范少濤,朱嶸華,陶梓健,張融圣,劉寒秋,田振亞

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣東 廣州 510000;2.浙江大學(xué) 海洋學(xué)院,浙江 舟山 316021; 3.陽江海上風(fēng)電實(shí)驗(yàn)室,廣東 陽江 529500;4.浙江大學(xué) 華南工業(yè)技術(shù)研究院,廣東 廣州 510000)

0 引 言

隨著化石燃料的不斷消耗和人類對全球變暖等環(huán)境問題的日益重視，可再生能源在世界能源結(jié)構(gòu)中的重要程度不斷增強(qiáng)。海上風(fēng)電作為優(yōu)秀的可再生能源在近幾年發(fā)展迅速。截至2021年底，世界海上風(fēng)電總裝機(jī)容量超過57.2 GW，其中中國占據(jù)約48%[1]。然而，我國近海氣象水文條件復(fù)雜多變，如何保障結(jié)構(gòu)物安全性是海上風(fēng)電工程的一大嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。近海海上結(jié)構(gòu)大多以樁柱、導(dǎo)管架等重力式基礎(chǔ)為主，在風(fēng)、浪、流的聯(lián)合作用下，樁柱附近泥沙極易起動(dòng)，暴露基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。這一方面會(huì)顯著降低樁基的承載能力與穩(wěn)定性，另一方面埋深的減小削弱了結(jié)構(gòu)的側(cè)向約束，導(dǎo)致其整體自振頻率下降、更易發(fā)生疲勞破壞。因此，研究海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受到的沖刷作用與沖刷防護(hù)對延長風(fēng)電場的有效工作時(shí)間、增強(qiáng)海上風(fēng)電經(jīng)濟(jì)性有著積極的意義。

基礎(chǔ)沖刷問題是海洋工程結(jié)構(gòu)物不可避免的安全問題之一，其主要通過破壞基礎(chǔ)海床周圍土體，從而影響結(jié)構(gòu)的固有頻率和地基的橫向承載力，在沖刷嚴(yán)重時(shí)需進(jìn)行停機(jī)維護(hù)，易增加運(yùn)維成本[2-3]。目前，工程實(shí)際中采用的沖刷防護(hù)措施可按防護(hù)機(jī)理分為實(shí)體抗沖防護(hù)和減速不沖防護(hù)兩大類。其中，減速不沖防護(hù)不適用于劇烈流場環(huán)境[4]。國內(nèi)外有大量研究表明，添加合適的沖刷保護(hù)裝置有助于降低沖刷深度、提高基礎(chǔ)安全性。秦肖等[5]通過單樁局部沖刷拋石防護(hù)模型試驗(yàn)得出拋石防護(hù)能夠明顯抑制沖刷坑發(fā)展的結(jié)論。王亞康[6]針對采用軟體土工砂被防護(hù)方案失效的單樁基礎(chǔ)，選用拋石防護(hù)進(jìn)行沖刷防護(hù)修復(fù)，證實(shí)拋石修復(fù)工藝的有效性。魏凱等[7]采取比尺試驗(yàn)的方法驗(yàn)證防沖刷護(hù)圈對單向流和潮汐流的防護(hù)作用。王衛(wèi)等[8]通過模型試驗(yàn)研究水下膠結(jié)塊石技術(shù)對海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)的沖刷防護(hù)效果。MATUTANO等[9]研究預(yù)測沖刷深度和沖刷過程的不同方法，以及沖刷防護(hù)裝置，認(rèn)為可以將沖刷保護(hù)程度作為沖刷預(yù)測經(jīng)驗(yàn)公式的參數(shù)。WHITEHOUSE等[10]對歐洲海上風(fēng)電場的沖刷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，認(rèn)為單樁基礎(chǔ)的沖刷防護(hù)是有效的，但過高的防護(hù)層可能引起更嚴(yán)重的邊緣沖刷。目前，研究大多僅考慮單一沖刷防護(hù)措施的防護(hù)效果，缺少不同防護(hù)之間的對比試驗(yàn)、對比不同防護(hù)之間的防護(hù)效果與經(jīng)濟(jì)性從而選擇最適合確定風(fēng)電場水文環(huán)境的防護(hù)措施。

綜上所述，本文以廣東某海上風(fēng)電場為基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)最不利的條件下，針對風(fēng)電單樁基礎(chǔ)與升壓站平臺(tái)導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行拋石防護(hù)與混凝土聯(lián)鎖排防護(hù)試驗(yàn)。通過試驗(yàn)結(jié)果評估拋石與混凝土聯(lián)鎖排等防護(hù)措施的抗沖刷效果后，結(jié)合成本分析各沖刷方案的成本與技術(shù)難度，提出該場區(qū)實(shí)際防沖刷方案宜采用拋石搭配混凝土聯(lián)鎖排措施的建議，為防沖刷工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 靜態(tài)工況

試驗(yàn)所使用的大斷面波流水槽[見圖1(a)]總長為46.0 m，截面寬為1.5 m，最大工作水深為1.0 m，在水槽中段砌設(shè)長為20.00 m、寬為1.50 m、深為0.15 m的沙盤作為沖刷區(qū)。水槽中配有1臺(tái)采樣頻率為50 Hz的聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)，以超聲波探頭測量其下5 cm處的流速，其實(shí)物及監(jiān)測界面如圖1(b)所示。ADV測點(diǎn)位置設(shè)置在沙盤床面上方0.37倍水深的水槽縱軸線上。根據(jù)恒定明渠流的流速對數(shù)分布律，可以使用該位置的流速數(shù)據(jù)來代表過流斷面的平均流速。在水槽最上游與最下游的樁柱迎波面附近各布置1臺(tái)采樣頻率為100 Hz的浪高儀，如圖1(c)所示。水槽側(cè)壁上方設(shè)有縱向?qū)к?，架設(shè)1臺(tái)地形測車，可通過水下探頭的超聲反射測量最大沖深并掃描沖坑地形。測車布置情況如圖1(d)所示。

圖1 試驗(yàn)儀器布置

1.2 靜態(tài)工況

對于局部沖刷試驗(yàn)，采用正態(tài)模型能準(zhǔn)確反映沖坑形態(tài)，由于波浪運(yùn)動(dòng)主要由重力提供回復(fù)力，且樁柱附近發(fā)生劇烈湍動(dòng)、雷諾數(shù)可達(dá)到自模條件，因此采用重力相似準(zhǔn)則以滿足水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)相似與動(dòng)力相似。為避免模型砂影響試驗(yàn)精度，可使用系列模型延伸試驗(yàn)的方法開展沖刷試驗(yàn)，其主要原理是采用原型砂進(jìn)行不同比尺的沖刷試驗(yàn)，并通過沖刷結(jié)果外推得到原型沖刷深度[11]。以場區(qū)46號(hào)機(jī)組附近底質(zhì)為原型砂，取舟山海域泥沙，嚴(yán)格篩制模型砂，并進(jìn)行起動(dòng)試驗(yàn)，測得其起動(dòng)流速約0.31 m/s，這一數(shù)值與原型砂的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果相近，因此認(rèn)為篩制的模型砂可反映場區(qū)砂性底質(zhì)的起動(dòng)特性。

本次試驗(yàn)采用泥沙的中值粒徑d50為0.25～0.50 mm，遠(yuǎn)大于樁徑的1/50，當(dāng)泥沙起動(dòng)后單樁周圍的沖刷情況只與KC數(shù)(Keulegan-Carpenter number)有關(guān)，泥沙粒徑不會(huì)影響局部沖刷深度[12]。試驗(yàn)所用波流水槽總長為46.0 m、截面寬為1.5 m，為減少邊壁效應(yīng)的影響，本次試驗(yàn)中的模型幾何比尺選取1/50。

1.3 試驗(yàn)工況

根據(jù)表1所示的原型海況，確定試驗(yàn)工況如表2所示。試驗(yàn)中：先按設(shè)計(jì)水位下的兩年一遇最大波、流條件沖刷至平衡為止，反映各代表點(diǎn)處風(fēng)電機(jī)組在服役期間頻遇海況下的最大沖刷深度；再按極端水位下五十年一遇最大波、流條件，保留此前沖刷平衡的地形，繼續(xù)沖刷200個(gè)波周期，以反映風(fēng)暴潮、臺(tái)風(fēng)等惡劣氣象條件導(dǎo)致的短期沖刷效應(yīng)。

表1 場區(qū)原型海況

表2 沖刷試驗(yàn)工況

在采取防護(hù)措施之前，需要先以砂袋、拋石等材料對已有沖坑進(jìn)行回填?，F(xiàn)依據(jù)場區(qū)各樁位的水文數(shù)據(jù)，以王汝凱公式[13]、韓海騫公式[14]估算各樁位的平衡沖刷深度，如表3所示。由于樁柱附近流場的復(fù)雜性，底床泥沙的受力與運(yùn)動(dòng)規(guī)律尚不明確，沖刷深度預(yù)測公式的經(jīng)驗(yàn)性均較強(qiáng)，但在工程應(yīng)用中仍具有一定的指導(dǎo)意義。

表3 沖刷深度預(yù)測情況 m

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 拋石防護(hù)

拋石或砂袋防護(hù)是在基礎(chǔ)施工完成后向已形成的沖刷坑內(nèi)拋投石塊或砂袋作為防護(hù)層，具有成本低廉、施工簡易的優(yōu)點(diǎn)。由于砂袋易發(fā)生破損，其防護(hù)效果相對較差，在此僅針對拋石防護(hù)開展試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[15]所給出的拋石起動(dòng)流速計(jì)算式為

(1)

式中：uc為泥沙起動(dòng)流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；γs、γ分別為泥沙與水的容重，kN/m3；h為行近水流水深，m。

由式(1)可知，若防護(hù)材料模型與原型的重度一致，二者只需達(dá)到幾何相似，即自動(dòng)滿足起動(dòng)相似條件。選取100 kg、200 kg兩種規(guī)格的塊石進(jìn)行試驗(yàn)。按六面體估算其尺寸及等效直徑作為d50，計(jì)算起動(dòng)條件及模型尺寸，如表4所示。

表4 拋石規(guī)格與起動(dòng)條件

在拋石防護(hù)效果試驗(yàn)中，將2根風(fēng)電樁模型與升壓站模型分別間隔4 m串列布置，經(jīng)預(yù)試驗(yàn)觀測，在此間距下，各樁前波高及行近流速基本一致，樁柱對流場的影響可忽略。首先，按最不利條件(1號(hào)點(diǎn)，設(shè)計(jì)低水位，2 a重現(xiàn)期波、流條件)沖刷至平衡狀態(tài)，之后排干水槽，以拋石模型填平?jīng)_刷坑，并在其上繼續(xù)鋪設(shè)范圍約3倍樁徑、厚度為4層的防護(hù)層。其中，2根風(fēng)電樁分別采用100 kg和200 kg規(guī)格的拋石模型，如圖2所示。

圖2 風(fēng)電樁拋石防護(hù)模型

升壓站平臺(tái)的迎波樁腿采用100 kg規(guī)格石塊、背波樁腿采用200 kg規(guī)格石塊，如圖3所示。

圖3 升壓站拋石防護(hù)模型

保持此時(shí)地形不變，按照升壓站代表點(diǎn)100 a重現(xiàn)期的極端低水位波、流條件，繼續(xù)沖刷200個(gè)波周期，風(fēng)電樁附近防護(hù)層的破壞情況如圖4所示，升壓站平臺(tái)樁腿附近防護(hù)層的破壞情況如圖5所示。

圖4 風(fēng)電樁附近拋石防護(hù)層破壞情況

圖5 升壓站樁腿附近拋石防護(hù)層破壞情況

由圖4和圖5可知，在百年一遇的極端惡劣海況下，風(fēng)電樁與升壓站平臺(tái)附近均有大量拋石個(gè)體發(fā)生起動(dòng)并被攜帶至較遠(yuǎn)區(qū)域，使防護(hù)層受到嚴(yán)重破壞。200 kg規(guī)格石塊移動(dòng)距離相對較小，由其鋪設(shè)而成的防護(hù)層破壞程度較輕。考慮運(yùn)輸與拋投的難度，不宜繼續(xù)增大拋石的體積與質(zhì)量，因此在本工程場區(qū)極端海況下，拋石防護(hù)層不足以抵御波、流的共同沖擊，不適用于沖刷防護(hù)。

2.2 混凝土聯(lián)鎖排防護(hù)

混凝土聯(lián)鎖排是土工布排墊和混凝土壓重塊組成的防沖刷結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造示例以及實(shí)物如圖6所示?；炷羻卧獕K之間相互勾連，再以縱向縫制的加筋條與土工布系結(jié)為一個(gè)整體。土工布除分散單元塊的載荷之外，還起到反濾作用，防止泥沙流失。該結(jié)構(gòu)施工方便、布置靈活，柔性與整體性較好，不易出現(xiàn)起動(dòng)破壞，且可適應(yīng)底床地形的變化，是一種較為理想的防護(hù)方式。

圖6 混凝土聯(lián)鎖排示例

試驗(yàn)選取常見規(guī)格的混凝土單元塊(400 mm×400 mm×200 mm)，按1/50幾何比尺制作模具，在各區(qū)格之間預(yù)埋尼龍線作為鉸接，整體澆筑水泥，再將壓重塊系結(jié)在土工布上，如圖7所示。

圖7 混凝土聯(lián)鎖排模型

在混凝土聯(lián)鎖排防護(hù)效果試驗(yàn)中，整平泥面，重新按最不利條件(1號(hào)點(diǎn)，設(shè)計(jì)低水位，2 a重現(xiàn)期波、流條件)沖刷至平衡狀態(tài)，之后排干水槽，以拋石模型填平?jīng)_刷坑，在其上覆蓋混凝土聯(lián)鎖排防護(hù)層，如圖8所示。

圖8 混凝土聯(lián)鎖排防護(hù)層安置情況

保持此時(shí)地形不變，按照升壓站代表點(diǎn)100 a重現(xiàn)期的極端低水位及波、流條件，繼續(xù)沖刷200個(gè)波周期，風(fēng)電樁附近與升壓站平臺(tái)樁腿附近混凝土聯(lián)鎖排防護(hù)層的破壞情況如圖9所示。由圖9可知，由于防護(hù)層的整體性較好，在百年一遇極端惡劣海況下基本未發(fā)生破壞，且當(dāng)?shù)状驳匦纬霈F(xiàn)大范圍的劇烈變化時(shí)，防護(hù)層可隨之發(fā)生柔性變形(見圖10)，以確保始終覆蓋下方的底床，并通過土工布反濾層阻止泥沙流失。綜上所述，建議本工程采用帶反濾層的混凝土聯(lián)鎖排作為局部沖刷的防護(hù)措施，以達(dá)到較好的防護(hù)效果。

圖9 混凝土聯(lián)鎖排防護(hù)層破壞情況

圖10 風(fēng)電樁周圍混凝土聯(lián)鎖排防護(hù)層下陷細(xì)節(jié)

2.3 成本分析

綜合考慮經(jīng)濟(jì)性與安裝技術(shù)問題，以單樁基礎(chǔ)為例，調(diào)研防沖刷材料的價(jià)格，以材料費(fèi)用為例，不考慮人工和設(shè)備成本，拋石價(jià)格約350元/m3；砂袋價(jià)格為100元/m3；仿生草以2倍樁徑范圍進(jìn)行鋪設(shè)，預(yù)計(jì)面積為923.16～1 205.76 m2，按造價(jià)0.05萬元/m2估算；混凝土聯(lián)鎖排按400元/m3價(jià)格，以2倍樁徑范圍面積、0.4 m厚度的體積進(jìn)行估算。從安裝技術(shù)層面考慮，拋石與拋砂袋方案整體只需在目標(biāo)位置拋下一定量的石塊或砂袋，對海上工程裝備需求較低，施工精度要求低。仿生草與混凝土聯(lián)排方案需要大型起重機(jī)進(jìn)行吊裝施工，且對起重機(jī)精度有一定要求，整體施工安裝難度和施工成本相對較高。綜合防護(hù)成本與安裝技術(shù)裝備，進(jìn)行單樁基礎(chǔ)防沖刷措施技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比，如表5所示。

表5 單樁基礎(chǔ)防沖刷技術(shù)經(jīng)濟(jì)性對比

由表5可知，拋砂袋相比拋石的材料成本較低，混凝土聯(lián)鎖排相比仿生草材料費(fèi)用較低，考慮到實(shí)際的安裝技術(shù)難度和可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，拋石搭配混凝土聯(lián)鎖排的防護(hù)措施是最適合該風(fēng)電場區(qū)的防沖刷方案。

3 結(jié) 論

采用模型試驗(yàn)研究拋石防護(hù)與混凝土聯(lián)鎖排防護(hù)的防沖刷效果，結(jié)合現(xiàn)有研究及比尺模型試驗(yàn)成果，對比分析不同防護(hù)方案的可行性與經(jīng)濟(jì)性，得到主要結(jié)論如下：

(1)拋石防護(hù)由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在極端海況下難以抵御波、流共同作用，容易發(fā)生防護(hù)層破壞，防護(hù)效果無法得到保障，不適用于所考慮的風(fēng)電場，但本研究忽略了拋石塊形狀因素影響，后續(xù)在其他相關(guān)物理模型試驗(yàn)中會(huì)進(jìn)一步挖掘。

(2)混凝土聯(lián)鎖排防護(hù)的防護(hù)層整體性較好，在試驗(yàn)過程中隨地形變化而發(fā)生柔性變形，且通過反濾層有效阻止了土體流失，防護(hù)層整體未發(fā)生破壞與大范圍轉(zhuǎn)移，有效降低了沖刷深度，防護(hù)效果較好。

(3)對比拋石、拋砂袋、拋石(砂袋)結(jié)合仿生草、拋砂袋(石)結(jié)合混凝土聯(lián)鎖排法等4種防沖刷方案的經(jīng)濟(jì)成本與工程作業(yè)難度，認(rèn)為在所考慮的風(fēng)電場中，拋石搭配混凝土聯(lián)鎖排防護(hù)是經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)的有效防護(hù)措施。