潘冬冬,李健華,周 川,王 俊

(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510663;2.廣東科諾勘測工程有限公司,廣東 廣州510663)

樁基礎(chǔ)局部沖刷是一個具有重大實(shí)用價(jià)值的研究內(nèi)容,伴隨著國內(nèi)海上風(fēng)電場的興起與發(fā)展,這一研究的重要性日益凸顯。由于海洋動力作用的因素眾多,且不同海域的海底地形、底質(zhì)類型、潮流與波浪作用不盡相同,使得樁基局部沖刷深度與沖刷范圍的研究更加復(fù)雜多變。

根據(jù)已有研究成果,樁基局部沖刷主要通過經(jīng)驗(yàn)公式、物理模型試驗(yàn)和現(xiàn)場地形測量等方法進(jìn)行研究與分析,韓海騫[1]、Wang和Herbich[2]分別通過模型試驗(yàn)的方法提出了2個樁基局部沖刷公式,這2個經(jīng)驗(yàn)公式在實(shí)際工程上應(yīng)用較多,而且也已被《海上風(fēng)電場工程風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]收錄。周益人和陳國平[4]通過物理模型試驗(yàn),研究不規(guī)則波作用下的墩柱周圍局部沖刷機(jī)理,重點(diǎn)對床面泥沙粒徑進(jìn)行詳細(xì)分析;張瑋等[5]和祁一鳴等[6]利用現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)和物理模型試驗(yàn)等方法研究了江蘇近海風(fēng)電場樁基局部沖刷深度,通過與實(shí)測數(shù)據(jù)對比,發(fā)現(xiàn)采用疊加波浪作用下的韓海騫公式[1]進(jìn)行局部沖刷深度計(jì)算更為合理。

本文以湛江某海上風(fēng)電場某一樁基局部實(shí)測地形數(shù)據(jù)為研究對象,進(jìn)行局部最大沖刷深度、沖刷坑半徑和沖淤變化特征的分析與研究,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步進(jìn)行樁基局部沖刷經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算,并且與實(shí)測值對比分析,以期為其他同類工程和本風(fēng)電場運(yùn)行階段防沖刷保護(hù)提供參考。

1 研究區(qū)域概況

1.1 工程概況

湛江某海上風(fēng)電場位于徐聞縣外海海域,海底地貌屬于水下淺灘、水下岸坡地貌單元,有部分沙洲,海底泥面標(biāo)高一般為-13～-1 m,海底地形復(fù)雜,起伏較大,屬于近海淺水區(qū)域風(fēng)電場,風(fēng)電場址與實(shí)測樁基位置見圖1。

工程海域潮汐類型為不正規(guī)半日潮,年平均海面為2.13 m,平均高潮位為2.77 m,平均低潮位為1.54 m,平均潮差為1.23 m,最大潮差為2.69 m。潮流類型為不規(guī)則全日潮,表現(xiàn)為明顯的往復(fù)流特征,全潮測驗(yàn)期間實(shí)測最大流速1.50 m/s。實(shí)測年平均有效波高為1.2 m,平均周期為4.5 s,常浪向與強(qiáng)浪向均為E向。場址表層沉積物中值粒徑為0.14～0.32 mm,平均值為0.21 mm,并且南部沉積物明顯粗于北部。

1.2 樁基防沖刷保護(hù)措施

防沖刷保護(hù)采用砂袋與砂被復(fù)合的保護(hù)方式,砂袋和砂被采用滲透系數(shù)不小于10-3cm/s的細(xì)砂或者中粗砂,粒徑約0.075 mm 的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于85%,黏性顆粒小于3%。砂被制作時考慮收縮,平均厚度為0.40 m;砂被與樁基之間的空隙利用砂袋填平。砂被鋪設(shè)面積約為1 200 m2,砂袋用量約為200 m3。樁基防沖刷保護(hù)立面圖與平面圖見圖2。

圖1 海上風(fēng)電場位置Fig.1 Location map of the offshore wind farm

圖2 樁基防沖刷保護(hù)示意圖Fig.2 A schematic diagram of anti-scour protection of pile foundation

2 樁基局部地形測量與分析

2.1 樁基局部地形

樁基局部地形的測量方法為:以樁基礎(chǔ)為中心,在500 m×500 m 的范圍內(nèi),采用GPS星鏈差分技術(shù)配合多波束測深儀組成的自動定位測深系統(tǒng)對樁基局部沖刷深度進(jìn)行測量。風(fēng)電樁基的施工時間為2018年,分別于2019年4月、2020年4月和2020年5月對樁基局部地形進(jìn)行了3次測量。地形圖見圖3(1985國家高程基準(zhǔn))。

圖3 樁基附近實(shí)測地形Fig.3 Topography measured near the pile foundation

由圖3a可見,2019年4月樁基周圍局部沖刷坑接近于圓形漏斗,沖刷坑半徑約為15 m;地形高程最深為-8 m,最淺為-4 m,沖刷坑的最大深度為4 m,并且沖刷坑由外往內(nèi)不斷變深。由圖3b可見,2020年5月樁基周圍局部沖刷坑的形狀發(fā)生了變化,形狀不再接近于圓形漏斗,而是一個沿NE—SW 走向的橢圓形漏斗,并且樁基NW—NE—SE 方向的沖刷范圍較小,范圍約為15 m,而西南方向最大的沖刷范圍達(dá)到50 m,與2019年4月的地形相比,呈現(xiàn)出明顯的西南向沖刷加劇的趨勢,但是沖刷坑的最大深度沒有明顯變化。由圖3c可見,2020年5月樁基周圍局部沖刷坑的形狀與最大深度與2020年4月地形相比變化很小,處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4為3次實(shí)測地形圖中2個斷面處的剖面圖。由圖4a可見,沖刷坑呈現(xiàn)出明顯的漏斗狀,沖刷坑的最大深度變化量很小,基本維持在4 m 左右。但是在樁基西側(cè)約100 m 存在一個地形變化較大的海底斜坡,由東向西逐漸變深,由2020年與2019年的實(shí)測地形相比,斜坡明顯向西移動了約50 m,說明此處發(fā)生過較大的海床淤積過程。由圖4b可見,沖刷坑也呈現(xiàn)出漏斗狀,2019年4月沖刷坑的最大深度為3 m 左右,而2020年的兩次最大沖刷深度接近4 m。

圖4 樁基周圍海底地形剖面圖Fig.4 Topographic profiles of the seafloor around the pile foundation

2.2 樁基局部沖淤變化特征分析

圖5 樁基周圍年度沖淤變化圖Fig.5 Annual variations of the scouring and silting around the pile foundation

圖5 給出了2019年4月至2020年4月的年度沖淤變化圖,其中正值表示淤積,負(fù)值表示沖刷。由圖5a可見,樁基附近500 m 范圍內(nèi)發(fā)生了較大的沖淤變化過程,尤其是樁基西側(cè)的海底斜坡,最大淤積深度達(dá)到了5 m 左右,其原因可能與某次或幾次極端海洋動力變化相關(guān)。圖5b為樁基周圍100 m 范圍局部沖淤變化圖,由圖可見,樁基西南側(cè)明顯發(fā)生沖刷,最大沖刷深度超過2 m,在樁基東側(cè)產(chǎn)生少量淤積,淤積深度約0.5 m,從沖淤形態(tài)上看,樁基附近不沖不淤的形狀類似“X”形狀,其原因可能是在潮流動力長期作用下形成的沖淤形態(tài)。

圖6給出了2020年4-5月的月度沖淤變化。由圖6a可見,樁基附500 m 范圍內(nèi)沒有發(fā)生較大的沖淤變化過程,海床基本處于穩(wěn)定的狀態(tài)。圖6b為樁基周圍100 m 范圍局部沖淤變化圖,由圖可見,樁基北側(cè)和東側(cè)發(fā)生少量沖刷,沖刷深度約為1～2 m,其他方向均較穩(wěn)定,處于不沖不淤狀態(tài)。綜上所述,在正常海洋水動力環(huán)境下,樁基局部最大沖刷深度已經(jīng)達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 樁基周圍月度沖淤變化圖Fig.6 Monthly variations of the scouring and silting around the pile foundation

3 樁基局部沖刷公式及應(yīng)用

3.1 樁基局部沖刷公式

3.1.1 韓海騫公式

韓海騫通過物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù),經(jīng)過量綱分析得到潮流作用下樁基礎(chǔ)局部沖刷深度計(jì)算公式[1],通常簡稱其為韓海騫公式:

式中:hb為潮流作用下樁基礎(chǔ)最大沖刷深度(m);h為全潮最大水深(m);B為最大水深條件下平均阻水寬度(m);d50為泥沙中值粒徑(m);F r為弗汝德(Froude)參數(shù);u為全潮最大流速(m/s);K1為基礎(chǔ)樁平面布置系數(shù);K2為基礎(chǔ)樁處布置系數(shù)。

韓海騫公式適用于單純水流條件下的強(qiáng)潮流作用時的局部沖刷計(jì)算,而實(shí)際海域中存在波流共同作用,根據(jù)《港口航道與水文規(guī)范》[7]中波浪水質(zhì)點(diǎn)平均流速公式計(jì)算波浪對局部沖刷的影響,再進(jìn)行潮流流速的疊加,從而得到波流共同作用下的最大流速,波浪水質(zhì)點(diǎn)平均流速計(jì)算公式為

式中:u為波浪水質(zhì)點(diǎn)的平均流速(m/s);H為有效波高(m);h為水深(m);k為波數(shù),T為波周期(s)。

3.1.2 王汝凱公式

Wang和Herbich[2]在波浪水槽中做了波流共同作用下的普遍沖刷試驗(yàn)和孤立樁周圍沙基沖刷試驗(yàn)。通過量綱分析得到相對沖刷深度的經(jīng)驗(yàn)公式,通常簡稱為王汝凱公式:

式中:Sul為樁基礎(chǔ)最大沖刷深度(m);Nf為水流的Froude數(shù)的平方;Ur為Ursell數(shù);Ns為顆粒sediment數(shù);Nrp為樁的雷諾數(shù);D為樁徑;L為波長(m);V為行進(jìn)流速(m/s);Vfw為波流合成速度(m/s);h為行進(jìn)水深(m);g為重力加速度(m/s2);ρs為泥沙干密度(kg/m3);ρ為水密度(kg/m3);d50為泥沙中值粒徑(mm);ν為水的運(yùn)動黏滯系數(shù)(m2/s)。

3.1.3 樁基局部沖刷范圍

沖刷坑的范圍可以用沖刷坑半徑表示,其計(jì)算公式[3]為

式中:r為沖刷坑半徑(m);S為沖刷坑的最大深度(m);φ為土體內(nèi)摩擦角(°)。

3.2 局部沖刷公式參數(shù)敏感性分析

3.2.1 全潮最大流速

工程海域全潮測驗(yàn)實(shí)測流速成果表明,各測點(diǎn)最大流速介于1.2～1.5 m/s。圖7對比了局部沖刷公式在不同流速作用下的最大沖刷深度。由圖7可見,樁基局部最大沖刷深度隨流速的增大而增大;韓海騫公式在疊加了波浪作用下的沖刷深度后比未疊加時增大了7%～12%;王汝凱公式計(jì)算值比韓海騫公式計(jì)算值偏大20%～40%,并且隨著流速的增大,沖刷深度增大值更加顯著。

3.2.2 中值粒徑

根據(jù)場址底質(zhì)調(diào)查結(jié)果,表層沉積物中值粒徑為0.14～0.32 mm,平均值為0.21 mm,并且南部沉積物明顯粗于北部。圖8對比了局部沖刷公式在不同中值粒徑條件下的最大沖刷深度。由圖8可見,韓海騫公式?jīng)_刷深度計(jì)算值隨粒徑的增大而增大,在疊加了波浪作用下的沖刷深度后比未疊加時增大了8%;王汝凱公式?jīng)_刷深度計(jì)算值隨粒徑的增大而減小,并且其敏感性較大。原因?yàn)轫n海騫公式主要針對錢塘江的樁基礎(chǔ),中值粒徑取值范圍較廣;而王汝凱公式是波流共同作用下孤立樁的沖刷試驗(yàn),適用于無黏性的細(xì)砂與中粗砂。

3.3 局部沖刷實(shí)測值與計(jì)算值對比與分析

根據(jù)2019年現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)及相關(guān)資料,用于樁基局部沖刷計(jì)算的部分參數(shù)見表1。樁基局部沖刷實(shí)測值與3個經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值的對比結(jié)果見表2。在砂袋與砂被復(fù)合保護(hù)下,樁基實(shí)測最大局部沖刷深度為4.0 m,最大沖刷深度與樁徑之比為0.57。3個經(jīng)驗(yàn)公式的最大沖刷深度與樁徑之比均超過了1.1,由王汝凱公式計(jì)算的樁徑之比達(dá)到了1.64。樁基的沖刷坑半徑的公式計(jì)算值與現(xiàn)場實(shí)測值吻合較好,尤其是韓海騫公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值基本一致。3個經(jīng)驗(yàn)公式是在不同環(huán)境條件下總結(jié)得到的,均有各自的適用條件,在工程設(shè)計(jì)上有著廣泛的應(yīng)用。由于本文實(shí)測樁基采取了有效的防沖刷設(shè)施,改善了樁基周圍的局部水動力條件,所以沖刷深度明顯小于各經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值。

圖7 最大流速的影響Fig.7 The influence of maximum flow velocity

圖8 中值粒徑的影響Fig.8 The Influence of median diameter

表1 局部沖刷公式相關(guān)參數(shù)表Table 1 Table of parameters related to the local scour formula

表2 局部沖刷公式計(jì)算值與實(shí)測值對比Table 2 Comparison between values calculated by using local scour formula and measured in-situ

綜上,雖然樁基礎(chǔ)周圍的砂袋與砂被復(fù)合防沖刷設(shè)施取得了一定的效果,但是伴隨著已經(jīng)形成的沖刷坑,在極端海洋動力作用下,工程海域的海床穩(wěn)定性較差,樁基周圍可能會發(fā)生進(jìn)一步?jīng)_刷。所以,在工程運(yùn)行階段,建議定期開展樁基礎(chǔ)局部沖刷深度監(jiān)測,防止沖刷坑進(jìn)一步加深導(dǎo)致樁基失穩(wěn)。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)湛江某海上風(fēng)電場樁基3次現(xiàn)場局部沖刷實(shí)測數(shù)據(jù),進(jìn)行沖刷坑最大深度、沖刷坑半徑和沖淤變化特征的分析,研究結(jié)果表明:

1)樁基在砂袋與砂被復(fù)合保護(hù)下,局部沖刷坑呈現(xiàn)出明顯的圓形漏斗狀,沖刷坑的最大深度變化量較小,基本維持在4 m 左右,最大沖刷深度與樁徑之比為0.57,沖刷坑半徑為15 m。在正常海洋動力條件下,認(rèn)為樁基局部最大沖刷深度已經(jīng)達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)。

2)通過2020年與2019年實(shí)測樁基周圍地形對比,2020年的樁基礎(chǔ)西側(cè)斜坡明顯向西移動了約50 m,說明此處發(fā)生過較大的海床淤積過程,工程海域海床穩(wěn)定性較差,在極端海況下容易發(fā)生整體性變化。

3)通過樁基局部沖刷經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值與現(xiàn)場實(shí)測值對比可知,經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的最大沖刷深度與樁徑之比均超過了1.1,明顯高于實(shí)測值,說明樁基防沖刷設(shè)施取得了一定的效果,沖刷坑半徑的計(jì)算值與現(xiàn)場實(shí)測值吻合較好。

4)建議海上風(fēng)電場在運(yùn)行階段定期進(jìn)行樁基沖刷坑監(jiān)測與防護(hù)。