海水沖刷效應(yīng)對海上風(fēng)機(jī)樁基承載性能的影響分析 風(fēng)能利用是目前國內(nèi)外新能源開發(fā)的熱點。國際上陸地風(fēng)電場經(jīng)過多年發(fā)展已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化建設(shè)階段海上風(fēng)能利用是近年發(fā)展起來的具有巨大開發(fā)潛力的綠色可再生能源。海上風(fēng)電的優(yōu)勢在于其占地面積少風(fēng)速大風(fēng)向穩(wěn)定且風(fēng)能利用率高。因此我國沿海區(qū)域都在積極推進(jìn)海上風(fēng)電場的建設(shè)工作。海上風(fēng)電場所處自然環(huán)境比陸地惡劣結(jié)構(gòu)所

受荷載更加復(fù)雜且量級更大因此當(dāng)海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)周圍土體被水流帶走形成沖坑時樁基埋深減小樁側(cè)向位移與豎向承載力等性能將受到嚴(yán)重影響。然而在實際工程中建造風(fēng)電場時往往未考慮或不能準(zhǔn)確預(yù)測水流沖刷深度沖刷前后樁基礎(chǔ)的承載力及其變形情況目前還鮮有研究。本文結(jié)合擬建渤海灣某風(fēng)電場工程根據(jù)當(dāng)?shù)睾^(qū)海洋動力地質(zhì)條件資料。利用國內(nèi)外應(yīng)用較多并得到廣泛認(rèn)可的局部沖刷經(jīng)驗公式計算局部沖刷深度明確沖刷作用對樁基的影響是不可忽視的。在確定沖刷深度后結(jié)合實際工程設(shè)計參數(shù)計算分析沖刷前后樁基承載力變形與沉降量等的差異確定設(shè)計時需要預(yù)測沖刷深度并在樁基設(shè)計時予以充分考慮(圖1)。2. 以下介紹國內(nèi)外常用并得到廣泛認(rèn)可的局部沖刷深度計算方法。221Breusers根據(jù)大量恒定流試驗數(shù)據(jù)，Breusers等人［5］給1由于有樁體的存在樁基礎(chǔ)附近的水流速度分布將發(fā)生如下改變:在結(jié)構(gòu)物迎流面產(chǎn)生向下的水流且流速增加在基礎(chǔ)靠近泥面處形成馬蹄形旋

=f1ktanhhf2f3 4)式中:S為沖刷深度;D為直徑;k為系數(shù)實驗擬合時k1.5;當(dāng)設(shè)計計算時k2.0。f1 f1 = 當(dāng) 0. ( U U U渦［1］。當(dāng)基礎(chǔ)泥面附近流速超過臨界流速時沉積物發(fā)生移動此時可以認(rèn)為在結(jié)構(gòu)物底部周圍發(fā)生

f1

－

當(dāng)0.5≤ ≤1.(沖刷

f1U= 當(dāng)U≥1. (確定臨界流速成為判斷沖刷是否發(fā)生的重要 準(zhǔn)在計算樁基周圍的沖刷深度前應(yīng)先判斷該區(qū)域是否會發(fā)生局部沖刷。以下給出國內(nèi)外應(yīng)用普遍的臨界流速計算方法。

式中U為平均流速Uc為臨界流速f2為圓形截面10f3為取決于水流入射角10。對于圓形柱式(4)可歸一為211HancuEscarameiaHancu

S222Sumer

=ktanhh

(計算HRWallingford的實驗數(shù)據(jù)比較驗證了該計算方法的準(zhǔn)確性［2］。Hancu給出的計算公式

a圓柱恒定流沖刷。Breusers的大量實驗數(shù)據(jù)Sumer等人［5］給出了恒定流沖刷平衡沖坑

)0. (

S=1.

σS/

=0. (式中s為沉積物比重a為當(dāng)時，a10d9007mm時a12～14g為沉積物中值粒徑h

式中

S/

SD的標(biāo)準(zhǔn)差重力加速;為水深

(b)圓柱波浪沖刷。Suer］實驗圓柱在波浪作用下的沖刷情況得出如下圓柱波浪平衡沖刷深度公式:沖刷計算公式為

=Kh1/6d1

(

KC6時

=1.3(1－e－0.03(KC－6))(

Um式中Ku為常數(shù)619

其中KC

Um13沙莫夫散體泥沙臨界流速方法

式中:Tp為波浪周期;σU為局部流速的均方差。KC很大時沖刷深度接近恒定流沖刷深度Uc=1．

(s－1)gd50(h/d50) (

3D該沖刷深度也在挪威船級社(DNV)目前國內(nèi)外計算樁基局部沖刷深度的經(jīng)驗公式較多本文根據(jù)近期引用普遍綜合性高等因素，著重介紹四種沖刷深度計算方法。

于計算疲勞與極限承載力條件下的海上風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計。EC18沖刷深度公式是由美國科羅拉多大學(xué)的研究者通過實驗室實驗數(shù)據(jù)得出］。作為標(biāo)準(zhǔn)方法被美國高速公路局計算橋樁沖刷深度的計算。該方法同時適用于濁水與清水沖刷由于該方程最初是用于橋樁基沖刷深度預(yù)測故沒有考慮潮

10U≤Ulp時為濁水沖刷D=KsD=Ksf1(D)2.2 h U－UcUlp－+2.5f3(D)Ulp－U

(汐環(huán)境的影響預(yù)測最大沖刷深度公式

當(dāng)UUlp時

Ulp－S h

0.

0.

D=2.0K1K2K3K4D

(

=Ks2.2tanhh0.4

(Fr=(gh)0. (式中h為水深K1K2K3K4為待定系數(shù)D為樁徑FrFroud系數(shù)U為流速g為重力加速度。對于圓形柱，K110，K210。K3的確定取1系數(shù)K3N/1.N/1.0631.3091.2～1.901.d502mmd9520mm時K410當(dāng)無大型沙丘且海床沉積物粒徑在d50d9520mm范圍中時計算公式可歸一為

2. 結(jié)合渤海某海上實驗風(fēng)電場工程設(shè)計參數(shù)預(yù)測單樁基礎(chǔ)附近泥沙沖刷深度。計算該海域的臨界流速并與實測的風(fēng)電場海域平均流速比較若平均流速大于臨界流速則樁基周圍泥沙啟動利用2.2節(jié)介紹的方法計算沖刷深度分析各種方法的適用條件最后給出該工程單樁基礎(chǔ)的局部沖刷深度。該海域水文實測資料與地質(zhì)參數(shù)參見表2將21節(jié)所述臨界流速計算公式中得3所示。2/m//d50/h/0.4.0.26.2.S=2.2h0.65Fr0. (224Jones＆Sheppard(a)清水沖刷深度公式047≤U≤10時

3臨界流速(mHancu0.0.0.臨界流速066～038ms之間09ms則樁基附近泥沙啟動形成沖坑。取臨界流速045ms進(jìn)行沖刷深度=Ks2.5f1hf2Uf3

(

計算。計算所需當(dāng)?shù)厮馁Y料按表4所示。應(yīng)用示其中示

12節(jié)所述沖刷深度計算方法得到結(jié)果如表5f1h=tanhh0.4 U

4HTLvm26.HTLvm26.11.170.10－f3D

1.

－0.

0.4(D/d50

+10.6(D/d50

5BreusersSumerJones＆SheppardBreusersSumerJones＆Sheppard6.5.2.3.流速Ks為形狀系數(shù)Ks10(b)濁水沖刷深度公式在樁基礎(chǔ)直徑為4.3m時局部沖刷深度范圍在2.28m到6.30m計算最小深度達(dá)到2.28m而海上結(jié)構(gòu)物所受荷載以水平向為主。水平向荷載由結(jié)構(gòu)向土體傳遞時越靠近土層表面樁基礎(chǔ)傳遞水平向荷載越大。因此當(dāng)樁基礎(chǔ)周圍產(chǎn)生沖坑對基礎(chǔ)的承載性能尤其是側(cè)向承載性能影響較大。在樁基礎(chǔ)的設(shè)計中需要充分考慮沖刷對樁基礎(chǔ)的影響。這四個方法中，Breusers方法計算恒定流作用下沖刷深度沒有考慮波浪作用。而該工程水深為26.0m而波高為6.60m。波浪對海底泥沙作用不明顯可以按恒定流方法計算其中系數(shù)k取1.5，設(shè)計時Beues建議值為2.0。利用Suer方法計算時計算得KC=11.73按波浪為主要作用因素計算沖刷深度為1.88m但該樁基礎(chǔ)所處水深26.0m，波高6.60m水深較深波浪對海底海床作用不明顯故可按恒定流計算計算沖刷深度為5.46moneSheppad方法屬于濁水沖刷情況即1.0＜Uc/U＜Ulp/U該方法不僅考慮了樁徑與水深而且也計算了泥沙顆粒粒徑對沖刷深度的影響其計算方法的準(zhǔn)確性也得到多位學(xué)者實驗數(shù)據(jù)的驗證。550m沖刷深度來根據(jù)渤海某海上風(fēng)電場單樁基礎(chǔ)的設(shè)計條件，采用啟明星工程設(shè)計軟件計算水流沖刷前后樁基承載性狀變化情況。選用華銳某型號風(fēng)機(jī)設(shè)計參數(shù)。基礎(chǔ)類型為直徑4.3m的單樁式基礎(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)計埋深為29.0m海平面高程為±0.0流速為0.9m/s50年一遇波高6.6m周期為11.8s。參考該工程的地質(zhì)報告:第一63m粉砂第二層為23m粘土以下土層及以海平面高超為00，沖刷前泥面高程為260m550m沖刷前后豎向荷載與承載力結(jié)果6所示:6承載力平均荷載10768.9206.550m10397.10135.

沖刷前平均荷載與承載力比值為085，計算550m沖刷深度后的比值097。由表6可見當(dāng)泥550m后樁身側(cè)摩阻力減小樁豎向承載力減小。同時550m樁身作為結(jié)構(gòu)荷載加入的計算43m內(nèi)灌有混凝土，1000kN。軸向荷載增加對軸向位移值有明顯影響。故計算樁基礎(chǔ)沖刷前后的沉降值進(jìn)行對比分析沖刷前泥面高程－26.0m沖刷后泥面高程為－31.5m。計算結(jié)果高程—樁基礎(chǔ)沉降量曲線如圖2所示:2高程—由圖2可以看出沖刷后樁基礎(chǔ)整體下沉樁頂260m15mm。沖刷前后樁基礎(chǔ)水平承載力變化直接影響到風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的整體安全級穩(wěn)定性。經(jīng)計算得到:沖刷前泥面高程為－26.0m時水平承載力為14258.6kN沖刷后樁基水承載力為12309.2kN。由于樁基水平承載力越靠近泥面?zhèn)鬟f的荷載越大當(dāng)沖刷后泥面下降5.50m即基礎(chǔ)埋深減小基礎(chǔ)的水平承載力降低明顯減少1949.4kN。采用考慮循環(huán)荷載的P—Y曲線法計算樁基礎(chǔ)的側(cè)向變形計算結(jié)果高程—側(cè)向變形曲線如圖33高程—3可見沖刷后樁頂26m處側(cè)向3144mm，沖刷前樁頂位移值為2335mm，809mm346675m到500m之間樁身反方向側(cè)向位移在沖刷后增大約1.0mm(增大百分比50)。結(jié)論目前學(xué)者對海洋結(jié)構(gòu)物周圍的局部沖刷深度計算研究已經(jīng)比較透徹但在海上風(fēng)電場建設(shè)中樁基礎(chǔ)局部沖刷對樁基礎(chǔ)承載性能的研究還尚不明確。本文通過研究國外四種應(yīng)用普遍的局部沖刷深度計算方法分析適用條件與預(yù)測的確性結(jié)合渤海某海上風(fēng)電場基礎(chǔ)設(shè)計計算局部沖刷深度對單樁基礎(chǔ)的影響根據(jù)全文分析得出如下主要結(jié)論:(1)基于目前國內(nèi)外應(yīng)用較普遍的