敖文龍，林沛元，楊雪怡

（1、深圳市地質(zhì)局 深圳 518023；2、中山大學土木工程學院 廣州 510275）

0 引言

近年來，傳統(tǒng)化石能源日漸衰竭，環(huán)境污染日益惡化，極端氣候頻發(fā)，人們轉(zhuǎn)而大力開發(fā)新型可再生綠色能源，以期減少碳排放。風能資源既可再生又綠色清潔，已成為了各個國家新型能源開發(fā)的前沿和熱點［1］。海上風電憑借其資源豐富、運行效率高、適合大規(guī)模開發(fā)等優(yōu)點，受到越來越多國家的重視，成為未來風能資源開發(fā)的新方向。

海上風電基礎類型包括單樁、重力式、導管架、吸力桶、漂浮式等。其中，單樁基礎因其結(jié)構(gòu)形式簡單、施工安裝技術(shù)成熟，已成為海上風電中最為廣泛應用的一種基礎形式［2］，目前在海上風電基礎中占比高達66%［3］。

海上風電基礎受到的環(huán)境荷載繁多，譬如海流、波浪、風荷載等，基礎所承受的水平力更為復雜、彎矩更大［4］?；A結(jié)構(gòu)還面臨著海水腐蝕、海床沖刷、海底滑坡等不利因素的影響，其中，基礎的沖刷問題尤為重要。樁基礎沖刷造成其承載性能弱化，基礎穩(wěn)定失效風險增大。因此，開展海上風電樁基礎沖刷研究十分必要和迫切。

目前，樁基礎局部沖刷現(xiàn)象已有大量相關(guān)研究，內(nèi)容集中于樁基礎周圍土體在整個沖刷過程的變化、沖刷坑深度和水平范圍的計算以及局部沖刷現(xiàn)象對樁基礎承載力的削弱作用等［5］。BREUSERS 等人［6］開展了海流作用下樁基礎局部沖刷室內(nèi)模型試驗，探究了海流速度、海水密度、土顆粒粒徑等參數(shù)對樁基礎局部沖刷的影響；DEBNATH 等人［7］進行了一系列室內(nèi)試驗來研究粘土-沙混合海床中的樁基局部沖刷機理，探究了粘土含量、含水量、海床抗剪強度等參數(shù)對樁周最大沖刷深度、沖刷坑形態(tài)以及沖刷過程的影響；OLSEN 等人［8］通過將泥沙輸運方程加入數(shù)值計算的控制方程中，模擬了圓柱周圍局部沖刷的過程，證明了數(shù)值模擬方法研究沖刷問題的可行性；ROULUND 等人［9］采用k-ω模型，研究了雷諾數(shù)、水深、海床面粗糙度等參數(shù)對樁基礎局部沖刷的影響；其模擬結(jié)果與物理模型試驗結(jié)果吻合度較高。

由于室內(nèi)物理模型試驗存在縮尺效應，試驗結(jié)果不能與真實樁周沖刷結(jié)果直接按照比例換算［10］。與模型試驗相比較，數(shù)值模擬方法靈活且經(jīng)濟，不僅能夠等比建模，避免縮尺效應，模擬精度也隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展而不斷提高，因而數(shù)值模擬在樁土沖刷分析中的應用愈發(fā)廣泛。

已有研究多集中于河流環(huán)境中的橋墩基礎沖刷，而針對海洋平臺樁基的沖刷分析尚不夠充分。海洋環(huán)境荷載復雜，海流與波浪的共同作用引起樁基礎的局部沖刷，局部沖刷機制與影響因素還有待進一步探究［11］。除此之外，目前關(guān)于局部沖刷影響因素的研究大多都是通過物理模型試驗完成的，采用數(shù)值模擬方法探究樁基礎局部沖刷影響因素的研究較少，還有待進一步拓展。

鑒于此，本文首先建立單樁基礎計算流體力學模型，以探求海流作用下樁周沖刷產(chǎn)生的形態(tài)和規(guī)律，研究海流作用下的樁周沖刷形成過程；研究不同水流速度、泥沙粒徑、樁徑條件下局部沖刷坑深度與水平范圍的變化；定量分析沖刷坑的大小與形態(tài)，得出水流速度、泥沙粒徑、樁基直徑對樁基礎局部沖刷坑的影響規(guī)律，并將所得規(guī)律與已有研究成果進行對比分析。研究成果可為優(yōu)化海上風電場基礎設計和沖刷防護提供參考，進而提高海上風電樁基礎的全壽命服役性能。

1 單樁基礎局部沖刷數(shù)值模擬

1.1 單樁基礎局部沖刷數(shù)值模型

本文選用直徑2 m、高12 m的圓柱體模擬單樁，圓柱體位于計算域的中心。計算域的上、下游邊界分別距圓柱中心10.2 m，左、右邊界分別距圓柱中心3.0 m，計算域高度取12 m，幾何模型如圖1所示。

圖1 幾何模型Fig.1 Geometric Model

模型底部鋪設厚度為4 m 的均勻泥沙，泥沙參數(shù)如下：中值粒徑d50=0.657 mm，密度為2 650 kg/m3，挾帶系數(shù)為0.001 8，臨界希爾茲數(shù)為0.05，休止角為32°。泥沙上部為水，深度取2 m，水溫設置為20 ℃。為了防止泥沙在模擬剛開始時被水流直接沖走，入流邊界與出流邊界分別放置了長方體固體護塊，護塊的高度與寬度和底床相等，沿水流方向的長度為0.2 m。

計算域全部采用均勻的結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格，單元網(wǎng)格尺寸設置為0.1 m × 0.1 m × 0.1 m，X方向網(wǎng)格數(shù)204個，Y方向網(wǎng)格數(shù)60個，Z垂直方向網(wǎng)格數(shù)120個，網(wǎng)格總數(shù)為146.88萬個。

計算域入流處的邊界條件采用速度邊界，速度大小取1.5 m/s；出流口采用出流邊界；頂部選用壓力邊界；兩側(cè)和底部都采用墻面邊界。

本模型選用有限差分法對控制方程進行離散計算，選用二階離散格式進行動量對流離散，壓力迭代模擬時長取60 s，時間步長取1 s。為了得到樁周流場的水流形態(tài)特征和樁周局部沖刷特征，模型需要輸出流體的壓力、速度、體積分數(shù)和泥沙的含沙量、沙床表面高度變化等類型的數(shù)據(jù)。

1.2 模擬結(jié)果分析

1.2.1 流場結(jié)果分析

在本文的數(shù)值模型中，水流行進至樁基前方時，由于樁基礎的阻擋作用，一部分水流繞樁而過，樁基兩側(cè)水流流速增大，如圖2?所示。

彼時，他正在山東忙于工作，談及獲獎，淡淡一笑，謙遜道：“我們正是趕上了好時代，好政策，加上自身的努力，才能有一點成績。”

從圖2?可以看到，另一部分水流在樁前爬升而產(chǎn)生壅水現(xiàn)象，與此同時樁基礎后側(cè)水位略有降低，樁前與樁后出現(xiàn)明顯水位差；樁前方還有部分水流受到樁基礎的阻礙而向下流動，負速度矢量產(chǎn)生可以看成馬蹄形漩渦形成的標志［12］，由此可以認為該模型成功模擬出了馬蹄形漩渦。水流在樁基后側(cè)流向發(fā)生變化，產(chǎn)生尾流漩渦，旋轉(zhuǎn)方向為逆時針，與物理實驗相類似。

圖2 平面流速矢量圖Fig.2 Plane Velocity Vector Diagram

由圖3 可以看出，縱向流速（沿水流方向的速度）在樁前逐漸減小至0，由于尾流漩渦的存在，樁后水流逆行而出現(xiàn)了負值流速，渦流同時也使得樁后縱向流速波動明顯而流速均小于樁前流速。

圖3 Y=0處縱斷面流速分布Fig.3 Profile of Longitudinal Velocity Distribution at Y=0

從上述流場的模擬結(jié)果來看，該模型能夠較為準確地模擬樁基礎周圍的水流結(jié)構(gòu)，樁基礎上層邊緣的繞流和樁前的向下水流都能夠較好地展現(xiàn)，也能較好地捕捉到馬蹄形漩渦和尾流漩渦的存在，樁基前后的流速分布與實際樁基周圍流速分布相類似，因而該模型一定程度上能夠正確地模擬樁基礎局部沖刷的流場。

1.2.2 沖刷結(jié)果分析

沖刷坑深度隨沖刷時間變化的趨勢如圖4 所示，沖刷深度在前10 s 內(nèi)迅速增加，之后沖刷速率逐漸變緩，該模型模擬的沖刷坑深度變化趨勢與物理模型試驗結(jié)果相似。

圖4 沖刷坑深度隨時間變化趨勢Fig.4 Plot of Erosion Pit Depth Over Time

圖5展現(xiàn)了沖刷過程中不同時刻局部沖刷坑形態(tài)的變化，可以較為清晰地看到海床面從開始沖刷到?jīng)_刷坑逐漸接近穩(wěn)定的過程。在沖刷發(fā)生的前期階段，由于部分水流在樁前遇阻，繞樁而過，樁基兩側(cè)水流流速增大，導致樁基礎前方45°左右區(qū)域的沙床表面所受的切應力最大，表床泥沙達到起動流速，最先發(fā)生局部沖刷。伴隨著沖刷的持續(xù)發(fā)生，沖刷坑慢慢向下游延伸且深度逐漸加大［13］。

圖5 沖刷坑形態(tài)隨時間變化趨勢Fig.5 Plot of Scour Pit Morphology Over Time

沖刷坑的形態(tài)變化速率減小，逐漸接近沖淤平衡，樁周最大沖刷深度將出現(xiàn)在樁正前方到兩側(cè)45°范圍內(nèi)，這與MELVILL 等人［14］的試驗結(jié)果相吻合。除此之外，迎水側(cè)的泥沙被水流與漩渦體系攜帶到樁基背水一側(cè)，并產(chǎn)生堆積。

2 樁基礎局部沖刷影響因素分析

影響樁基礎局部沖刷的因素可以簡單歸納為以下3 個方面［15］，包括①流體因素：水流速度、水流深度、水流方向與樁的夾角等；②土體因素：泥沙粒徑、泥沙密度、泥沙顆粒級配等；③樁體因素：樁體半徑、樁體形狀等。本文在已有模型的基礎上，通過數(shù)值模擬探究水流速度、泥沙粒徑、樁體直徑3種因素對樁基礎局部沖刷的影響。

2.1 來流速度對樁基礎局部沖刷的影響

圖7 不同粒徑的床面高程變化情況Fig.7 Variation Map of Bed Elevation for Different Particle Sizes

表1 不同流速下的局部沖刷坑深度與水平范圍Tab.1 Local Scour Pit Depth and Horizontal Range at Different Flow Rates

由表1可知，隨著來流速度的增加，樁基礎局部沖刷坑深度增大，水平范圍也相應增大。從圖6 中可以看出：

圖6 不同流速的床面高程變化Fig.6 Changes of Bed Elevation at Different Flow Rates

⑴當來流速度處于0～0.2 m/s 段，此時來流速度小于泥沙起沖流速v＜v'，床面泥沙靜止，樁基礎周圍未發(fā)生沖刷；

⑵當來流速度處于0.3～0.5 m/s 段，此時來流速度大于起沖流速而小于泥沙起動流速v0'≤v≤v0，床面泥沙不起動，但樁體的阻流作用使得局部流速增大，樁基礎周圍發(fā)生清水沖刷；

⑶當來流速度處于1.5～3.0 m/s 段，此時來流速度大于泥沙起動流速v≥v0，床面泥沙起動，沖刷坑內(nèi)獲得上游泥沙補給，局部沖刷坑深度隨著流速增加而增大的趨勢變緩，此時為動床沖刷。

目前，國內(nèi)外學者對樁基礎局部沖刷坑深度隨著流速的增加而增大的趨勢較為認可，多項研究認為局部沖刷深度隨來流流速的增加呈S 型曲線增長，即局部沖刷深度在流速較小時增長較為緩慢、流速大于泥沙的起動流速后增長加快、當流速大于一定值后局部沖刷深度將趨近于最大值［16-17］，本文的模擬結(jié)果也大致符合此趨勢。

2.2 泥沙粒徑對樁基礎局部沖刷的影響

探究泥沙粒徑對樁基礎局部沖刷的影響時，設置6 組均勻泥沙，粒徑分別為0.2 mm，0.3 mm，0.4 mm，0.6 mm，0.8 mm及1.0 mm。樁基直徑取2 m，來流速度取1.5 m/s，其余參數(shù)均保持一致。模擬結(jié)果如表2 和圖7所示。

由表2 可知，局部沖刷坑深度和水平范圍隨著泥沙粒徑的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢。由圖7可知：

表2 不同粒徑下的沖刷坑深度與水平范圍Tab.2 Depth and Horizontal Range of Scour Pits under Different Particle Sizes

⑴當泥沙粒徑小于0.3 mm 時，樁基礎周圍局部沖刷現(xiàn)象較為明顯，如工況8和工況9所示；

⑵當泥沙粒徑的增大到0.4 mm 時，樁基礎局部沖刷坑深度和水平范圍驟減，如工況9 與工況10 所示，與粒徑d=0.3 mm 相比，粒徑d=0.4 mm 的泥沙受沖刷程度明顯減弱；

⑶當泥沙粒徑大于0.6 mm 時，樁基礎周圍受到?jīng)_刷的程度相近，泥沙粒徑增加對樁基礎局部沖刷的影響不大，如工況11、工況12和工況13所示。

目前，國內(nèi)外學者在泥沙粒徑對局部沖刷深度的影響研究上存在分歧，不同學者在不同的研究條件下得到了不同的結(jié)論。HINCU、NICOLLET、BONASOUNDAS 等學者在實驗流速較小、水深一定的條件下，得到?jīng)_刷深度在特定范圍內(nèi)隨著泥沙粒徑增大而增大的結(jié)論。孟軍濤等人［18］的研究則認為，在流速相同的情況下，沖刷深度隨著泥沙粒徑的增大而減小，本文的模擬結(jié)果也較為符合該趨勢。

2.3 樁體直徑對樁基礎局部沖刷的影響

探究樁體直徑對樁基礎局部沖刷的影響時，設置5組樁徑分別為0.8 m，1.2 m，1.6 m，2.0 m，2.4 m的對比工況。來流速度取1.5 m/s，中值粒徑d50取0.657 mm，其余參數(shù)均保持一致。模擬結(jié)果如表3和圖8所示。

圖8 不同樁基直徑的X-Y平面流速Fig.8 X-Y Plane Velocity of Different Pile Diameters

由表3 可知，沖刷坑深度和水平范圍隨著樁基直徑的增加而呈增長趨勢。由圖9 可知：隨著樁基直徑的增大，流場受壓縮的程度加重，樁基礎兩側(cè)水流速度加快，局部沖刷坑深度和水平范圍增大。樁基直徑的大小間接影響了樁周水流的速度，而水流速度直接影響了沖刷坑深度。

圖9 不同樁基直徑的床面高程變化情況Fig.9 Changes of Bed Elevation with Different Pile Diameters

表3 不同樁徑下的沖刷坑深度與水平范圍Tab.3 Depth and Horizontal Range of Scour Pit under Different Pile Diameters

目前，國內(nèi)外學者更多的觀點認為樁基礎局部沖刷坑的深度與相對水深H/D（水深/樁徑）關(guān)系較大［19］，具體為：當相對水深較小（H/D＜5）時，水深對樁基礎局部沖刷坑的影響較大，而樁徑對其的影響較小；當相對水深較大（H/D＞5）時，水深對樁基礎局部沖刷坑的影響不大，此時樁徑對樁基礎局部沖刷坑的影響更為明顯。在本文的模擬中，相對水深屬于偏小的范疇，樁基礎局部沖刷坑的深度隨著樁徑的增加有上升趨勢，但增長幅度不大，與上述觀點較為相符。

3 結(jié)論

本文建立了樁基礎局部沖刷的計算流體力學模型，對海流作用下樁基礎局部沖刷進行了三維兩相流的數(shù)值模擬研究，研究來流速度、泥沙粒徑和樁基直徑等因素對樁基礎局部沖刷的影響。主要結(jié)論如下：

⑴通過模擬海流作用下樁基礎周圍的復雜流場和局部沖刷坑的形成過程，得到的樁周水流流場與實際流場相似，模擬了樁基周圍的漩渦體系，展示了沖刷過程中樁前發(fā)生壅水、產(chǎn)生一股向下水流和樁周局部繞流等現(xiàn)象。本文得到的沖刷過程中局部沖刷坑深度變化的趨勢與其他學者的試驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果相似，沖刷坑的三維形態(tài)與試驗形狀也相似，驗證了模擬結(jié)果的合理性與數(shù)值模擬方法的可靠性；

⑵通過模擬不同水流速度的條件下，局部沖刷坑深度與水平范圍的變化，結(jié)果表明在其他條件（包括泥沙粒徑和樁基直徑）相同時，樁基礎局部沖刷坑深度與水平范圍隨著來流速度的增加而增大，沖刷坑深度的增加速率隨著流速的增加而逐漸減緩，沖刷坑深度最終趨于穩(wěn)定值；

⑶通過模擬不同泥沙粒徑的條件下，局部沖刷坑深度與水平范圍的變化，結(jié)果表明在其他條件（包括水流速度和樁基直徑）相同時，樁基礎局部沖刷坑深度與水平范圍隨著泥沙粒徑的增加而逐漸減小，且沖刷坑深度的減小速率逐漸減緩；

⑷通過模擬不同樁基直徑的條件下，局部沖刷坑深度與水平范圍的變化，結(jié)果表明在其他條件（包括泥沙粒徑和水流速度）相同時，樁基礎局部沖刷坑深度與水平范圍隨著樁基直徑的增加而逐漸增大，但增長幅度不大。