收稿日期：2022-08-26

基金項目：華能集團總部科技項目“海上風電全生命周期智能化管理技術應用研究及系統(tǒng)開發(fā)”（HNKJ19-H16）

通信作者：邱 旭（1989—），男，博士、高級工程師，主要從事風電支撐結構、結構風工程等方面的研究。tjqiuxu@126.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1266 文章編號：0254-0096（2023）12-0230-08

摘 要：海上風電單樁基礎局部沖刷普遍存在，且極限沖刷深度是開展基礎結構設計的重要參數(shù)。因此，針對海上風電單樁基礎，基于江蘇某海上風電場的沖刷實測數(shù)據(jù)，研究韓海騫公式、王汝凱公式、Qi amp; Gao公式?jīng)_刷計算值與實測值之間的關系；分析對比拋石、固化土及砂被3種沖刷防護措施的防護效果。結果表明：3種計算方法可較為準確預測單樁基礎的局部沖刷深度；固化土、砂被、拋石對沖刷防護的效果呈遞減趨勢。

關鍵詞：海上風電；單樁基礎；局部沖刷；沖刷深度；沖刷防護；沖刷掃測

中圖分類號：TK83 文獻標志碼：A

0 引 言

隨著化石能源的日漸枯竭，在國家政策的支持下，風電、光伏等清潔能源近年來獲得了長足發(fā)展。海上風電作為一種安全高效的清潔能源，因其具有利用小時數(shù)高，發(fā)電中心與負荷中心近，可規(guī)?；_發(fā)等優(yōu)點，日益受到社會矚目。中國擁有超過1.8×104 km的大陸海岸線，得天獨厚的地域優(yōu)勢也為海上風電的開發(fā)提供了廣闊的空間［1］。

伴隨著海上風電場的大規(guī)模開發(fā)，一些新興問題也在工程實踐中突顯出來，基礎周圍海床局部沖刷便是其中之一。海上風電基礎長期處在風、浪、流耦合作用的海洋環(huán)境中，這些因素的疊加導致基礎結構周圍流場復雜，增大了基礎附近海床的剪切應力，從而使基礎周邊海床土體產(chǎn)生沖刷［2］。沖刷發(fā)生后，海上風電基礎結構的入土深度減小，不但降低了基礎承載性能與疲勞壽命，同時還會導致結構的自振頻率發(fā)生變化，對結構動力響應特性與穩(wěn)定性都產(chǎn)生不利影響［3］。因此，在海上風電結構設計與施工階段需準確評估海域的沖刷情況，并采取經(jīng)濟有效的沖刷防護措施。

目前，海上風電沖刷防護的手段主要由兩種： 一種是在基礎結構設計中預留一定的沖刷深度，即便風電機組在服役期間發(fā)生基礎沖刷，沖刷深度在預留深度以內時，仍可認為基礎結構是穩(wěn)定的；二是在樁周布置一定的沖刷防護措施，常用的有拋石、砂被、固化土、混凝土聯(lián)排、仿生草等。目前，在中國的海上風電工程實踐過程中，多采用二者相結合的方式來保證基礎結構的抗沖刷穩(wěn)定性。但無論是預留沖刷深度取值方法還是沖刷防護措施的關鍵技術參數(shù)，現(xiàn)行的國家和行業(yè)標準中均未給出具體的規(guī)定。沖刷防護設計與施工多依賴于工程師的經(jīng)驗。

本文基于江蘇某海上風電場連續(xù)3年的沖刷實測數(shù)據(jù)，針對無防護條件下不同沖刷深度預測公式的適應性進行研究；進一步地，通過實測數(shù)據(jù)對不同防護措施（拋石、砂被、固化土）下的防護效果進行了對比分析。

1 風電場基本條件

本文以江蘇某海上風電場為研究對象，風電場典型局部沖刷可見圖1，風電場所在位置可見圖2。該風場離岸距離約39 km，場區(qū)面積約90 km2，場區(qū)內海圖水深0～20.3 m，海底起伏變化較大。海床底質主要為砂為主，包含部分粉砂及黏土。中值粒徑平均值為[121.39 μm]。風電場內共布置有78臺外徑為6.0～7.2 m的單樁基礎。

為探究不同沖刷防護措施的防護效果，該風場針對不同的機位，分別采用拋石防護、砂被防護、固化土防護，各防護措施應用的樁基礎數(shù)量見表1，各防護措施的防護范圍及設計工程量見表2。

風電場于2020年上半年完成大部分樁基礎主體結構的施工，并于2021年上半年完成大部分基礎沖刷防護措施的施工。同時，分別在2020年、2021年和2022年運用多波束聲吶測深系統(tǒng)，對基礎周圍的海床沖刷情況進行了測量。

2 無沖刷防護措施下的基礎沖刷

2.1 極限沖刷深度計算

樁周沖刷是一常見的自然現(xiàn)象，其廣泛存在于海上風電基礎周圍。海工結構因其身處海洋環(huán)境，受洋流、潮汐、波浪等復雜水文條件影響，其沖刷機理極為復雜。在過去的近幾十年里，學者們對波、流耦合作用下的單樁極限沖刷深度開展了廣泛的研究，但遺憾的是尚未達成共識。韓海騫［4］給出了潮流作用下單樁沖刷極限深度預測公式；另外，可在該公式中引入波浪水質點速度，考慮波浪對沖刷的貢獻［5］。漆文剛等［6］、

注：設計工程量根據(jù)樁徑不同，略有差別。

王汝凱［7］則直接給出了波、流共同作用下單樁極限沖刷深度的預測公式。

本文運用上述3個沖刷深度預測公式，在風場內均勻選取5個代表點，對代表點處的沖刷深度進行計算。其中，對于王汝凱與韓海騫公式，采用垂向平均潮流可能最大流速+5年一遇波浪參數(shù)組合，對于Qi amp; Gao公式，采用近底潮流可能最大流速+5年一遇波浪參數(shù)組合，計算與對比的結果見表3。

風場內基礎的Fra數(shù)在0.2～0.25的范圍內，KC數(shù)范圍為1.70～2.0，滿足Qi amp; Gao公式的適用范圍。由于風電場處于輻射沙洲海域，灘槽縱橫。代表點S1處于沙脊，水深較淺；代表點S2～S4處于溝槽內，水深較深。韓海騫公式和王汝凱公式因其受水深影響，故不同代表點間計算結果相差較大。Qi amp; Gao公式因僅同F(xiàn)ra數(shù)相關，不同代表點間計算結果相差較小。從上表中可見Qi amp; Gao公式計算值最小，考慮波、流耦合作用的韓海騫公式計算結果大于僅考慮潮流作用的計算結果。在不同代表點處，王汝凱公式同韓海騫公式相比互有大小。

2.2 無防護條件下的沖刷深度實測

2020年6月，對風電場內21臺已完成基礎結構施工，但未開展樁周防護的機位進行沖刷掃測。此次掃測的時間距離樁基沉樁完成1～9個月，樁周局部沖刷深度已趨于穩(wěn)定。

為定量分析局部沖刷深度預測公式適用性的優(yōu)劣，本文通過4種統(tǒng)計學指標進行評判［8-9］，分別為相對誤差[εr、]平均相對誤差[εa]、方差[δe]與歸一化方差[δen]，如式（1）～式（4）所示。

相對誤差[εr]：

[εr=Sy-ScSc]"""""" （1）

平均相對誤差[εa]：

[εa=1n1nSy-ScSc]"""""" （2）

方差[δe]：

[δe=Sy-Sc2S2c]"" （3）

歸一化方差[δen]：

[δen=Sy/D-Sc/D2ScD2]""""" （4）

式中：[Sy]——沖刷深度公式的計算值，m；[Sc]——沖刷深度的實測值，m；[n]——樣本數(shù)量，本文中[n=21]。

3種沖刷深度計算方法的計算值和實測值的相對誤差可見圖3。從中可見，同實測數(shù)據(jù)相比，對于韓海騫公式（僅考慮潮流作用），其95%的計算值落在了相對誤差為±50%的范圍內；對于考慮波、流耦合作用的韓海騫公式，其76%的計算值在相對誤差0～100%范圍內，另外24%的計算值相對誤差在[0～-50%]范圍內?？梢娖溆嬎憬Y果偏保守；對于王汝凱公式，其86%的計算值落在了相對誤差為±50%的范圍內，另外14%的計算值落在了相對誤差為0%～100%的范圍內；對于Qi amp; Gao公式，其90%的計算結果落在[-50%～0]%以內，可見其計算結果偏不安全，同時計算值出現(xiàn)在一較小范圍內，在圖中成“一”字形分布，說明其計算值同實測數(shù)據(jù)相關性較差。

21個機位的相對誤差范圍、平均相對誤差、方差和歸一化方差的計算結果見表4。分析可知，韓海騫公式（僅考慮潮流作用）的計算值統(tǒng)計學指標最好，其平均相對誤差為23.34%，方差為7.22%，歸一化方差為6.78%。

3 有沖刷防護措施下的基礎沖刷

3.1 沖刷防護措施

海上風電沖刷防護措施包括砂被防護、拋石防護、固化土、混凝土聯(lián)排及仿生草等多種方式。其中，前3種已有規(guī)?；瘧玫陌咐?，但對于混凝土聯(lián)排及仿生草，目前仍處于樣機試驗探索階段。

3.1.1 拋石防護

拋石防護即通過在樁周拋投石料的方式來實現(xiàn)防護，其早期多用于橋墩沖刷防護，近年來在海上風電樁基沖刷防護領域有了一定應用，拋石防護現(xiàn)場施工可見圖4。其具有取材方便，工藝簡單的特點。一方面，粗糙的石料可在一定程度上減緩底層水流流速，另一方面，拋石增加了泥沙卷揚起動所需的水流作用力。文獻［10-13］在橋墩拋石防護破壞機理方面開展了充分研究，指出在清水沖刷條件下，拋石防護存在剪切破壞、沉陷破壞和邊緣破壞等3種模式；在動床條件下，除上述3種破壞模式外，還存在分解破壞和埋置破壞等破壞模式。

目前，針對海上風電單樁基礎的拋石防護研究較少，在工程實踐過程中工程師們多依賴于橋墩沖刷拋石防護的研究成果。拋石防護設計時需考慮拋石的粒徑、鋪設范圍、鋪設厚度和級配等因素。

拋石粒徑是防護設計中最為主要的因素，選擇不當易發(fā)生剪切破壞。20世紀70年代以來，文獻［13-15］分別提出拋石粒徑的選取方式。其中，Richardson［15］公式在工業(yè)界應用較為廣泛，其也被美國聯(lián)邦高速公路管理局（FHWA）所推薦，見式（5）。

[D50=0.692Vf1f22Gs-1×2g]"nbsp;"""" （5）

式中：[D50]——拋石中值粒徑，m；[V]——設計流速，m/s；[f1]——樁截面形狀修正系數(shù)，對于圓柱樁可取1.5；[f2]——河道影響系數(shù)，一般可取0.9～1.7；[Gs]——拋石比重，2.65 kN/m3；[g]——重力加速度。

在拋石鋪設范圍選擇上，通常的原則是應涵蓋住可能的沖刷范圍［16］。同時，Richardson建議鋪設范圍至少應為自樁基礎表面向外2倍的樁徑。

對于鋪設厚度，若其太薄，則易發(fā)生沉陷破壞，無法起到較好的保護效果。在鋪設厚度的取值方面，不同學者給出了不同的建議值，但大多同中值粒徑相關。Chorad［17］建議鋪設厚度取為兩倍的中值粒徑，Lauchlan［13］建議取為2～3倍的中值粒徑，文獻［18-19］則建議取為不小于3倍的中值粒徑。

拋石級配對于防護效果也有重要影響，其對拋石結構的穩(wěn)定性和阻止海床泥沙從石料的空隙間流失具有重要意義。但目前針對級配影響的研究較少，在工程實踐中，通常的選用原則是采用粒徑分布曲線較為光滑的級配石料。

3.1.2 砂被防護

砂被即是土工織物袋中填充砂，進而形成的一種袋裝或格狀的防護措施。砂被早期在海堤防護中應用較多，近年來隨著海上風電的興起，在海上風電領域也獲得了泛應用，砂被防護現(xiàn)場施工可見圖5。砂被主要是通過避免樁周土體流失的方式，來起到?jīng)_刷防護效果。

海上風電砂被防護設計的主要參數(shù)包括防護范圍及砂被厚度等。防護范圍應覆蓋可能的樁周沖刷區(qū)域。砂被厚度的取值，可參考中國《水運工程土工合成材料應用技術規(guī)范》［20］中關于混凝土聯(lián)排厚度取值的相關要求，具體為：

[tm≥KsαmV2γm-γwγw2g]" （6）

式中：[tm]——砂被平均厚度，m；[Ks]——穩(wěn)定安全系數(shù)，可取1.2～1.4，水流復雜的區(qū)域取大值；[αm]——系數(shù)，與水流流態(tài)和壓載形式有關，砂被可取1.0；[V]——砂被保護處水流垂線平均流速，m/s；[γm]——砂被的重度，kN/m3；[γw]——海水的重度，kN/m3。

3.1.3 固化土防護

固化土是一種以淤泥為基土，摻入一定比例的水泥進行化學固化的改性土。通常固化土在運輸船上預拌好后，通過泵送的方式將固化土泵送至樁周海床。目前，關于固化土的機理研究仍較少，杜碩［21］指出固化土防護的破壞形式主要有固化土本身的破壞和“二次沖刷”破壞兩種模式。固化土防護設計的主要參數(shù)防護范圍及固化土自身的物理力學指標（如密度、滲透系數(shù)、無側限抗壓強度、粘聚力、內摩擦角、抗沖刷流速等）。

3.2 不同沖刷防護措施效果實測

在樁周沖刷防護措施施工完成后，分別于2021年6月和2022年6月，對該風場內78根采用不同防護措施的樁基沖刷情況進行了掃測，其結果統(tǒng)計值可見表5。同一樁徑、同一防護措施下兩次掃測所得平均沖刷深度相差不超過15%，表明開展防護后樁周沖刷已趨于穩(wěn)定，沖刷加劇趨勢不明顯。

注：“/”表示此處無數(shù)據(jù)；“—”表示此處未采集到完整數(shù)據(jù)。

不同樁徑、不同防護措施下的樁基平均沖刷深度及沖刷深度方差，可見圖6。

從圖6中可見，在同一樁徑條件下，固化土防護的平均沖刷深度小于砂被防護，砂被防護的平均沖刷深度小于拋石防護，這可表明固化土的沖刷防護效果最好，砂被次之，拋石最差。對于同一種沖刷防護措施，并未明顯出現(xiàn)平均沖刷深度隨著樁徑增大而增大的趨勢，這表明，沖刷防護效果同施工質量有一定關系。在樁徑為6.0 m的條件下，采用拋石防護和固化土防護的基礎數(shù)量均為11，二者樣本數(shù)相同，但對于沖刷深度方差，固化土防護的方差值要大于砂被，表明固化土防護的離散性更大；拋石防護的方差值同固化土及砂被相比，無明顯規(guī)律，這同樣本數(shù)較少有一定關系。

基于2022年6月沖刷掃測數(shù)據(jù)，對砂被、固化土、拋石3種保護措施保護的機位進行沖刷深度統(tǒng)計分析，結果可見圖7。

從圖7中可看出，在同一樁徑條件下，相較于固化土防護，砂被防護條件下的沖刷坑深度整體更靠右側，砂被平均沖刷深度是固化土的1.18～1.70倍，說明砂被的防護效果弱于固化土防護；同理，拋石防護平均沖刷深度是砂被的1.03～1.86倍，拋石防護效果弱于砂被防護效果。

4 結 論

本文面向當前海上風電最廣泛采用的單樁基礎，針對單樁基礎的沖刷問題，采用現(xiàn)場實測同理論計算相結合的方式，分析各種不同沖刷深度計算方法的適應性，并對比拋石、砂被、固化土3種沖刷防護措施的效果優(yōu)劣。得出主要結論如下：

1）運用Qi amp; Gao公式、韓海騫公式、王汝凱公式對江蘇某風電場的基礎局部沖刷深度進行了分析，結果表明：Qi amp; Gao公式計算值最小，考慮波流耦合作用的韓海騫公式計算結果大于僅考慮潮流作用的計算結果。在不同代表點處，王汝凱公式同韓海騫公式相比互有大小。

2）將21臺基礎無防護條件下的沖刷深度實測值同公式計算值進行對比，結果表明：韓海騫公式（僅考慮潮流作用）95%的計算值落在相對誤差為±50%的范圍內，統(tǒng)計學指標最好；王汝凱公式統(tǒng)計學指標次之；考慮波流耦合作用的韓海騫公式，計算結果偏于保守；Qi amp; Gao公式計算值同實測數(shù)據(jù)相關性較差。

3）針對拋石、砂被、固化土3種海上風電領域常用的沖刷防護措施，進行了防護效果實測。結果表明：固化土的沖刷防護效果最好，砂被次之，拋石最差；沖刷防護效果同施工質量有一定關系；對于沖刷深度方差，固化土防護的方差值要大于砂被，表明固化土防護的離散性更大。

由于海上風電場單樁基礎沖刷問題較為復雜，本文僅對沖刷深度實測值同計算值的相關性，3種沖刷防護措施的效果進行了探討，獲得了一些可供工程參考的規(guī)律和結論。未來還應結合工程實際、試驗分析，引入前沿理論等手段，進一步對海上風電場基礎沖刷深度問題開展細致研究。另外，對于沖刷深度隨時間的變化規(guī)律，沖刷防護措施的防護機理等問題還有待深入研究。

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COMPARATIVE STUDY ON EFFECT OF LOCAL SCOUR AND PROTECTIVE MEASURES OF OFFSHORE WIND POWER FOUNDATION BASED ON

FIELD MEASUREMENT

Qiu Xu1，Ma Wenguan1，Yao Zhongyuan2，Yuan Saijie2，Yan Shu1，Lu Kunpeng1

（1. China Huaneng Group Clean Energy Technology Research Institute Co.， Ltd， Beijing 102209， China；

2. Clean Energy Branch of Huaneng International Power Jiangsu Energy Development Co.， Ltd， Nanjing 210015， China）

Abstract：Local scour of offshore wind farm foundation is a common natural phenomenon， which has an important impact on the safety of supporting structures. The ultimate scour depth of foundation without protection is an important parameter for foundation structure design. The comparison of protection effects of different erosion protection measures is the key factor for the selection of erosion protection measures. In this paper， the relationship between the measured value of brush depth and the calculated value of Qi amp; Gao formula， Han Haiqian formula and Wang Rukai formula is analyzed based on the measured scour data of an offshore wind farm in Jiangsu Province. At the same time， the protection effects of riprap， solidified soil and sand cover are measured and compared. The results show that the three calculation methods can predict the local scour depth of single pile foundation to a certain extent， and the protection effect of solidified soil， sand blanket and riprap decreases in turn. The relevant research results can provide reference for the design and operation and maintenance management of offshore wind power foundation projects.

Keywords：offshore wind turbines； single pile foundation； local erosion； scour depth； scour protection； scour scanning measurement