收稿日期：2022-07-26

基金項(xiàng)目：華能集團(tuán)總部科技項(xiàng)目“多維多源環(huán)境下海上風(fēng)電場群規(guī)劃優(yōu)化和機(jī)組整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)”（HNKJ20-H53）

通信作者：邱 旭（1989—），男，博士，主要從事風(fēng)電支撐結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)風(fēng)工程等方面的研究。tjqiuxu@126.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1112 文章編號：0254-0096（2023）11-0287-07

摘 要：針對在海上風(fēng)電中應(yīng)用最為廣泛的單樁基礎(chǔ)，基于山東、江蘇、浙江等地海上風(fēng)電場的沖刷實(shí)測數(shù)據(jù)，對海上風(fēng)電場的沖刷深度分布情況進(jìn)行討論。同時，運(yùn)用Qi amp; Gao公式、韓海騫公式、王汝凱公式對各風(fēng)電場的理論沖刷深度進(jìn)行計(jì)算，并分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，研究各沖刷計(jì)算方法的適應(yīng)性。結(jié)果表明，上述3種計(jì)算方法可在一定程度上預(yù)測單樁基礎(chǔ)的局部沖刷深度。

關(guān)鍵詞：海上風(fēng)電；樁基礎(chǔ)；沖刷；計(jì)算方法；適應(yīng)性

中圖分類號：P751""""""""""""""""""" """""" """""""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

海上風(fēng)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)電中心同負(fù)荷中心近等優(yōu)點(diǎn)，近年來備受社會矚目［1］。中國擁有超過1.8×104 km的大陸海岸線，可利用海域面積超過3×106 km2［2］，這也為海上風(fēng)電的開發(fā)提供了廣闊空間。國家能源局2022年1月份發(fā)布的《2021年可再生能源并網(wǎng)運(yùn)行情況》顯示，2021年中國海上風(fēng)電新增裝機(jī)容量為1690萬kW，截至2021年底，中國海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到2639萬kW。隨著海上風(fēng)電場的大規(guī)模開發(fā)，一些新興問題在工程實(shí)踐中突顯出來，基礎(chǔ)局部沖刷便是其中之一。

海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)周圍海床發(fā)生沖刷后會導(dǎo)致基礎(chǔ)入土深度減少，增加樁的懸臂段長度，進(jìn)而使樁基礎(chǔ)的承載力與整機(jī)的自振頻率降低，并導(dǎo)致基礎(chǔ)承受的極限載荷與疲勞載荷增加，影響基礎(chǔ)的疲勞壽命［3］。在工程實(shí)踐過程中，除發(fā)現(xiàn)沖刷會對基礎(chǔ)自身的力學(xué)性能產(chǎn)生影響外，還發(fā)現(xiàn)沖刷會導(dǎo)致基礎(chǔ)周圍的海纜懸空，使其偏離埋于土壤的設(shè)計(jì)狀態(tài)，進(jìn)而對海纜的受力狀態(tài)造成影響。

目前，對于海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，常采用預(yù)留一定的沖刷深度、樁周布置若干沖刷防護(hù)措施（拋石、固化土、砂被等）或兩者相結(jié)合的手段來實(shí)現(xiàn)沖刷防護(hù)。但無論使用何種沖刷防護(hù)方式，其設(shè)計(jì)均是建立在對樁周沖刷深度預(yù)測的基礎(chǔ)上。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，單樁基礎(chǔ)是目前海上風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，在已建的風(fēng)電場中占比達(dá)75%［4］。為此，本文聚焦于海上風(fēng)力機(jī)單樁基礎(chǔ)局部沖刷深度計(jì)算方法，梳理相關(guān)半經(jīng)驗(yàn)半理論計(jì)算公式，并調(diào)研山東、江蘇、浙江等地海上風(fēng)電場的實(shí)際沖刷情況，將實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，分析二者間的適應(yīng)性關(guān)系。

1 沖刷深度計(jì)算方法

1.1 沖刷深度計(jì)算方法研究現(xiàn)狀

基礎(chǔ)沖刷是一常見的自然現(xiàn)象，其廣泛存在于跨河橋梁基礎(chǔ)、跨海大橋基礎(chǔ)、海洋平臺基礎(chǔ)、海上風(fēng)電基礎(chǔ)周圍。相比于河流中的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，海工結(jié)構(gòu)因其身處海洋環(huán)境，受洋流、潮汐、波浪等復(fù)雜水文條件的影響，其沖刷機(jī)理較河流中的單向流更為復(fù)雜。樁周沖刷問題的研究始于20世紀(jì)60年代，在隨后的半個世紀(jì)里，眾多學(xué)者對樁周沖刷問題開展了大量研究，但因其復(fù)雜性，目前學(xué)界僅對單向流作用下非黏性沙床中單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的沖刷問題有較為透徹的認(rèn)知［5］。對于黏性土床、群樁、波浪作用、波流共同作用等因素對樁周沖刷的影響，暫未達(dá)成共識。

在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，工程師最為關(guān)心的問題是對基礎(chǔ)沖刷深度及沖刷范圍的預(yù)測。不同學(xué)者依據(jù)各自的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)與理論給出了數(shù)十種不同的沖刷深度預(yù)測公式。這些公式按照其適用的水文條件，可分為恒定流作用、潮流作用、波浪單獨(dú)作用及波流共同作用下的沖刷深度預(yù)測公式。其中適用于恒定流作用的公式主要包括Breusers［6］、CSU［7］、Melville［5］、Briaud［8］、HEC-18［9］、鐵四院局部沖刷計(jì)算公式［10］、《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］等；適用于潮流計(jì)算的公式主要有Sumer［12］、韓海騫［13］、HEC-18［9］、《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》［11］等；適用于波浪單獨(dú)作用下的公式主要包括Sumer［12］、Zanke［14］、黃建維［15］、陳國平［16］等；適用于波流共同作用下的公式有Sumer［12］、漆文剛［17］、王汝凱［18］、李林普［19］等。需要注意的是，上述各公式均有其適用條件（如黏土、砂土、清水沖刷、動床、KC數(shù)（Keulegan-Carpenter number）范圍、弗魯?shù)拢‵roude）數(shù)Fr范圍、樁徑與波長之比等），在使用上述公式開展沖刷深度計(jì)算時，應(yīng)格外注意其適用條件。

1.2 本文選擇沖刷深度計(jì)算方法

考慮海上風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)幾何尺寸及其所處海洋環(huán)境，本文選擇韓海騫、王汝凱及Qi amp; Gao，共3種沖刷深度公式作為研究對象，并對其適用性開展研究。下面對3種公式進(jìn)行簡要介紹。

1.2.1 王汝凱公式［18］

1982年，中國學(xué)者王汝凱［18］和Herbich等［20］在美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)海洋工程實(shí)驗(yàn)室，基于粗砂模型開展了在波、流共同作用下樁周海床沖刷實(shí)驗(yàn)研究。通過多組實(shí)驗(yàn)，建立局部沖刷深度計(jì)算公式：

[lgSuh=-1.2935+0.1917lgβ]"""""" （1）

[β=V3H2LV+1T-VLHL2h2Dρs-ρρg2νd50h4]""" （2）

式中：[Su]——樁基礎(chǔ)最大沖刷深度，m；[h]——行近水深，m；[V]——行近流速，m/s；[H]——波高，m；[L]——波長，m；[T]——波周期，s；[D]——樁徑，m；[ρs]——泥沙密度，kg/m3；[ρ]——水密度，kg/m3；[g]——重力加速度，m/s2；[ν]——水的運(yùn)動黏滯系數(shù)，m2/s；[d50]——泥沙的中值粒徑，mm。

1.2.2 韓海騫公式［13］

2006年，韓海騫等［13］根據(jù)潮流作用下杭州灣大橋、金塘大橋、沽渚大橋的沖刷實(shí)測數(shù)據(jù)，并結(jié)合60多組水槽試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用因次分析法，得到潮流作用下的局部沖刷深度預(yù)測公式，并顯示出較高的精度。

[Su=8.48k1k2B0.326u0.628h0.193md0.16750]"" （3）

式中：[k1、][k2]——基礎(chǔ)樁平面布置系數(shù)和垂直布置系數(shù)，對于海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)，可取[k1=k2=1.0]；[B]——全潮最大水深條件下平均阻水寬度，m；[u]——全潮最大流速，m/s；[hm]——全潮最大水深，m。

值得注意的是，韓海騫公式本身只考慮潮流的作用，未考慮波浪因素。為了考慮波浪對沖刷的貢獻(xiàn)，可通過給定波浪水質(zhì)點(diǎn)的平均水平速度，并將其與潮流速度進(jìn)行疊加，采用疊加后的波流合成速度代入韓海騫公式，進(jìn)而對沖刷深度進(jìn)行計(jì)算［21］。波浪水質(zhì)點(diǎn)的平均流速為：

[V=HgT×tanhkh/10πh]""""" （4）

式中：[k]——波數(shù)，[k=2π/L]，1/m。

1.2.3 Qi amp; Gao公式［17］

2014年，漆文剛等［17］通過28組水槽試驗(yàn)，分析了波浪和水流聯(lián)合作用下的單樁局部沖刷特性，認(rèn)為在一定條件下，樁周沖刷深度僅同F(xiàn)r數(shù)相關(guān)，同KC數(shù)、水深、底質(zhì)粒徑均無關(guān)，即：

[lgSuD=-0.8exp0.14/Fra+1.11]"""" （5）

[Fra]取值范圍為0.1～1.1之間，KC取值范圍為0.4～26之間，[Fra]與KC可由式（6）～式（9）計(jì)算。

[Fra=UagD]""" （6）

[Ua=Uc+2πUwm] （7）

[Uwm=πHT·1sinhkh]"""""" （8）

[KC=UwmTD]"""""" （9）

式中：[Uc]——水流單獨(dú)作用下的近底流速，m/s；[Uwm]——波浪引起的近底最大流速，m/s。

2 案例分析

2.1 場址特性

如圖1所示，本文選取地處山東（A風(fēng)電場）、江蘇（B風(fēng)電場）、浙江（C風(fēng)電場）等地的3個海上風(fēng)電場，基于風(fēng)電場實(shí)測環(huán)境參數(shù)與沖刷數(shù)據(jù)，開展沖刷公式適應(yīng)性研究，3個風(fēng)電場的建設(shè)條件見表1。

2.2 局部沖刷深度計(jì)算

針對A、B、C這3個海上風(fēng)電場，運(yùn)用1節(jié)所述的3個沖刷深度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。對于王汝凱公式及韓海騫公式，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。同時，由于風(fēng)電場場區(qū)面積較大，為充分考慮場區(qū)內(nèi)環(huán)境條件的差別，在每個場區(qū)內(nèi)均勻選取8個代表點(diǎn)，并計(jì)算代表點(diǎn)處的沖刷深度，具體結(jié)果見表2～表4。其中，對于B風(fēng)電場，分別對直徑為6.0 m和6.6 m的兩種單樁進(jìn)行計(jì)算。值得注意的是，C風(fēng)電場地處杭州灣，韓海騫曾調(diào)研距離C風(fēng)電場較近的杭州灣大橋的沖刷數(shù)據(jù)，并將其作為推演出韓海騫公式的重要支撐數(shù)據(jù)。A風(fēng)電場的[Fra]范圍為0.107～0.112，KC范圍為0.40～0.49；B風(fēng)電場的[Fra]范圍為0.246～0.322，KC范圍為0.86～2.09；C風(fēng)電場的[Fra]范圍為0.415～0.424，KC范圍為0.39～0.50；均滿足Qi amp; Gao公式的適用范圍。

從表2～表4可知：Qi amp; Gao公式計(jì)算沖刷坑深度最?。粚τ陧n海騫公式，考慮波流共同作用后的計(jì)算沖刷深度較僅考慮潮流作用的計(jì)算深度大；在水深較深的A風(fēng)電場和C風(fēng)電場，韓海騫公式計(jì)算結(jié)果小于王汝凱公式；在水深較淺的B風(fēng)電場，僅考慮潮流作用的韓海騫公式計(jì)算結(jié)果與王汝凱公式計(jì)算結(jié)果相當(dāng)，考慮波流共同作用后，韓海騫公式計(jì)算結(jié)果則大于王汝凱公式。

2.3 局部沖刷深度實(shí)測值

目前，常采用多波束聲吶對樁周海床進(jìn)行測繪以獲得樁周海床的沖刷形態(tài)，典型形態(tài)如圖2所示。A風(fēng)電場在沖刷防護(hù)措施施工完成6個月后進(jìn)行樁周海床地形實(shí)測，結(jié)果如圖3a所示。29臺被測基礎(chǔ)的實(shí)測沖刷坑深度在0.4～2.0 m之間，均值為1.143 m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.538 m。其中，21臺基礎(chǔ)樁周沖刷坑深度在0.4～1.6 m之間且呈正態(tài)分布。有8臺基礎(chǔ)樁周沖刷坑深度在1.8～2.0 m之間；進(jìn)一步分析樁周海床地形圖（如圖4所示），發(fā)現(xiàn)這8臺基礎(chǔ)實(shí)測沖刷坑較深的原因是施工期間穩(wěn)樁平臺在樁周海床上遺留凹痕，而非單樁局部

沖刷單一因素。B風(fēng)電場在沖刷防護(hù)施工完成24個月后，各基礎(chǔ)局部沖刷已趨于穩(wěn)定，對42臺外徑為6 m和15臺外徑為6.6 m的基礎(chǔ)進(jìn)行樁周地形實(shí)測，結(jié)果如圖3b、圖3c所示。

42臺外徑為6.0 m的基礎(chǔ)樁周局部沖刷坑深度在3.20～6.74 m之間，均值為4.42 m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.86 m。15臺外徑為6 m的基礎(chǔ)樁周局部沖刷坑深度在3.20～6.52 m之間，均值為4.67 m，標(biāo)準(zhǔn)差為1.03 m。C風(fēng)電場在沖刷防護(hù)施工完成6個月后進(jìn)行樁周海床地形實(shí)測，結(jié)果如圖3d所示。36臺被測基礎(chǔ)的實(shí)測沖刷坑深度在1.38 ～4.87 m之間，均值為3.27 m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.813 m。

通過上述實(shí)測數(shù)據(jù)分析可知，在排除施工期間穩(wěn)樁平臺對于樁周海床造成的地形影響后，在各風(fēng)電場內(nèi)同一樁徑的單樁基礎(chǔ)沖刷坑深度整體呈正態(tài)分布。

2.4 沖刷實(shí)測及計(jì)算結(jié)果對比分析

對于A風(fēng)電場，Qi amp; Gao公式計(jì)算所得沖刷深度與實(shí)測深度平均值吻合較好，二者誤差在20%以內(nèi)。值得注意的是，A風(fēng)電場實(shí)測數(shù)據(jù)是在沖刷防護(hù)施工完成僅6個月后，沖刷坑深度存在隨時間推移進(jìn)一步發(fā)展的趨勢，且A風(fēng)電場進(jìn)行了拋石防護(hù)，故Qi amp; Gao公式計(jì)算結(jié)果雖然與實(shí)測結(jié)果吻合較好，但在無沖刷防護(hù)的條件下，Qi amp; Gao公式會低估樁周極限沖刷深度。韓海騫公式及王汝凱公式的計(jì)算結(jié)果可包絡(luò)住A風(fēng)電場實(shí)測值，存在一定的安全裕度。

對于B風(fēng)電場，無論是樁徑為6.0 m還是6.6 m的單樁基礎(chǔ)，Qi amp; Gao公式計(jì)算所得沖刷深度均略高于實(shí)測深度平均值，二者誤差在25%以內(nèi)。B風(fēng)電場局部沖刷坑深度雖已穩(wěn)定，但其采用了砂被作為局部沖刷防護(hù)措施，故在無沖刷防護(hù)的條件下，實(shí)測均值會有接近于Qi amp; Gao公式計(jì)算值的趨勢。王汝凱公式計(jì)算結(jié)果中的最大值高出B風(fēng)電場實(shí)測最大值約25%，韓海騫公式計(jì)算結(jié)果中的最大值高于實(shí)測最大值約45%，兩公式均存在一定的安全裕度。

對于C風(fēng)電場，Qi amp; Gao公式計(jì)算值約為實(shí)測平均值的2.3倍，為實(shí)測最大值的1.5倍；王汝凱公式計(jì)算結(jié)果中的最大值為均值的5.8倍，為實(shí)測最大值的3.9倍；韓海騫公式計(jì)算值約為實(shí)測平均值的2.8倍，為實(shí)測最大值的1.9倍。因?yàn)镃風(fēng)電場本次實(shí)測時間距風(fēng)電場沖刷防護(hù)完工時間較短，且C風(fēng)電場采用固化土的方式進(jìn)行沖刷防護(hù)，故實(shí)測值小于無沖刷防護(hù)下的極限沖刷深度計(jì)算值，符合預(yù)期。在無沖刷防護(hù)作用下，C風(fēng)電場的沖刷深度極限值采用何種計(jì)算公式更為合適尚需進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

本文針對當(dāng)前海上風(fēng)電最廣泛采用的單樁基礎(chǔ)的沖刷問題，采用現(xiàn)場實(shí)測與理論計(jì)算相結(jié)合的方式，分析各種不同沖刷深度計(jì)算方法的適應(yīng)性，得出主要結(jié)論如下：

1）通過對山東、江蘇、浙江等地3個海上風(fēng)電場的計(jì)算結(jié)構(gòu)分析，Qi amp; Gao公式計(jì)算沖刷坑深度最?。粚τ陧n海騫公式，考慮波流共同作用后的計(jì)算沖刷深度較僅考慮潮流作用的計(jì)算深度大。另外，在水深較深的山東風(fēng)電場和浙江風(fēng)電場，韓海騫公式計(jì)算結(jié)果小于王汝凱公式；在水深較淺的江蘇風(fēng)電場，僅考慮潮流作用的韓海騫公式計(jì)算結(jié)果與王汝凱公式計(jì)算結(jié)果相當(dāng)，考慮波流共同作用后，韓海騫公式計(jì)算結(jié)果則大于王汝凱公式。

2）通過對山東、江蘇、浙江等地3個海上風(fēng)電場的實(shí)測數(shù)據(jù)分析，排除施工期影響因素后，各風(fēng)電場內(nèi)同一樁徑的單樁基礎(chǔ)沖刷坑深度整體呈正態(tài)分布；對于山東、江蘇海上風(fēng)電場，Qi amp; Gao公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果均值較為接近，可用于風(fēng)電場沖刷深度均值的評估；韓海騫公式和王汝凱公式計(jì)算結(jié)果最大值均高于實(shí)測結(jié)果最大值，可用于風(fēng)電場局部沖刷深度最大值的評估；對于浙江區(qū)域海上風(fēng)電場，Qi amp; Gao公式、韓海騫公式、王汝凱公式的計(jì)算結(jié)果均高于實(shí)測值。

3）由于海上風(fēng)電場單樁基礎(chǔ)沖刷問題較為復(fù)雜，本文僅對沖刷深度實(shí)測值分布規(guī)律及沖刷深度計(jì)算公式適應(yīng)性進(jìn)行探討，獲得了一些可供工程參考的規(guī)律和結(jié)論。未來還應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際、試驗(yàn)分析，引入前沿理論等手段，進(jìn)一步對海上風(fēng)電場基礎(chǔ)沖刷深度問題開展細(xì)致研究。另外，對于沖刷深度隨時間的變化規(guī)律，沖刷防護(hù)措施對基礎(chǔ)沖刷的保護(hù)效果等問題還有待深入研究。

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STUDY ON ADAPTABILITY OF CALCULATION METHOD FOR LOCAL SCOURING DEPTH OF SINGLE PILE FOUNDATION IN

OFFSHORE WIND FARM

Qiu Xu1，Ma Wenguan1，Zhang Yu2，Chen Xinming1，Zhang Bo1，Liu Xin1

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

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

Abstract：For the most widely used monopile foundation in offshore wind power， the scour depth distribution of offshore wind farms is discussed based on the measured data of offshore wind farms in Shandong， Jiangsu， Zhejiang and other places. At the same time， the theoretical scour depth of each wind farm is calculated by using Qi amp; Gao formula， Han Haiqian formula and Wang Rukai formula， and the relationship between the calculated results and the measured data is analyzed to study the adaptability of each scour calculation method. The results show that the above three calculation methods can predict the local erosion depth of monopile foundation to a certain extent.

Keywords：offshore wind power； pile foundations； scour； computing method； adaptability