運動差異，首先采用高速相機對其進行捕捉（以7.5 m樁徑為例）。

3.2.1 純水流作用

在恒定流作用下，水流對樁基周圍沙床的切應力受馬蹄渦和兩側束水的影響顯著增大。切應力大于泥沙的臨界起動切應力時，發(fā)生沖刷，隨著沖坑深度的增大，沖刷坑的深度不再變化，達到?jīng)_刷平衡，此時形成的樁基沖刷為清水沖刷，沖刷過程如圖4所示。

從圖4中可以看出，樁基的上游迎水面和兩側先發(fā)生沖刷，在純流作用下，沖刷逐漸向下游發(fā)展，直至沖刷深度不再發(fā)生變化，沖刷坑的上游沙坑坡面較陡，下游沙坑坡面較緩，呈現(xiàn)不對稱的“勺型”。樁周沖刷達到平衡后，測得柱前最大沖刷深度達到11 cm（即現(xiàn)場為5.5 m），約為0.73D；樁側最大沖刷深度為10.5 cm（即現(xiàn)場為5.25 m），約為0.7D。

3.2.2 純波浪作用

波浪作用下樁基周圍的泥沙起懸過程如圖5所示。波浪作用時，樁柱前產(chǎn)生反射，同時，在柱后掩護區(qū)形成衍射。從圖5中可以看出，漩渦運動對大直徑樁的沖刷過程影響較小，當波浪反射后，近底層流速增加，泥沙逐漸起動，反射和繞射導致水質點運動不對稱性，引起泥沙的凈輸移，沖刷坑并沒有發(fā)展至環(huán)繞全部基礎，樁基周圍形成明顯沙紋，整個過程中沖刷坑并不顯著。

圖4 流作用下樁周泥沙起懸過程Fig.4 Sediment suspension process around pile under current

圖5 波作用下樁周泥沙起懸過程Fig.5 Sediment suspension process around pile under wave

3.2.3 波浪水流共同作用

風機基礎結構在波浪、水流共同影響下，樁周海床瞬時沖刷過程如圖6所示。由于樁基的阻水作用，流體的行進速度變?yōu)榱?，轉化為駐點壓力。駐點壓力導致水流向下流動，并且還導致樁兩側繞流的側向流速明顯增大，引起泥沙起懸。

圖6 波流作用下樁周泥沙起懸過程Fig.6 Sediment suspension process around pile under wave and current

長時間的波流聯(lián)合動力作用后，樁基根部出現(xiàn)明顯的沖刷坑，如圖7所示。樁前及兩側的沖刷程度大于背流/浪面的，沖刷形狀呈現(xiàn)“勺”狀，并伴有廣泛分布寬度較窄的沙紋，樁背水面的中軸線附近為淤積區(qū)。樁基局部沖刷特征和水流、波浪動力特征相對應，兼具單一波/流兩者引起的沖刷特性。樁周沖刷達到平衡后，測得柱前最大沖刷深度為9.50 cm（即現(xiàn)場為4.75 m），約為0.63D；樁測最大沖刷深度為9.20 cm（即現(xiàn)場為4.60 m），約為0.61D。從圖7 中可以看出，波流作用下的沖刷值小于純流作用下的，表明：波浪起到了一定回填作用。實際情況中，樁基所處的海洋環(huán)境波流一般共存，因此，后續(xù)研究中以波流動力為基礎開展相關研究工作。

圖7 波流作用下樁基近區(qū)沖刷形態(tài)Fig.7 Scour pattern around pile foundation under wave and current

3.3 近區(qū)沖刷形態(tài)

基于超聲波地形測量儀，對樁周海床沖淤形態(tài)進行測量，部分結果如圖8 所示（已換算成原型，D=7.5m，h=14.0 m）。從圖8 中可以看出，5 a一遇波流情況下的沖刷深度和沖刷范圍均小于50 a一遇波流情況下的。其中，一次沖刷，僅樁周出現(xiàn)了較大沖刷，經(jīng)過多次沖刷海床穩(wěn)定后，樁周沖刷深度進一步增加，同時樁后兩側沖刷深度也明顯增大。沖刷坑主要圍繞在樁基周圍，沖刷最深處在單樁迎水面和單樁結構后兩側，單樁背流側沖坑略淺，尾流區(qū)有淤積。其他實驗工況下波流引起的沖刷地形形態(tài)變化與該情況沒有本質差異，僅沖刷幅度略有不同。表明：波浪在樁基局部沖刷過程中主要起掀沙作用，當沖刷深度較大時，波浪對沖刷坑的下切作用明顯減弱。結合水體產(chǎn)生的周期性波動力，底部速度增大，迫使泥沙起動。引起局部沖刷的主要原因為：①樁柱阻水在柱前形成局部壅水，產(chǎn)生垂向水流下切床面；②波動力掀起泥沙輸移；③樁柱兩側和后部地形的沖刷主要受馬蹄形漩渦和尾流漩渦的影響。

圖8 樁基近區(qū)沖刷形態(tài)Fig.8 Scour pattern around pile foundation

3.4 樁周最大沖刷深度

本試驗結果表明：波流共同作用下樁基近區(qū)沖刷范圍主要位于單樁迎水面和單樁結構后兩側，其中，迎水面沖刷最為顯著。柱徑為7.5 m、水深為13 m 的樁前、樁后床面地形剖面特征如圖9 所示?；诒瘸呖s放模型試驗成果，已換算到原型。從圖9中可以看出，隨著波流過程樁基沖深逐漸增大，而沖坑坡度未明顯改變，柱基前后沖刷坡度約1:10～1:1，且樁前的沖刷坡度遠大于樁后的。

圖9 樁周沖刷剖面Fig.9 Scour profile around pile

對試驗工況進行統(tǒng)計，可得不同工況下的樁周海床最大沖刷深度，見表2。

表2 50a一遇波況各工況最大沖刷深度Table 2 Maximum scour depth under each case in a once-in-50-year wave

由表2 可知，在現(xiàn)場柱徑8.5 m 和水深25.0 m組合時，50 a一遇波流情況下樁基近區(qū)海床沖刷最為嚴重，在柱徑8.5 m、水深25.0 m 組合的50 a 一遇波流情況下平面和三維沖刷形態(tài)如圖10～11 所示。從圖10～11 中可以看出，受尾渦脫落影響，樁基側后方海床沖刷較明顯，側后方?jīng)_刷顯著區(qū)與主流方向的夾角在30°～66°。沿波流方向上，沖刷深度達到－1.0 m 以上的范圍最遠距樁基中心約為35 m，沖刷深度達到－2.0 m 以上范圍的約15 m，沖刷深度達到－3.0 m 以上范圍的約9.0 m。垂直于波流方向上，沖刷深度達到－1.0 m 以上范圍最遠距樁基中心約為25 m，沖刷深度達到－2.0 m以上范圍的約22.5 m，沖刷深度達到－3.0 m 以上范圍的約7.5 m。

圖10 樁周平面沖刷形態(tài)Fig.10 Plane scour pattern around pile foundation

圖11 樁周三維沖刷形態(tài)Fig.11 Three-dimensional scour pattern around pile foundation

4 結論

根據(jù)工程地質和動力條件，通過物理模型試驗對珠海金灣風電場風機基礎建設后的局部沖刷進行研究，得到結論為：

1）純流作用下，受馬蹄渦和兩側束水的影響，樁周出現(xiàn)明顯沖坑，形成不對稱的“勺型”。純波作用下，樁基周圍的沖刷坑不能發(fā)展至環(huán)繞全部基礎，樁基周圍出現(xiàn)明顯沙紋，沖刷坑較為不明顯。波流共同作用下，沖刷形態(tài)兼具這2種特征，沖刷坑形狀似“勺”，并伴有廣泛分布寬度較窄的沙紋，但本海域波流作用下的沖刷深度小于純流的，表明波浪起到了回填作用。

2）沖刷坑主要圍繞在樁基周圍，沖刷最深處在單樁迎水面和結構后兩側，單樁背流側沖坑略淺，尾流區(qū)有淤積，柱基前后沖刷坡度約為1:10～1:1，且樁前的沖刷坡度遠大于樁后的。受尾渦脫落的影響，樁基側后方海床沖刷較明顯，側后方?jīng)_刷顯著區(qū)與主流方向的夾角在30°～66°。

3）考慮最不利情況，在沿波流方向上，沖刷深度－1.0、－2.0、－3.0 m以上范圍最遠距單樁樁基中心約為35、15、9.0 m，即4.12D、1.76D、1.06D。在垂直于波流方向上，沖刷深度－1.0、－2.0、－3.0 m 以上范圍最遠距單樁樁基中心約為25、22.5、7.5m，即2.94D、2.65D、0.88D。