海上风电单桩基础局部冲刷研究进展
海上风电单桩基础防冲刷抛石施工技术
海上风电单桩基础防冲刷抛石施工技术海上风电单桩基础防冲刷抛石施工技术，那可真是个大工程，咱们可得好好聊一聊。
听到“海上风电”几个字，大家第一反应肯定是：风车！对吧？不过这个风车不是普通的风车，不是那种你在田野里看到的，哗啦啦转着的玩意儿，这个是“巨无霸”，在海上耸立的那种，个头大得不行！不过不管多大的风车，咱们得先做好基础工作。
你说，是不是每个“大楼”都得有个结实的地基，风电平台也不例外。
问题就来了，海上水深，浪大，水流快，怎么让这些巨大的风车稳稳地屹立在大海中？这时候，单桩基础就成了关键。
说到“单桩”，大伙也许会有点迷糊。
单桩就是一个大铁柱子，打进海底，支撑起风电机组。
想象一下，它就像一根大大的柱子，立在海底，承受着风车的巨大重量。
嗯，光有这根柱子可不行，还得考虑到一个问题——冲刷。
你知道的，海浪不断地拍打，水流一冲，这基础不牢固，风车就有可能岿然不动，甚至有点“动摇”的危险。
那怎么办呢？防冲刷就成了施工中的大难题了。
这个防冲刷可不是儿戏，说起来有点像是在“给海底打个‘防晒霜’”。
海底的水流就像是一群顽皮的小孩子，不停地在周围打转。
如果不加以防范，时间一长，周围的泥土、沙子就会被冲走，桩基就可能露出来，甚至倒塌。
为了让桩基保持稳固，这时就需要一种叫做“抛石”的技术。
你别看“抛石”听着挺简单，实则里面学问大着呢。
抛石施工其实挺考验技术的。
操作工人得精准地把石头一块块抛到桩基周围，这些石头的目的就是“挡水”，形成一个天然的“防护层”，让海水不能轻易侵蚀桩基。
别看这些石头是“调皮捣蛋”，但它们可是构成了防冲刷的第一道防线！每块石头的大小、形状、投放位置都得严格控制，太小了不够坚固，太大了就会让水流绕过去，不管用。
说起来，抛石施工不光是抛几块石头就完事了。
可得讲究技巧，工人们得在海浪不断冲击的环境中精准操作，简直比打高尔夫还讲究。
海上风大浪急，风电平台本身的稳定性、施工船只的起伏，都让这项工作变得格外不容易。
海上风电单桩基础防冲刷固化土施工质量控制
海上风电单桩基础防冲刷固化土施工质量控制◎ 林善懿 中交三航局第六工程（厦门）有限公司摘 要：随着海上风电项目的大量投入使用，合理有效的地基防冲刷措施将直接关系到风机的安全性和稳定性。
本项目以淤泥质海洋风电场为对象，开展基于淤泥质海底风机桩基的抗冲防护研究。
最后，将该方法在山东半岛南海上风电V场址工程中进行了实际应用，取得了较好成果。
关键词：海上风电；桩基；冲刷；修复；固化土1.引言当前，我国已投入使用的海上风力发电工程多采用重力式、导管架、单桩、台阶式、三柱式等多种型式，而山东、江苏沿海地区的风机多为单桩基础，具有工期短、成本低等特点。
风电机组投入运行后，冲刷问题难以避免，由于其造成的桩周土体深度减小、风机振动频率下降、桩基变形等，严重影响整个风机的安全，也给风机带来了极大的安全隐患。
冲蚀结束后，要按照冲坑的深度，对桩周进行补强、修复，选择冲刷修补程序是很重要的，修补后要避免二次冲刷，通过对加固土的研究与应用，可以有效地避免二次冲刷。
2.工程概况某项目的风机基础采用单桩基础，风电机组基础设计等级为甲级，结构安全等级为一级，基础设计使用年限为25年。
风机单桩基础结构主要由单桩基础钢管桩主体结构和内外平台、爬梯、靠船构件及外加电流系统等附属构件组成，项目共有71个单桩基础，本标段承担23个单桩基础施工工作。
钢管桩桩顶直径7.0m，桩底7.4～8.4m，桩长为72m～87m，平均桩重约1100t。
详细的技术要求，请参阅技术章节及图纸。
以海底地形为基准进行扫描，每台机位泥表面高程与勘测图纸相差不大。
3.淤泥固化抗冲刷防护技术3.1固化技术原理本项目拟将淤泥固结在近海桩基础的防冲防护中，以海底淤泥为原料，经无机复合胶凝材料固化，然后通过便捷式管道泵送，将超高含水量的淤泥固结土体直接吹填到桩周海床上。
利用高含水量固化土浆的自流性，使其自动流动到需要保护的区域，从而实现对桩基础周围各种条件的冲刷。
超高含水量淤泥固结泥浆从液体逐渐过渡到耐冲的固体连续体，并随凝结时间的推移而不断生长，最后在桩周土体中形成整体式的固化土护底结构。
考虑冲刷情况下海上风电单桩基础优化设计研究
考虑冲刷情况下海上风电单桩基础优化设计研究杨少磊;马宏旺【摘要】冲刷是海上风电单桩基础设计中需要经常面对的问题,工程中一般采用冲刷保护装置或增加桩长来抵抗冲刷.但简单增加桩长是否经济合理,目前缺乏足够的研究分析.鉴于此,文中建立了考虑冲刷情况下海上风电单桩基础的优化设计模型,其中桩周土冲刷深度和范围以及桩-土相互作用根据DNV规范的公式进行计算.在优化过程中,以单桩基础最小重量为优化目标,以桩身强度和桩端转角为约束条件,以桩径、壁厚和桩长为优化参数,采用ANSYS APDL中OPTYPE的FIRST优化算法.并针对一实际工程案例,完成考虑冲刷和不考虑冲刷情况的优化设计.研究结果表明考虑冲刷发生情况下,适当增加桩径和壁厚比直接增加桩长更经济合理.【期刊名称】《海洋技术》【年(卷),期】2018(037)001【总页数】7页(P74-80)【关键词】海上风电;单桩基础;结构优化;冲刷;P-Y曲线【作者】杨少磊;马宏旺【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院土木工程系,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院土木工程系,上海200240【正文语种】中文【中图分类】P752风能是世界上最清洁环保的可再生能源之一，自20世纪末以来逐步受到各国重视，对其研究投入不断增长。
海上风能资源丰富、空间区域广阔，自1991年丹麦建成了世界上首座海上风电场以来，海上风电场逐渐成为风力发电的开发重点[1]。
相比于陆上电场，海上风电场工程投资中土建工程量所占比重更高。
统计资料表明，土建工程造价在较深海域时约占海上风电场总造价的30%[2],故怎样在保证海上风电基础设计安全的基础下，降低建造成本是海上风电发展的一个关键问题。
目前，国内外已建成的海上风电场主要采用了以下几种基础形式：单桩基础、重力式基础、三脚架基础、导管架基础和承台式基础，其中单桩基础是应用最广泛的基础形式。
在海上风电单桩基础设计中，往往要遇到冲刷问题，冲刷会减少桩的入土深度，降低海上风电结构自振频率、增加结构位移，严重影响整体结构的使用性和安全性。
海上风电场风机桩基局部冲刷计算
２ ２ 年 ２ 月 ０１
水
道
港 口
Ｖ０ ．３ Ｎｏ １ １ ３ ．
Ｆｂ ２ ２ ｅ ． ０１
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＷ ａｅｒ ｙ ａ ｄ Ｈａ ｂ ｒ ｏ ｒ ａ ｔ ｗａ ｎ ｒ ｏ ｏ
海 风电 风 桩 局 冲 计 上 场 机 基 部 刷 算
Ｂ ｏ ｒ ｐ ｙ ＷＡ Ｇ Ｗｅ ｙ ａ （ ９ ５ ） ｍ ］ ，ｎ ｉｅ ｒ ｉｇ ａ ｈ ： Ｎ ｉ ｕ ｎ １ ８ － ， ａ ｅ ｇｎ ｅ． — ｅ
５ ８
水
道
港 口
第３ ３卷第 ｌ 期
２ 经 验公 式 及 其验 证
目前 ， 内用 于计算 波浪 、ห้องสมุดไป่ตู้国 潮流作 用 下桩 基局 部 冲刷 深
收 稿 日期 ：０ １ ０ — ２ 修 回 日期 ：０ １０ — ５ ２ １－ ４ １ ； ２ １ － ８ １ 基 金 项 目 ： 东 院科 技 项 目（ Ｙ ０ ９ ０ — ６ 华 Ｋ ２０— ２０ ） 作 者 简 介 ： 卫 远 （９ ５ ）男 ， 苏 省 东 海 县 人 ， 程 师 ， 王 １８一 ， 江 工 主要 从 事 河 口海 岸 动 力 学 方 向研 究 。
计 算 拟建 工程 风 机桩 基 的局部 冲刷 深度 。
１ 工 程 场 区概 况
拟建 的某 风 电场 工程 位 于大 丰 港外 海 的 东沙 北 部 海域 ， 划 安 装 ８ 计 ０台单 机容 量 为 ２５ＭＷ 的风机 ， ． 总
装 机 容 量 ２０ＭＷ。 表 风 机 所 处水 深 约 为 一 ．０ｍ（ １ 。 据 设 计 资 料 ， ０ 代 ２３ 图 ）根 风机 桩 径 有 ２１ ． ｍ三 桩基 础 和 ０ ４３ ．０ｍ单桩 基 础 ２ 备 选方 案 ， 个 海洋 动力 环境 和底 质 中值 粒径 等参 数见 表 １ 。
复杂动力环境下海上风电单桩基础冲刷研究进展
46海洋开发与管理2018年 S 1复杂动力环境下海上风电单桩基础冲刷研究进展管大为1,2,张继生1,2,赵家林1,2,李嘉隆1,2(1.海岸灾害及防护教育部重点实验室河海大学 南京 210098;2.河海大学港口海岸与近海工程学院 南京 210098)基金项目:国家自然科学基金项目(51709082),中央高校基本科研业务费项目(2018B 13014)摘要:文章从桩基 土体相互作用与传统桩基冲刷两个方面对国内外复杂动力环境下海上风电单桩基础冲刷相关研究进行了系统的回顾与分析,总结了这两个方面研究中各自存在的不足㊂为了使研究成果更贴近工程实际,建议该领域未来的研究中应同时考虑传统冲刷研究中的水动力荷载与桩基在复杂荷载作用下的循环振动响应,深入探究冲刷过程对风机单桩基础结构动力特性的影响,揭示复杂荷载动力条件下风机单桩基础附近的冲刷机理,进一步优化现有冲刷防护设计㊂关键词:海上风机;单桩基础;冲刷;复杂动力环境0 前言当前,中国经济已发展成为高度依赖海洋的外向型经济,对海洋资源㊁空间的依赖程度大幅提高, 建设海洋强国 国家发展战略具有重要现实意义与战略意义,是中华民族永续发展㊁走向世界强国的必由之路㊂近海可再生能源工程建设的发展在中国的 建设海洋强国 战略任务中有着极其重要的支撑作用㊂海洋作为地球水资源中最为重要的组成部分,蕴涵着巨大可再生能源㊂随着全球海洋贸易的快速发展和人类对海洋资源的深度探索,我国对近海可再生新能源(包括波浪㊁潮流和风场)的开发与利用在不断升温,较大程度地带动了对海上建筑物抵御波浪㊁潮流冲刷能力的研究㊂作为可再生能源的代表,风能因其分布广,可持续性好,无污染等特点广受青睐㊂国家能源局于2016年11月最新发布的‘风电发展 十三五 规划“明确指出,到2020年,全国海上风电开工建设规模将达到1000万k W ,力争累计并网容量达到500万k W 以上,总投资超1600亿元㊂1 海上风机单桩基础动力环境及冲刷分析海上的环境比陆地上要恶劣得多,与陆地上的荷载相比,海上的荷载主要是动力荷载,除地震以外,还有风㊁波浪㊁流甚至冰等水平荷载,因此海上风机的建设较陆上风机需要更为先进的工程技术给予支撑㊂在过去的10年间,海上风机的尺寸变得越来越大,为了尽可能地降低成本,海上风机被建成了非常细长的柔性结构,不恰当的基础设计极有可能造成风机结构在风或波浪等作用下的共振破坏[1-2]㊂如何保障海上风机在风㊁浪㊁流及地震等频率迥异的动荷载作用下的安全稳定仍是目前研究的重点和难点㊂海上风机桩基础的安全设计中最重要且难度最大的一个环节便是预测复杂海洋动力条件下的桩基础最大冲刷深度,不足或过于保守的冲刷设计深度将分别导致建筑物的失稳破坏可能性的增加或施工成本的大幅上浮㊂据统计,目前世界范围内已建近海风机基础中75%都使用了大直径单桩基础[3],因此欧洲传统的风电强国积累的风机基础设计经验也主要集中在大直径单桩基础上,涌现出了一大批单桩基础在波流共同作用下的冲刷及防护设计方法㊂大直径单桩基础是一种极有潜力的新型近海风机基础型式,与一般的桩基础相比,它具有更大的直径,直径一般在3~8m ,壁厚一般在30~60mm ,长径比也较传统的桩基小很多,一般在10m 左右(图1)㊂S 1管大为,等:复杂动力环境下海上风电单桩基础冲刷研究进展47图1 超大直径单桩基础示意图[4]大直径单桩造价较低㊁施工方便,适用于黏土㊁粉土㊁沙土等各种土质海床中㊂正是鉴于这些优点,大直径单桩在欧洲国家近海风电开发中得到广泛应用,更被海上风电开发行业应用最广泛的D N V(D e tN o r s k eV e r i t a s 挪威船级社)规范推荐为近海风机在30m 以下水深中的最优基础形式[5-6]㊂尽管如此,关于海上风机单桩基础的冲刷设计仍然存在明显不足,如,现行设计方法中从未考虑桩体结构在动力荷载下的振动对桩基础周围沙土冲刷过程以及防护的影响㊂相关最新研究表明[6-8],桩基在水平循环动荷载作用下与土体的相互作用将更加复杂,根据不同的土体特性可能导致迥异的工程结果㊂图2 海上风机单桩结构和土体在复杂动力环境中的响应关系在海岸与近海工程中,单桩基础是最为常见的支撑结构之一,凭借其生产与施工的便捷性,在各类建筑结构上得到了广泛应用㊂在水流与波浪的作用下,桩基础的冲刷是威胁建筑物稳定与安全的主要因素㊂除此以外,单桩基础结构在海上风机建设应用时还存在着周期性的风㊁浪㊁流荷载以及风机叶片转动所引发的振动问题㊂桩体结构的这种振动响应不仅可能引起风机的疲劳损伤[9-10],也会传递至桩基并作用于桩基周围的土体,改变土体的密实度㊁孔隙水压力等物理特性,同时引发风机基础及风机整机产生永久的累积水平变形[11-12]㊂图2描述了海上风机单桩结构和土体在复杂动力环境中的响应关系㊂2 国内外研究现状及发展动态分析2.1 单桩基础与土体相互作用机理为保证风机正常运行期间的使用性能,必须严格限制风机基础的水平变形,中国规范要求高度在100m 以上的风机,基础转角不得大于0.17ʎ[13]㊂风机基础的累积变形受诸多因素影响,包括土体的初始特性㊁应力状态㊁极高循环次数下土的应力应变关系的非线性㊁基础与土接触面的接触非线性(脱开㊁滑移㊁破坏等)等㊂近年来随着科技和工程人员对现场风机环境的进一步熟悉,极高水平动荷载循环次数下风机桩体及土体的动力响应成为了国际上研究的热点㊂L o m b a r d i 等[2]在饱和黏性土基的条件下研究了单桩结构受水平循环动荷载作用的动力响应,发现振动周期次数的增加会使得桩体的固有频率降低和临界阻尼上升㊂而Y u [8]和N i k i t a s 等[11]在观测干性无黏性沙土条件下单桩结构受水平循环荷载的动力响应时,得到了相反的结论,他们发现随着振动周期次数的增加,桩体的固有频率得到了提升而临界阻尼不断下降㊂以上两种迥异的结果源于桩基周围土体初始特性的不同,对于饱和黏性土地基,桩身水平循环动荷载作用下向周围土体传递的水平循环挤压使土体的孔隙水压力增加,引起液化,导致桩基周围的土体刚性减弱,从而降低了桩体的固有频率和升高了阻尼;对于干性非黏性沙土地基,则不会出现孔隙水压上升的液化情况,桩身的高循环振动会使桩基周围的沙土变得更为密实,增加了基础的刚度,从而升高了桩体的固有频率降低了阻尼㊂以上研究增加了我们对水平动荷载循环作用下风机单桩基础和土体相互作用的认识,但均没有考虑海洋环境中单桩基础在波流共同作用下的冲刷过程㊂在真实环境中,单桩基础与土体的相互作用的同时还伴随着冲刷的发展,冲刷坑的形态变化对桩体的结构动力特性以及桩基承载力都会产生显著影响㊂近年来关于冲刷对桩体动力响应和土体结构48海洋开发与管理2018年影响的研究已经有了一些呈现,但还比较有限㊂L i n 等[14]开展了桩体受顶部水平静荷载下冲刷对桩体动力响应和桩基附近土层结构影响的研究,他们发现在非黏性沙土条件下,模拟的冲刷会大量带走桩基周围的土体从而降低沙土基础整体的水平阻力,并增加桩体上部的位移㊂M o s t a f a[15]采用数值模拟研究了冲刷对单桩结构在不同土体条件下的水平动力响应的影响,他得出的结论与L i n等类似,但更进一步地发现土体的初始密实度会改变冲刷对桩体水平动力响应的影响程度㊂P r e n d e r g a s t等[16]对现场大尺度单桩结构进行了试验研究,发现随着单桩基础局部冲刷深度的增加,桩体的固有频率大大降低,并提出可以通过实时监测桩体固有频率来预测单桩基础的局部冲刷深度[17]㊂这些研究虽然证明了单桩基础局部冲刷可以对单桩结构的动力特性和沙土地基产生影响,但其所研究对象均是水平静荷载作用下的单桩结构,且冲刷过程的模拟都是在无水条件下人工移除桩基周围的土层,忽略了真实环境下的波㊁流荷载作用㊂2.2传统单桩基础冲刷在过去的半个世纪中,关于非黏性沙床中的单桩基础结构仅在水流作用下的冲刷问题得到了较为透彻的研究[18]㊂主要的研究涉及桩基础附近的流场特性[19-20]㊁桩基础的清水冲刷过程[21-22]㊁动床冲刷过程[23-25]以及冲刷坑发展的规律[26-27]及最终平衡状态下的冲刷深度预测等[18,28]㊂在水流单独荷载作用下,引起桩基础冲刷的主要原因是在桩基周围所产生的下潜漩涡㊁马蹄形漩涡和尾迹漩涡结构㊂考虑海洋工程中的波浪荷载环境,单桩基础的冲刷过程将变的更为复杂㊂关于单桩基础在波浪单独荷载与波流共同作用下的冲刷研究在20世纪80年代开始得到发展,并得出了大量的研究成果㊂S u m e r等[29-33]的研究发现影响波浪荷载作用下冲刷尺度发展的主要控制变量是K e u l e g a n-C a r p e n t e r 数(K C),K C=U w m T/D,其中U w m是波浪边界层处波浪引起的最大近底振荡流速,T是波周期,D是桩基的直径㊂K C数对冲刷的过程的影响主要体现在对桩后尾迹漩涡和桩前的马蹄形漩涡的控制上,当K Cɤ6时,由波浪荷载引起的冲刷可以忽略,K C数增大时,桩基周围的马蹄形漩涡的影响范围增大,尾迹漩涡减小,导致冲刷坑的尺度增大,当K C数增大到100以上数量级时桩基础由波浪引起的冲刷趋近一个固定值㊂在波流共同荷载作用下,单桩基础的冲刷同时受K C数与无量纲波流强度参数U c w=U c/(U c+U w m)控制,其中U c为无扰动近底流速(一般取距离床面D/2处),波浪的传播方向对冲刷深度无明显影响,当U c w>0.7时,单桩基础附近的冲刷深度接近单独稳定流作用下的冲刷深度㊂近年来,Q i和G a o[34,35]对波流共同作用下单桩基础冲刷开展了进一步的研究,主要阐明了小K C数条件下(0.04ɤK Cɤ10)的冲刷机理与对应冲刷深度的计算方法㊂以上研究对单桩基础冲刷的机理与冲刷深度的预测方法进行了较为清晰的阐述,成果也已经在欧洲海上风电场实体工程中有很多应用,但目前国内外关于风机单桩基础在水平循环动荷载作用下的冲刷及防护研究还比较匮乏,对于桩体振动条件下单桩基础局部冲刷发展及防护的影响机理及结果还是未知㊂随着近几年国际海上新能源技术的发展,单桩基础仅在波㊁流作用下冲刷防护设计已经不能满足新时期的海洋工业发展,急需新的研究予以补救,以合理控制海上风机建设成本及保证结构安全㊂3结语本研究对国内外复杂动力环境下海上风电单桩基础冲刷相关研究进行了系统地回顾与分析,发现以往对桩基冲刷安全设计的研究主要包括桩基 土体相互作用与传统桩基冲刷两个方面,前者研究重点多集中于干土环境下的模拟冲刷对桩体结构动力响应的影响,后者则重点考虑在波流耦合环境下的冲刷机理与预测㊂虽然国内外学者在这两个方面开展了较多的研究,但两方面之间的交叉研究却比较匮乏㊂而在实际工程中,海上风电单桩基础在承受传统波㊁流荷载冲刷的同时还遭受周期性的风㊁浪㊁流以及风机叶片转动所引发的振动荷载,着实存在两个方面研究点复杂耦合的情况㊂因此,未来该领域的研究应加强对这一复杂耦合现象的研究,深入探究冲刷过程对风机单桩基础结构动S1管大为,等:复杂动力环境下海上风电单桩基础冲刷研究进展49力特性的影响,揭示复杂荷载动力条件下风机单桩基础附近的冲刷机理,精细预测最大冲刷深度,进一步优化现有冲刷防护设计,为近海风电工程桩基创新设计㊁管理和维护提供可靠科学依据㊂参考文献[1] P E D E R H Y L D A LSR E N S E NS,B OI B S E NL.A s s e s s m e n t o ff o u n d a t i o nd e s ig nf o ro f f sh o r e m o n o pi l e su n p r o t e c t e da g a i n s ts c o u r[J].O c e a nE n g i n e e r i n g,2013.63:17-25.[2] L OM B A R D ID,B H A T T A C H A R Y AS,MU I R WO O D D.D y-n a m i cs o i l-s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n o f m o n o p i l es u p p o r t e d w i n d t u r b i n e s i n c o h e s i v e s o i l[J].S o i l D y n a m i c s a n dE a r t h q u a k eE n-g i n e e r i n g,2013.49:165-180.[3] G A V I NK,I G O ED,D O H E R T YP.P i l e s f o r o f f s h o r ew i n d t u r-b i n e s:A s t a t e-o f-t h e-a r t r e v i e w[J].P r oc e ed i n g s o f t h eI n s t i t u t i o no fC i v i lE n g i n e e r s-G e o t e c h n i c a lE n g i n e e r i n g,2011.164(4):245-256.[4] R e p o r t o no f f s h o r ew i n dm o n o p i l e f o u n d a t i o na v a i l a b l e a t f a s tm a r k e t r e s e a r c h.2013;A v a i l a b l e f r o m:h t t p s://w w w.o f f-s h o r e w i n d.b i z/2013/09/06/r e p o r t-o n-o f f s h o r e-w i n d-m o n o p i l e-f o u n d a t i o n-a v a i l a b l e-a t-f a s t-m a r k e t-r e s e a r c h/.[5]邢作霞,陈雷,姚兴佳.海上风力发电机组基础的选择[J].能源工程,2005(06):34-37.[6]朱斌,熊根,刘晋超,e t a l.砂土中大直径单桩水平受荷离心模型试验[J].岩土工程学报,2013(10):1807-1815. [7] B H A T T A C H A R Y A S,N I K I T A S N,G A R N S E YJ,e t a l.O b-s e r v e dd y n a m i c s o i l-s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n i n s c a l e t e s t i n g o f o f f-s h o r ew i n dt u r b i n e f o u n d a t i o n s[J].S o i lD y n a m i c sa n dE a r t h-q u a k eE n g i n e e r i n g,2013,54:47-60.[8] Y U L-Q,WA N G L-Z,G U O Z,e ta l.L o n g-t e r m d y n a m i cb e-h a v i o r o fm o n o p i l es u p p o r t e do f f s h o r e w i n dt u r b i n e s i ns a n d[J].T h e o r e t i c a la n d A p p l i e d M e c h a n i c sL e t t e r s,2015.5(2): 80-84.[9] A N D E R S E NLV,V A H D A T I R A D MJ,S I C H A N IM T,e t a l.N a t u r a l f r e q u e n c i e so fw i n dt u r b i n e so n m o n o p i l e f o u n d a t i o n si nc l a y e y s o i l s-a p r o b a b i l i s t i c a p p r o a c h[J].C o m p u t e r s a n dG e o t e c h n i c s,2012,43:1-11.[10]孙永鑫,近海风机超大直径单桩水平承载特性试验与数值分析[D].浙江大学.2016.[11] N I K I T A SG,V I MA L A N NJ,B H A T T A C H A R Y AS.A n i n-n o v a t i v e c y c l i c l o a d i n g d e v i c e t o s t u d y l o n g t e r m p e r f o r m a n c eo f o f f s h o r ew i n dt u r b i n e s[J].S o i lD y n a m i c sa n dE a r t h q u a k eE n g i n e e r i n g,2016.82:154-160.[12]刘晋超,熊根,朱斌,等.砂土海床中大直径单桩水平承载与变形特性[J].岩土力学,2015(02):591-599.[13]风电机组地基基础设计规定.2008,水电水利规划设计总院.143.[14] L I NC,B E N N E T T C,H A NJ,e ta l.S c o u re f f e c t so nt h er e-s p o n s e o f l a t e r a l l y l o a d e d p i l e sc o n s i d e r i n g s t r e s sh i s t o r y o fs a n d[J].C o m p u t e r s a n d G e o t e c h n i c s,2010.37(7/8):1008-1014.[15] MO S T A F A YE.E f f e c t o f l o c a l a n d g l o b a l s c o u r o n l a t e r a l r e-s p o n s e o f s i n g l e p i l e s i nd i f f e r e n t s o i l c o n d i t i o n s[J].E n g i n e e r-i n g,2012.4(6):297-306.[16] P R E N D E R G A S T LJ,H E S T E R D,G A V I N K,e t a l.A ni n-v e s t i g a t i o no f t h ec h a n g e s i nt h en a t u r a l f r e q u e n c y o fa p i l ea f f e c t e db y sc o u r[J].J o u r n a lo fS o u n da nd V i b r a t i o n,2013.332(25):6685-6702.[17] P R E N D E R G A S T LJ,G A V I N K,D O H E R T Y P.A n i n v e s t i-g a t i o n i n t o t h e e f f e c t o f s c o u r o n t h en a t u r a l f r e q u e n c y o f a no f f s h o r e w i n d t u r b i n e[J].O c e a n E n g i n e e r i n g,2015.101:1-11.[18]M E L V I L L EB W,C O L E MA NSE,B r i d g es c o u r[M].H i g h-l a n d sR a n c h,C o l o r o d o,U n i t e d S t a t e s:W a t e rR e s o u r c e s P u b l i-c a t i o n s.2000.[19]M E L V I L L E B W,R A U D K I V IA J.F l o w c h a r a c t e r i s t i c s i nl o c a l s c o u r a t b r i d g e p i e r s[J].J o u r n a l o fH y d r a u l i cR e s e a r c h,1977.15(4):373-380.[20]孙东坡,杨慧丽,张晓松,等.桥墩冲刷坑的三维流场测量与数值模拟[J].水科学进展,2007(05):711-716. [21] R A U D K I V IA,E T T E MA R.C l e a r-w a t e r s c o u r a t c y l i n d r i c a lp i e r s[J].J o u r n a l o fH y d r a u l i cE n g i n e e r i n g,1983.109(3):338-350.[22] D E YS,S I N G H N.C l e a r-w a t e r s c o u rb e l o wu n d e r w a t e r p i p e-l i n e s u n d e r s t e a d y f l o w[J].J o u r n a l o fH y d r a u l i cE n g i n e e r i n g,2008.134(5):588-600.[23] M E L V I L L EB W.L i v e-b e d s c o u r a t b r i d g e p i e r s[J].J o u r n a l o fH y d r a u l i cE n g i n e e r i n g,1984.110(9):1234-1247.[24] C H I E W Y-M,L o c a l s c o u r a tb r i d g e p i e r s[D].A u c k l a n d:T h eU n i v e r s i t y o fA u c k l a n d.1984.[25] C H I E W Y M,M E L V I L L E B W.L o c a l s c o u ra r o u n db r i d g ep i e r s[J].J o u r n a l o fH y d r a u l i cR e s e a r c h,1987.25(1):15-26.[26] B R E U S E R SH NC.T i m e s c a l e o f t w o-d i m e n s i o n a l l o c a l s c o u r[C]//P r o c e e d i n g s o f12t h I A H RC o n g r e s s F o r t C o l l i n s.1967:275-282.[27]-[35]略。
华能海上风力发电机组基础冲刷机理及防冲刷
华能海上风力发电机组基础冲刷机理及防冲刷概述随着可再生能源的快速发展，海上风力发电成为当今世界上最重要的清洁能源之一。
华能作为中国领先的能源公司，积极投入海上风力发电领域的研发和建设。
然而，在海上风电发展过程中，机组基础冲刷问题成为了一个亟待解决的关键问题。
本文将详细介绍华能海上风力发电机组基础冲刷机理，并提出相应的防冲刷措施。
机组基础冲刷机理机组基础冲刷是指海上风力发电机组基础受到海洋波浪、潮流等力的冲击，导致基础结构的损坏和破坏。
机组基础冲刷主要由以下几个方面的因素引起：1. 波浪力的作用海洋波浪是机组基础冲刷的主要力量来源之一。
波浪通过对机组基础的冲击，使得基础受到动态载荷的作用，从而导致基础结构的疲劳损伤和破坏。
2. 潮流力的作用海洋潮流也是机组基础冲刷的重要力量来源之一。
潮流通过对机组基础的冲击，对基础结构施加静态和动态载荷，从而引起基础结构的疲劳破坏。
3. 水下岩石的冲刷作用海洋中的水下岩石是机组基础冲刷的另一个重要因素。
水下岩石对机组基础产生冲击力，容易引起基础结构的损坏。
防冲刷措施为了解决机组基础冲刷问题，华能采取了一系列的防冲刷措施，以确保机组基础的稳定和安全运行。
1. 基础结构设计优化通过优化机组基础的结构设计，减小基础受力面积，降低冲击力的作用。
同时，采用适当的材料和加固措施，提高基础的抗冲刷能力。
2. 基础防护层的加固在机组基础表面涂覆一层防护材料，增加基础的抗冲刷能力。
防护层可以使用耐腐蚀、耐磨损的材料，如聚氨酯涂层等。
3. 水下岩石的处理对机组基础周围的水下岩石进行处理，如清理、移除或加固。
通过减少水下岩石与基础的接触，降低冲击力的作用，从而减小基础冲刷的风险。
4. 海上风电场布局优化通过合理规划海上风电场的布局，避免机组基础暴露在波浪和潮流的冲击区域。
合理的布局可以减小基础受到的冲击力，降低基础冲刷的风险。
结论华能海上风力发电机组基础冲刷是海上风电发展过程中的一个重要问题。
海上风电场单桩基础防冲刷施工技术
海上风电场单桩基础防冲刷施工技术发布时间：2023-02-21T01:38:48.754Z 来源：《科技新时代》2022年10月19期作者：漆召兵[导读] 结合某海上风电场单桩基础局部冲刷问题表现及成因，针对单桩基础防冲刷施工技术实施问题进行了重点研究与分析。
分析过程中，通过掌握工程项目地质条件以及环境特征，明确单桩基础防冲刷施工技术实施面临的重难点问题。
漆召兵三峡新能源海上风电运维江苏有限公司江苏盐城 224000摘要：结合某海上风电场单桩基础局部冲刷问题表现及成因，针对单桩基础防冲刷施工技术实施问题进行了重点研究与分析。
分析过程中，通过掌握工程项目地质条件以及环境特征，明确单桩基础防冲刷施工技术实施面临的重难点问题。
结合实际情况，从多个方面阐明单桩基础防冲刷施工技术应用要点及质量控制措施问题，以期可以达到预期的防冲刷施工效果。
关键词：海上风电场；单桩基础；防冲刷施工；技术分析引言：海上风能作为海洋资源中最具商业价值发展潜力的清洁能源类型，是十四五阶段国家政府部门予以重点开发与利用的能源类型。
目前，为持续加强对海上风能资源的开发利用，国家政府部门明确要求适合开发利用海上风能的省市地区应该大力开展海上风电项目建设工作。
结合建设情况来看，大直径单桩基础所具备的桩基承载性能相对优越且施工灵活，已然成为海上风电工程常用的结构方式[1]。
然而，海上风电单桩基础所面临的工程地质条件以及环境条件相对恶劣，很容易受到波浪流的影响引发桩基周围形成涡流的现象。
一旦出现此类现象，会对桩基周围的土体造成冲刷影响，不利于保障土体力学特性以及桩基结构的稳定性能。
可以说，如何利用切实可行的措施消除桩基土体局部冲刷带来的负面影响，基本上可以视为海上风电工程项目施工建设予以重点关注与解决的问题。
1 工程概况分析某海上风电场工程项目位于城市近海海域，场区中心离岸距离约32km。
其中，场区主要呈现长方形结构特征，南北长约8km、东西宽约5km，总体规划面积约为40k㎡。
固化土在海上风电单桩基础冲刷修复中的应用
参考内容三
基本内容
随着全球对可再生能源需求的不断增长，海上风电成为了一种极具潜力的能 源开发方式。然而，海上风电工程在面临复杂多变的海流环境时，其单桩基础会 受到不同程度的冲刷和侵蚀，严重影响了风电设备的稳定性和使用寿命。因此， 针对海上风电单桩基础海流局部冲刷及防护问题的研究具有重要意义。
为了深入探讨海上风电单桩基础在海流作用下的冲刷和防护问题，本次演示 采用实验研究的方法，对不同工况下的单桩基础进行海流局部冲刷实验和防护措 施实验。实验中使用了高清摄像机、水流测量仪、土工试验等设备，详细记录和 测量了冲刷过程中的各种数据。同时，为了更准确地分析实验数据，还采用了数 值模拟方法对实验过程进行模拟和优化。
三、方法
本次演示采用实验研究与理论分析相结合的方法，首先通过物理模型实验， 模拟不同海洋环境条件下的单桩基础局部冲刷过程，并采集相关数据。随后，利 用数值模拟方法，对固化土防护措施进行模拟分析，进一步探讨其有效性。同时， 结合实际工程案例，对研究成果进行验证与优化。
四、结果
实验结果表明，海洋环境因素如水流速度、水深、海床地质条件等对海上风 电单桩基础局部冲刷特性具有显著影响。其中，水流速度和海床地质条件对冲刷 深度和范围的影响最为显著。此外，实验结果还显示，固化土防护措施在减缓冲 刷、提高基础稳定性方面具有显著效果。与现有研究相比，本次演示提出的固化 土防护措施具有更好的适应性、有效性和经济性。
实验结果表明，海流速度、水质条件、单桩基础形状等因素对海流局部冲刷 具有显著影响。在相同海流速度下，水质条件越好，冲刷程度越轻；在相同水质 条件下，海流速度越快，冲刷程度越严重。此外，单桩基础的形状也会影响冲刷 效果，柱形基础比梯形基础更易受到冲刷。
针对实验结果，本次演示提出以下建议和防护措施：首先，应加强对海流环 境的监测和预报，为海上风电工程提供更为准确的设计和防护依据；其次，优化 单桩基础设计，提高其抗冲刷能力，如采用梯形或其他适宜的形状；最后，加强 对风电设备的维护和管理，定期进行巡检和维修，确保其稳定性和安全性。
海上风电桩基局部冲刷试验研究
海上风电桩基局部冲刷试验研究祁一鸣;陆培东;曾成杰;陈可锋【摘要】The foundation of a wind turbine pile is the load of the wind turbine itself and the lateral pressure of the blade rotation, and the stability of a pile foundation is very important. The offshore wind turbine pile is not only influenced by the tidal current and wave interaction, but also the scale of the pile foundation, which is usually between the pier and the pile foundation, and its local scour has some particularity. By establishing a normal model of 1∶60, the loc al scour of the offshore wind turbine pile foundation under the action of wave, tidal current and wave current is studied. The research results show that:①the tidal current is the dominant factor in controlling the local scour of the pile foundation in the sea area;②under the action of the alternating flow, the shape of the scour hole is oval, and the maximum scour depth is about 0. 8 of the steady flow;③under the wave⁃current interaction, due to the role in the front of the pile wave oscillating flow, sediment is easier to move than the current action, the local scour is significantly enhanced, and the maximum scour depth is 2. 0 and 1. 7 times under the action of tidal current and constant flow;④the calculated values given by the Han Hai⁃qian formula are in good agreement with the experimental values of the scour depth of the pile foundation under the influence of the coefficient 0. 75. According to the test results, it is suggested that the riprap protection of local scour around the pile foundation pit should be done in order to ensure the security andstability of the offshore wind turbine.%风电桩基既承担风机自身荷载，又受到叶片转动的侧向压力，桩基稳定性至关重要。
海上风机单桩基础局部冲刷计算分析
２０２０年第３期２０２０Ｎｕｍｂｅｒ３水电与新能源ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲＡＮＤＮＥＷＥＮＥＲＧＹ第３４卷Ｖｏｌ.３４ＤＯＩ:１０.１３６２２/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ４２－１８００/ｔｖ.１６７１－３３５４.２０２０.０３.００９收稿日期:２０１９－１１－０４作者简介:张晓蕊ꎬ女ꎬ助理工程师ꎬ主要从事风电基础结构设计及相关工作ꎮ海上风机单桩基础局部冲刷计算分析张晓蕊ꎬ吴子昂ꎬ戴东鹰(上海勘测设计研究院ꎬ上海㊀２００３３５)摘要:依据波㊁流联合作用下的韩海骞公式计算江苏某海上风电场桩基局部冲刷深度ꎬ再采用ＳＡＣＳ软件对结构进行分析结果表明ꎬ局部冲刷增加桩身侧向位移ꎬ降低整机频率ꎬ疲劳损伤大ꎮ解决这些问题可通过加大桩径和桩长ꎬ要设计出既经济又安全的基础尺寸ꎬ还需结合实际工程的冲刷观测结果进行更准确的预测ꎮ关键词:单桩ꎻ局部冲刷ꎻ频率ꎻ疲劳损伤中图分类号:ＴＫ８３㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７１－３３５４(２０２０)０３－００３３－０５ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＬｏｃａｌＳｃｏｕｒｏｆＭｏｎｏｐｉｌｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＯｆｆｓｈｏｒｅＷｉｎｄＴｕｒｂｉｎｅｓＺＨＡＮＧＸｉａｏｒｕｉꎬＷＵＺｉ ａｎｇꎬＤＡＩＤｏｎｇｙｉｎｇ(ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎꎬＤｅｓｉｇｎ＆ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＳｈａｎｇｈａｉ２００３３５ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＴｈｅｌｏｃａｌｓｃｏｕｒｄｅｐｔｈｏｆｔｈｅｗｉｎｄｔｕｒｂｉｎｅｓｉｎａｎｏｆｆｓｈｏｒｅｗｉｎｄｆａｒｍｉｎＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅＨａｎＨａｉｑｉａｎｆｏｒｍｕｌａｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｍｂｉｎｅｄａｃｔｉｏｎｏｆｗａｖｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔ.ＴｈｅｎꎬｔｈｅｐｉｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄｕｓｉｎｇＳＡＣＳｓｏｆｔｗａｒｅ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｌｏｃａｌｓｃｏｕｒｍａｙｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｌａｔｅｒａｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｐｉｌｅꎬｒｅｄｕｃｅｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｕｎｉｔꎬａｎｄａｇｇｒａｖａｔｅｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅ.Ｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓｃａｎｂｅｓｏｌｖｅｄｂｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｐｉｌｅｄｉａｍｅｔｅｒａｎｄｐｉｌｅｌｅｎｇｔｈ.Ｈｏｗｅｖｅｒꎬｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｏｍａｋｅｍｏｒｅａｃｃｕｒａｔｅｌｏｃａｌｓｃｏｕｒｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎａｃｔｕａｌｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｔｏｇｅｔｅｃｏｎｏｍｉｃａｎｄｓａｆｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｍｏｎｏｐｉｌｅꎻｌｏｃａｌｓｃｏｕｒꎻｆｒｅｑｕｅｎｃｙꎻｆａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅ㊀㊀海上风电作为一种可再生清洁能源ꎬ已经得到了全世界广泛的关注ꎮ海上风资源丰富ꎬ同时环境也更加复杂ꎮ需要注意的是ꎬ桩基础泥面位置由于波浪和海流的作用ꎬ会产生局部冲刷从而导致风机整体的稳定性降低ꎮ因此ꎬ针对海上风机基础局部冲刷问题开展一系列分析ꎬ将具有十分重要的工程意义[１－２]ꎮ目前ꎬ海上风电场风机基础局部冲刷深度主要依靠经验公式或根据已有的工程场区资料做参考ꎮ但由于场区资料较少ꎬ且各个海域环境相差甚远ꎬ经验公式一般作为首选方法ꎮ本文针对江苏某风电场ꎬ对比不同冲刷深度下结构频率㊁变形㊁承载力和疲劳寿命等的变化ꎬ分析特定海洋环境下局部冲刷对风力机基础结构的影响ꎮ１㊀经验公式及验证目前国内外用于局部冲刷深度计算的经验公式主要有以下三种ꎬ韩海骞公式ꎬ王汝凯公式和Ｊ＆Ｓ公式[３]ꎮ１.１㊀经验公式１)韩海骞公式ꎮ浙江大学的韩海骞建立了单一潮流作用下桥墩局部冲刷计算公式ꎮｈｂｈ＝１７.４ｋ１ｋ２(Ｂｈ)０.３２６(ｄ５０ｈ)０.１６７Ｆｒ０.６２８(１)式中:ｈｂ为潮流作用下桥墩最大局部冲刷深度ꎬｍꎻｈ为全潮最大水深ꎬｍꎻＢ为最大水深下平均阻水宽度ꎬｍꎻｄ５０为河床泥沙的中值粒径ꎬｍꎻＦｒ为弗劳德数ꎻｇ为重力加速度ꎻｋ１为基础平面布置系数ꎬ条形取１.０ꎬ３３水电与新能源２０２０年第３期梅花形取０.８６２ꎻｋ２为基础垂直布置系数ꎬ直桩取１.０ꎬ斜桩取１.１７６ꎮ韩海骞公式适用范围:平均阻水宽度Ｂ为０.８~４２.０ｍꎻ全潮最大流速ｕ为１.４~８.０ｍ/ｓꎻ全潮最大水深ｈ为４.５~３１.０ｍꎻ中值粒径ｄ５０为０.００８~０.１４ｍｍꎮ(２)王汝凯公式ꎮ王汝凯和Ｈｅｒｂｉｃｈ基于粗砂模型ꎬ进行了波㊁流共同作用下小直径桩的局部冲刷研究ꎬ并建立了局部冲刷深度计算公式ꎮｌｇＳｕ１ｈ＝－１.２９３５＋０.１９１７ｌｇβ(２)β＝ＮｆＨＬＵｒＮｓＮｒｐ＝Ｈ２ＬＶ３Ｄ[Ｖ＋(１/Ｔ－Ｖ/Ｌ)ＨＬ/２ｈ]２[(ρｓ－ρ)/ρ]υｇ２ｈ４ｄ５０(３)式中:Ｎｆ为水流弗劳德数的平方ꎻＶ为行近流速ꎬｍ/ｓꎻｇ为重力加速度ꎬｍ/ｓ２ꎻｈ为行近水深ꎬｍꎻＨ为波高ꎬｍꎻＬ为波长ꎬｍꎻＴ为周期ꎬｓꎻＵｒ为Ｕｒｓｅｌｌ数ꎻＮｓ为颗粒ｓｅｄｉｍｅｎｔ数ꎬＮｓ＝Ｖｆｗ２/[(ρｓ－ρ)/ρ]ｇｄ５０ꎻＶｆｗ为波流合成速度ꎬｍ/ｓꎻρｓ为泥沙密度ꎬｋｇ/ｍ３ꎻρ为水密度ꎬｋｇ/ｍ３ꎻｄ５０位泥沙的中值粒径ꎬｍｍꎻＮｒｐ为桩的雷诺数ꎻＤ为桩径ꎬｍꎻυ为运动粘滞系数ꎬｍ２/ｓꎮ３)Ｊ＆Ｓ公式ꎮＪｏｎｅｓ和Ｓｈｅｐｐａｒｄ提出了仅考虑流速的大型桥墩局部冲刷计算公式ꎮＤｓｄｐ＝ｃ２(Ｖｕｓｐｂ－ＶＶｃｒ)＋ｃ３(４)ｃ２＝(ｋ－ｃ３)(ＶｕｓｐｂＶｃｒ－１)－１(５)ｃ３＝２.４ｔａｎｈ[２.１８(Ｄｄｐ)２/３](６)ｋ＝ｔａｎｈ[２.１８(Ｄｄｐ)２/３][－０.２７９＋０.０４９ｅｘｐ(ｌｇｄｐｄ５０)＋０.７８(ｌｇｄｐｄ５０)－１]－１(７)式中:Ｄｓ为桩基极限冲刷深度ꎬｍꎻｄｐ为桩径ꎬｍꎻＤ为水深ꎬｍꎻＶ为底部最大平均流速ꎬｍ/ｓꎻＶｃｒ为泥沙临界起动速度ꎬｍ/ｓꎻＶｕｓｐｂ为垂线平均流速ꎬｍ/ｓꎻｄ５０为泥沙中值粒径ꎬｍꎮ１.２㊀公式验证根据已有的埕岛油田海域环境条件(见表１)及冲刷数据[４]ꎬ对上述经验公式进行适用性验证ꎮ由于韩海骞公式和Ｊ＆Ｓ公式仅考虑流速的影响ꎬ现参考«港口与航道水文规范»得到波浪水质点的平均流速与潮流速度之和带入公式进行计算ꎬ结果见表２ꎮ表１㊀埕岛油田环境参数表平台水深/ｍ波速/(ｍ ｓ－１)波高/ｍ波周期/ｓ桩径/ｍ中值粒径/ｍｍＣＢ２５Ｃ９.６００.９０４.５０８.６０１.２００.０５ＣＢ１２Ｃ１２.６００.９０４.５０８.６０１.２００.０５表２㊀平台局部冲刷深度及实测值表ｍ㊀平台韩海骞公式王汝凯公式Ｊ＆Ｓ公式实测ＣＢ２５Ｃ３.７７４.４２２.７４３.０~３.５ＣＢ１２Ｃ３.７９４.６７２.６９㊀㊀从表２可以看出:适用粗砂的王汝凯公式在淤泥质土或细砂条件下ꎬ冲刷深度被放大ꎬ其计算结果比实测值大４０％左右ꎬ过于保守ꎬ在实际工程中经济性较低ꎻＪ＆Ｓ公式虽然考虑了波流联合作用ꎬ但结果仍偏低ꎬ不推荐采用ꎻ考虑波流联合作用的韩海骞公式计算结果与实测值较为接近ꎬ实测值为经验公式的８０％~９０％ꎮ本文环境条件为近海海域ꎬ波浪对海底的影响不能忽视ꎬ所以采用考虑波流作用下的韩海骞公式进行局部冲刷计算ꎮ２㊀ＳＡＣＳ计算原理ＳＡＣＳ(ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓＣｏｍｐｕｔｅｒＳｙｓｔｅｍ)是基于有限元分析的结构仿真平台ꎬ能够进行复杂海洋环境下的结构静力和动力性能分析ꎮ静力分析模块主要包括线弹性静力分析㊁桩－土－结构相互作用的非线性静力分析等ꎮ动力分析模块主要包括模态分析㊁疲劳分析ꎬ以及波浪作用分析等[５]ꎮ本文后续内容将采用ＳＡＣＳ软件对风机基础结构性能进行计算分析ꎮ３㊀风机基础局部冲刷计算３.１㊀环境条件本文针对江苏某海上风场进行单桩基础局部冲刷计算分析ꎬ具体环境条件如表３所示ꎮ采用波流联合作用下的韩海骞公式ꎬ分析桩径㊁中值粒径对冲刷深度的影响程度ꎮ表３㊀江苏某海域环境条件表机位水深(设计高水位)/ｍ流速/(ｍ ｓ－１)波高/ｍ波周期/ｓ波长/ｍ中值粒径/ｍｍＦ３０１１.０４１.１５３.９９７.３６６６０.０７０９Ｆ４７８.０７１.１５３.９９７.３６５９０.０１５３４３张晓蕊ꎬ等:海上风机单桩基础局部冲刷计算分析２０２０年３月㊀㊀根据表３中的数据ꎬ变换基础结构形式和尺寸ꎬ计算Ｆ３０㊁Ｆ４７机位特定地质条件下的局部冲刷深度ꎬ得到图１(ａ)ꎮ从图１(ａ)中可以看出ꎬＦ３０㊁Ｆ４７机位４ｍ直径斜桩和将近７ｍ直径的直桩冲刷深度接近ꎻ１ｍ直径斜桩和将近２ｍ直径的直桩冲刷深度接近ꎬ从公式中也可计算得出相同冲刷深度的斜桩直径是直桩的０.６０８倍ꎮ小直径桩的多脚架基础和高桩承台对局部冲刷不如单桩敏感ꎬ但在实际工程中ꎬ单桩基础由于结构相对简单ꎬ海上施工作业期短ꎬ施工可靠性高等优点ꎬ成为颇受欢迎的一种基础型式ꎮ为防止钢管桩桩周冲刷ꎬ沿基础一定范围内会进行防冲刷地基处理ꎮ本文风场最大水深８~１１ｍꎬ变化范围不大ꎮ从图１(ｂ)中可以看出ꎬ水深对冲刷深度的影响较小ꎬ仅１.３％ꎮ图(ａ)㊁(ｂ)中的曲线均随着ｘ轴变量的增大而增大ꎬ而曲线斜率随ｘ变量的增大而减小ꎮ图１㊀局部冲刷结果图３.２㊀计算分析风机基础局部冲刷深度大多根据经验公式估算ꎬ在结构设计时放出相应的裕度ꎮ但经验公式适用条件为单向流ꎬ本场区实际为旋转流ꎬ流向并不固定ꎬ经验公式结果将放大波流对冲刷的影响ꎮ本文将对经验公式的局部冲刷深度计算结果进行适当折减ꎬ再通过ＳＡＣＳ软件进行相应的结构受力变形等分析ꎮＦ３０㊁Ｆ４７机位拟采用３.３ＭＷ风机ꎬ塔筒底部直径为５.５ｍꎬ单桩基础顶高程１１ｍꎬ整机允许频率范围０.２５８~０.２７６ＨｚꎮＦ４７机位结构直径５.５ｍꎬ采用波㊁流联合作用下的韩海骞公式得到冲刷深度为５.２８ｍꎬ对比不同折减系数下的结构静力计算结果ꎬ如表４所示ꎮ表４㊀Ｆ４７结构(Ｄ＝５.５ｍ)计算结果表冲刷深度/ｍ频率/Ｈｚ泥面转角/ɢ桩尖位移/ｃｍ桩身最大ＵＣ抗压承载力/ｋＮ桩身最大压力/ｋＮ００.２６１６３.８７２９０.０４４０.４２３－２９４３１.０－１１６２６.３４.２２(折减系数０.８)０.２５８１３.８０８８０.１０２０.４５０－２８９４７.１－１１６２２.８４.７５(折减系数０.９)０.２５７６３.７９７７０.１１１０.４５３－２８８１４.７－１１６１２.０５.２８０.２５７１３.７８２６０.１２３０.４５５－２８６９３.１－１１６０４.２注:承载力考虑安全系数１.５ꎻ结构压力乘以１.１倍放大系数ꎮ㊀㊀由表４可以看出ꎬ同样的结构在不考虑冲刷时满足变形频率等要求ꎬ但是在折减系数为０.８时整机频率就十分接近安全范围的下界了ꎬ完全不考虑折减则更加无法满足频率要求ꎬ此时的变形和受力结果依然满足规范ꎬ结构尺寸以频率控制为主ꎮ选取适当的结构尺寸ꎬ需要与冲刷深度进行进一步的迭代计算ꎮ为提高频率的安全裕度重新建立直径５.５~５.７ｍ的单桩模型ꎬ考虑到海流为旋转流ꎬ我们取折减系数０.８的冲刷深度ꎬ得到冲刷深度为４.２７ｍꎬ具体计算结果如表５ꎬ桩身位移曲线收敛如图２ꎮ５３水电与新能源２０２０年第３期表５㊀Ｆ４７结构(Ｄ＝５.５~５.７ｍ)计算结果表冲刷深度/ｍ频率/Ｈｚ泥面转角/ɢ桩尖位移/ｃｍ桩身最大ＵＣ抗压承载力/ｋＮ桩身最大压力/ｋＮ４.２７０.２６１７３.５０６００.１２１０.４２３－２９８０４.９－１１７９９.５注:承载力考虑安全系数１.５ꎻ结构压力乘以１.１倍放大系数ꎮ图２㊀Ｆ４７(Ｄ＝５.５~５.７ｍ)桩身位移曲线图㊀㊀Ｆ３０机位表层土为厚度１.３ｍ的砂质粉土(ｄ５０＝０.０７０９)ꎬ第二层是厚度１０.７ｍ的淤泥质粘土(ｄ５０＝０.０１５３ｍｍ)ꎬ由于表层土较薄ꎬ计算局部冲刷时中值粒径选取０.０１５３ｍｍ(见表６)ꎮ由表６和图３可以看出ꎬＦ３０基础桩径比Ｆ４７增大了０.２ｍꎬ使得泥面转角减小ꎬ但由于浅层土壤较表６㊀Ｆ３０结构(Ｄ＝５.５~５.９ｍ)计算结果表冲刷深度/ｍ频率/Ｈｚ泥面转角/ɢ桩尖位移/ｃｍ桩身最大ＵＣ抗压承载力/ｋＮ桩身最大压力/ｋＮ００.２６１１３.５１７７０.１５３０.３７２－３０９３６.６－１２８５９.７４.３７(折减系数０.８)０.２５７５３.４６９９０.２７５０.３９４－３０３９２.９－１２８５５.７４.９２(折减系数０.９)０.２５７０３.４６４２０.２９６０.３９６－３０３１８.７－１２８５５.１５.４７０.２５６６３.４６１１０.３１７０.３９８－３０２５７.０－１２８５４.７注:承载力考虑安全系数１.５ꎻ结构压力乘以１.１倍放大系数ꎮ差ꎬ整机频率仍然难以满足规定要求ꎬ且桩径的增大也加大了波浪力的作用ꎬ使得桩身位移曲线不收敛ꎮ解决这一系列问题ꎬ需增加桩径和桩长ꎮ重新建立直径５.５~６.１ｍ的单桩模型ꎬ桩长增加４ｍꎬ考虑到海流为旋转流ꎬ我们取折减系数０.８的冲刷深度ꎬ得到冲刷深度为４.４２ｍꎬ具体计算结果如表７ꎬ桩身位移曲线收敛如图４ꎮ图３㊀Ｆ３０(Ｄ＝５.５~５.９ｍꎬ冲刷４.３７ｍ)桩身位移曲线图表７㊀Ｆ３０结构(Ｄ＝５.５~６.１ｍ)计算结果表冲刷深度/ｍ频率/Ｈｚ泥面转角/ɢ桩尖位移/ｃｍ桩身最大ＵＣ抗压承载力/ｋＮ桩身最大压力/ｋＮ４.４２０.２６０５０.００３１５７３０.１１９０.３６６－３１９６９.５－１３０４０.０注:承载力考虑安全系数１.５ꎻ结构压力乘以１.１倍放大系数ꎮ㊀㊀综上可得ꎬＦ４７机位若要满足折减系数０.８的局部冲刷深度要求ꎬ结构最大桩径要在５.５ｍ基础上增加０.２ｍꎬ钢管桩重量增加将近１７ｔꎻＦ３０机位若要满足折减系数０.８的局部冲刷深度要求ꎬ结构最大桩径要在５.９ｍ基础上增加０.２ｍꎬ且桩长增加４ｍꎬ钢管桩重量增加将近５３ｔꎮ冲刷主要影响的是实际入泥深度ꎬ所以对整机频率和桩身侧向位移会有一定影响ꎮ单桩基础的刚度较小ꎬ表层土的冲刷对基础变位极其不利ꎬ所以通常会对海床表层土进行防冲刷处理ꎬ例如投放沙袋ꎬ砂被ꎬ连锁排和固化土等措施ꎮ如何既经济又安全的设计出最理想的基础方案ꎬ需要不断尝试并结合实际工程的观测结果进行更准确的预测ꎮ６３张晓蕊ꎬ等:海上风机单桩基础局部冲刷计算分析２０２０年３月图４㊀Ｆ３０(Ｄ＝５.５~６.１ｍ)桩身位移曲线图３.３㊀疲劳分析选取Ｆ４７机位进行疲劳分析ꎬ由于缺乏一体化的载荷输入ꎬ本文将保守地采用风载荷损伤与波浪谱疲劳损伤直接相加的方式得到最终损伤值ꎮ设计疲劳安全系数为２ꎬ寿命２５年ꎮ对比不同桩径ꎬ不同冲刷深度对结构疲劳寿命的影响ꎬ原泥面高程－５.４９ｍꎬ钢管桩３ｍ一段ꎬ具体计算结果见表８ꎮ从表８可以看出ꎬＦ４７基础Ｄ＝５.５ｍ时冲刷４.２２ｍ最大疲劳损伤是不冲刷的１.７倍ꎻＤ＝５.５~５.７ｍ时冲刷４.２７ｍ最大疲劳损伤是冲刷４.２２ｍ的１.０１倍ꎮ相同结构在考虑冲刷时整机频率相对降低ꎬ结构更柔ꎬ所以疲劳损伤更大ꎮＤ＝５.５~５.７ｍ结构变径段高程２~－１ｍꎬ－１ｍ到桩尖位置桩径５.７ｍꎮ风机载荷和波浪载荷当结构尺寸增大时ꎬ产生的疲劳损伤减小ꎬ但初始变径位置波浪损伤稍稍增大ꎮ综上ꎬ针对Ｆ４７机位选取Ｄ＝５.５~５.７ｍ结构尺寸ꎬ满足疲劳计算要求ꎮ表８㊀Ｆ４７基础疲劳损伤计算结果表高程Ｄ＝５.５ｍꎬ冲刷０ｍ风机载荷损伤波浪载荷损伤总损伤Ｄ＝５.５ｍꎬ冲刷４.２２ｍ风机载荷损伤波浪载荷损伤总损伤Ｄ＝５.５~５.７ｍꎬ冲刷４.２２ｍ风机载荷损伤波浪载荷损伤总损伤Ｄ＝５.５~５.７ｍꎬ冲刷４.２７ｍ风机载荷损伤波浪载荷损伤总损伤１１０.０５００.００００.０５００.０５００.００００.０５００.０５００.００００.０５００.０５００.００００.０５０８０.０３４０.０５６０.０９００.０３４０.１１８０.１５２０.０３４０.１１８０.１５２０.０３４０.１２００.１５４５０.０３４０.０６００.０９４０.０３４０.１２７０.１６１０.０３４０.１２７０.１６１０.０３４０.１２９０.１６３２０.０２６０.０４９０.０７５０.０２６０.１０３０.１２９０.０２６０.１０４０.１３００.０２６０.１０５０.１３１－１０.０２１０.０４４０.０６５０.０２１０.０９５０.１１６０.０１５０.０６７０.０８２０.０１５０.０６７０.０８２－４０.０２１０.０４７０.０６８０.０２１０.１０２０.１２３０.０１５０.０７２０.０８７０.０１５０.０７３０.０８８－７０.０２１０.１１２０.１３３０.０１５０.０７９０.０９４０.０１５０.０８００.０９５４㊀结㊀语１)通过和现有工程实测冲刷深度进行对照ꎬ波㊁流联合作用下的韩海骞经验公式计算结果比王汝凯㊁Ｊ＆Ｓ公式更接近实际ꎬ且数值略大偏安全ꎮ２)局部冲刷主要影响的是实际入泥深度ꎬ所以对整机频率和桩身侧向位移会有一定影响ꎬ一般通过增加桩径和桩长来解决ꎮ如何既经济又安全的设计出最理想的基础方案ꎬ需要不断尝试并结合实际工程的观测结果进行更准确的预测ꎮ３)针对本风场的Ｆ４７机位基础ꎬ相同结构在冲刷深度大时整机频率相对降低ꎬ结构更柔ꎬ所以疲劳损伤更大ꎻ相同冲刷深度条件下ꎬ大尺寸桩径部位的疲劳损伤较小ꎬ但变径段的小直径部位的损伤值稍稍增大ꎮ参考文献:[１]祁一鸣ꎬ陆培东ꎬ曾成杰ꎬ等.海上风电桩基局部冲刷试验研究[Ｊ].水利水运工程学报ꎬ２０１５(６):６０－６７[２]刘超ꎬ孙文ꎬ张积乐ꎬ等.海上风电场单桩基础结构冲刷实验研究[Ｊ].太阳能学报ꎬ２０１６ꎬ３７(２):３１６－３２１[３]张玮ꎬ濮勋ꎬ廖迎娣.淤泥质海岸近海风电塔基局部冲刷计算研究[Ｊ].海洋工程ꎬ２０１０ꎬ２８(２):１０５－１０９[４]王卫远ꎬ杨娟ꎬ李睿元.海上风电场风机桩基局部冲刷计算[Ｊ].中国港湾建设ꎬ２０１１ꎬ３１(６):１３－１５[５]陈晶.导管架式海上风电基础结构分析[Ｄ].天津:天津大学ꎬ２０１４７３。
海上风电机组大直径嵌岩单桩基础结构设计关键参数的研究
海上风电机组大直径嵌岩单桩基础结构设计关键参数的研究摘要：随着我国的经济在快速的发展，社会在不断的进步，风力发电是我国重要的能源，以海上风电机组大直径嵌岩单桩基础为研究对象，依据广义H-B强度准则和地质强度指标GSI，通过数值模拟的方法分析大直径嵌岩单桩基础的敏感性参数对其承载能力的影响。
研究结果表明：岩石的弹模E超过3.16GPa时，随着E的增大，桩身变形相应变小，但变小趋势减缓；随着嵌岩单桩基础入岩深度增加到一定值时，单桩的水平承载力趋于稳定；钢管桩桩身壁厚的增加对提升其刚度会产生显著的边际效应，桩身壁厚越厚，钢管桩变形越小，且此趋势逐渐减缓。
关键词：海上风电；嵌岩单桩基础；H-B强度准则；GSI；数值模拟引言冲刷是粉砂海床的常见自然现象，对于海洋工程桩基础结构，冲刷是影响基础结构设计的一个不可忽视的因素。
因此，桩基冲刷一直是海洋工程领域的研究难点。
冲刷问题的复杂性不仅在于其影响因素众多，而且在于定量的难度较大。
为了定量预测桩基冲刷以便合理进行防冲刷设计，国内外学者围绕桩基础的冲刷问题开展了大量理论和试验研究，发展了一些冲刷计算方法。
而海上风电场单桩基础结构的应用对桩基防冲刷设计提出新的挑战，按照GL规范的推荐做法，最大冲刷深度可取桩径的2.5倍，则6.000m直径的桩计算冲刷深度为15m。
这显然是不合理的取值，但即便是按ABS规范的1.5倍桩径取值，6.000m直径的单桩基础结构冲刷深度也有9m。
指出，对于单桩的大直径桩，冲刷深度的计算公式应慎用。
这表明，目前的计算方法对于大直径桩的适用性仍值得商榷。
而且，目前各种计算方法之间存在较大差异，计算结果与实测结果仍有较大误差。
为了探讨大直径桩的防冲刷设计方法，本文开展孤立桩基的冲刷试验研究，研究最大冲刷深度与桩径和流速的关系，为单桩基础结构的防冲刷设计提供参考。
1模型试验与桩基冲刷深度预测桩后漩涡脱落是波浪冲刷的关键因素，桩前马蹄形漩涡、桩侧边缘的流线压缩是稳定流冲刷的关键因素。
海上风电桩基冲刷掏空治理材料研究
海上风电桩基冲刷掏空治理材料研究摘要：在风、浪、流等因素的影响下，海上风电桩基周围的冲刷掏空现象层出不穷，对海上风电的安全运行造成隐患，为解决海上风电桩基冲刷掏空治理难题，以高贝利特水泥、硫铝酸盐水泥、普硅水泥为胶凝材料，憎水膨胀珍珠岩和海砂为骨料，絮凝剂为外加剂，开发出一种凝结时间和表观密度可调、水下不分散、成本可控的海上风电桩基冲刷掏空治理材料。
关键词：风电桩基；冲刷掏空；轻质骨料；水下不分散；抗冲刷1前言我国海上风电虽然起步较晚，但由于近海风能资源丰富，加之能源发展政策的推动，目前正处于快速发展阶段。
海上风电场所处的环境条件十分复杂，风、浪、流等气象水文要素对风机产生的影响不可忽视[1]。
尤其需要注意的是，风电场建成以后，在海洋动力的作用下，风机桩基周围将产生局部冲刷，可能影响风机基础的稳定性[2]。
目前，国内对海上风电桩基冲刷治理措施主要有：抛石[3、4]、砂被[5]、预留冲刷长度[6]。
抛填法和压实法取材容易，施工难度低，施工便捷、工期短，但是防冲刷效果差，易流失，容易形成二次冲刷，维护量大；桩基建设成本较高，桩周易形成大坑、深坑，随钢桩引入风机的海缆无法固定，需另行设计固定桩锚固。
随着风电桩基冲刷的案例层出不穷，国内外学者在桩基冲刷治理材料的研究也在持续深入，李光耀等[7]开展了GS固化剂加固海底淤泥的应用研究，方祥位[8]等研究了GT型土体固化剂在加固土体时的工程性质，但海底淤泥的固化设备的要求高，新型治理材料的开发势在必行。
本文开展了海上风电桩基冲刷掏空治理材料研究，使用轻质骨料降低材料体系的表观密度，通过不同种类水泥搭配调整材料体系的凝结时间，掺加絮凝剂解决材料体系在水中的胶砂分离和海洋动力冲刷问题，开发出一种凝结时间和表观密度可调、水下不分散、成本可控的海上风电桩基冲刷掏空治理材料。
2试验2.1治理材料性能要求根据海上风电桩基冲刷机理及特点，海上风电桩基冲刷治理材料应能满足以下几点要求：(1)具有一定的固结强度，压入冲刷掏空区域后一定的时间后凝固，凝结时间可调整。
海上风电单桩基础防冲刷抛石施工技术
海上风电单桩基础防冲刷抛石施工技术摘要：对于单桩式海上风机，部分机位单桩防冲刷保护采用抛填级配块石及碎石的方式，抛石的最终目的为冲刷保护完成后，桩周土体不被水流掏空，冲刷坑的范围、深度不再增加，钢管桩不会因桩周土体流失或其他非运行载荷而导致倾斜。
本文以广东某海上风电项目为例，较全面地阐述了海上风电单桩基础防冲刷的抛石施工方案，对类似工程具有一定的指导意义。
关键词：海上风电；单桩式基础；抛石施工技术一、工程概况广东某海上风电项目场址,位于湛江市徐闻县新寮岛及外罗以东的近海区域。
项目规划面积约 29km2，场址距离西侧徐闻县陆域的最近距离 10km，最远距离约 17.5km。
场址位置见图 1，共布置36台容量为5.5MW抗台型风力发电机，装机容量为198MW，基础形式均为无过渡段单桩结构；风电场配套建设一个陆上集控中心，1座220kV海上升压站，8组35kV场内集电海缆进入升压站，升压后通过220kV海底电缆登陆接入陆上集控中心，然后以220kV架空线路接入闻涛变电站，线路长度约30km。
二、自然条件风电场所处海域潮汐现象主要是太平洋潮波经巴士海峡和巴林塘海峡进入南海后形成的。
以湛江港潮位站和硇洲岛潮位站以往资料，以及本次全潮观测所设临时潮位站资料，工程附近海域潮性系数在0.88～1.04之间，属于不正规半日潮，其特征是一太阴日有两次高潮和两次低潮。
由于受地形的影响，外海潮波从湾口进入湾内后发生变形，高潮位逐渐增高，低潮位逐渐降低，潮差也逐渐增大。
本项目工程区理论最低潮面在1985年国家高程基准下1.488m。
风电场所处海域全年的波浪以风浪为主，年风浪频率达90%，受季风的影响，最多风浪向为ENE和E，频率分别为22%和17%。
5月和8月为偏SE向，10月至次年3月为ENE向，4月和9月则为E向，受热带风暴的影响，往往出现巨大的波浪。
风电场区域无长期测波资料，硇洲岛海洋站位于硇洲岛东部约-10m水深处，该站所处位置相对较为开敞，对工程海域具有较好的代表性。
海上风电单桩基础冲刷护圈防护性能的数值模拟研究
海上风电单桩基础冲刷护圈防护性能的数值模拟研究祁雷;李宁;朱魁星;孙兆恒;王泽可;杨继旺;王俊荣【期刊名称】《海岸工程》【年(卷),期】2024(43)2【摘要】海上风电桩基普遍存在的地基冲刷问题严重影响风电基础结构的安全,因此有必要对海上风电桩基的防护措施进行深入研究。
采用数值模拟的方法,对单向流条件下单桩基础冲刷护圈的防护性能展开研究,在FLOW-3D软件中建立了水流-桩基-海床相互作用数值模型,分析了护圈直径和安装高度两个参数对于冲刷的影响,并根据数值模拟计算结果,给出了安装在护圈防护下冲刷深度的预测公式。
研究发现:相同直径的护圈距离床面越近防护效率越高,安装高度为0.04 m时冲刷深度减少50%,安装高度为0 m时的防护效率最高,护圈防护存在失效区域,当护圈距离床面过高时,护圈基本失去防护功能。
对于紧贴床面安装的护圈,直径越大,护圈的防护效率越好,护圈直径为0.30 m和0.35 m时,冲刷深度减少均大于50%,但超过一定限度后,随着护圈直径的增加,达到冲刷平衡的时间也相应的增加,但护圈的防护效果几乎没有变化。
【总页数】13页(P129-141)【作者】祁雷;李宁;朱魁星;孙兆恒;王泽可;杨继旺;王俊荣【作者单位】渤海石油航务建筑工程有限责任公司;中国海洋大学工程学院;中共天津市北辰区委网络安全和信息化委员会办公室【正文语种】中文【中图分类】TV92【相关文献】1.基于Flow3D的海上风电单桩基础冲刷防护数值模拟研究2.基于FLOW-3D的单桩海上风电基础防冲刷数值模拟研究3.海上风电斜桩基础局部冲刷数值模拟研究4.基于Flow^(3D)的海上风电单桩基础局部冲刷数值模拟研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于AFL的海上风电单桩基础冲刷动力响应研究
基于AFL的海上风电单桩基础冲刷动力响应研究郝文辉;李永进;吴宁宇;杨永焱;聂智超;曲树盛;张健【期刊名称】《水道港口》【年(卷),期】2024(45)1【摘要】单桩式基础作为海上风电应用最为广泛的支撑型式,其周围普遍存在不同程度冲蚀。
目前,海上风电基础冲刷后的结构动力响应研究较少考虑叶片、机舱、轮毂等细节特征,而是将上部结构简化为质点或静止状态,缺乏基础-结构-荷载一体化数值仿真方法,难以反映冲刷后风机结构振动规律。
为此,依托菩提岛海上风电场,通过多波束扫测探明了单桩基础最大冲刷深度,基于AFL(等效嵌固长度)法考虑桩基柔性特征,计算不同冲刷深度下桩基等效嵌固长度,建立风、浪共同作用下风机仿真模型,揭示不同冲刷深度下单桩式海上风电动力响应规律。
结果表明,现有桩基冲刷深度难以引起结构共振,且风机的整体振幅较小。
塔架和桩基均在F-A(前后)向出现最大振幅,而S-S(侧)向和YAW(垂)向的位移幅值相对较小,故需要对F-A向振动进行重点监测。
随着桩基局部冲刷深度增加,风机结构固有频率单调递减,当冲刷深度达到12 m,结构整体刚度不足,给出了海上风电单桩基础冲刷安全阈值。
提出的单桩式海上风电动力响应分析方法可为工程中不同冲刷深度引起风机振动安全性评价提供依据。
【总页数】10页(P18-27)【作者】郝文辉;李永进;吴宁宇;杨永焱;聂智超;曲树盛;张健【作者单位】河北建投海上风电有限公司;交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程研究中心【正文语种】中文【中图分类】U65;TV143【相关文献】1.复杂动力环境下海上风电单桩基础冲刷研究进展2.基于Flow3D的海上风电单桩基础冲刷防护数值模拟研究3.基于FLOW-3D的单桩海上风电基础防冲刷数值模拟研究4.基于局部冲刷模型的海上风电单桩水平承载特性研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
海上风电机组大直径单桩防冲刷措施
海上风电机组大直径单桩防冲刷措施
海上风电机组大直径单桩防冲刷措施主要包括以下几个方面：
1. PILE设计：在设计阶段，应根据海洋环境条件和预测的风
浪条件，合理选择大直径单桩的长度和直径，以提供足够的抗冲刷和插入力。
此外，还可以采用钢管桩或混凝土桩等材料，增加桩基的强度和稳定性。
2. 施工方法：在施工过程中，应选择合适的施工方法，确保大直径单桩的正确安装和插入深度。
常用的施工方法包括打桩机、潜水钢管桩等，可以根据具体情况选择最合适的施工方式。
3. 抗冲刷涂层：在大直径单桩表面覆盖抗冲刷涂层，以减缓海水对桩基的冲刷作用。
抗冲刷涂层可以使用高强度耐蚀涂层，如聚氨酯或环氧漆等。
这些涂层具有耐海水、耐腐蚀和耐摩擦等特性，能够有效防止桩基遭受冲刷。
4. 挡泥板和底板：可以在大直径单桩的底部安装挡泥板和底板，以增加桩基的稳定性和抗冲刷能力。
挡泥板和底板可以增加桩基的面积，分散冲刷力，减少海水对桩基的冲刷影响。
5. 检测监测：在风电机组运行期间，应对大直径单桩进行定期的检测和监测，以及时发现并修复可能存在的冲刷问题。
常用的检测方法包括声纳和水下摄像等，可以对桩基进行全面的检测，确保其在海上环境中的安全稳定。
需要注意的是，海上风电机组大直径单桩防冲刷措施的具体实
施应根据具体的海洋环境条件和风浪条件来确定，以确保桩基的稳定性和安全性。
湛江某海上风电桩基局部冲刷特征研究
第39卷第4期2020年12月海岸工程C O A S T A L E N G I N E E R I N G V o l .39 N o .4D e c e m b e r ,2020湛江某海上风电桩基局部冲刷特征研究潘冬冬1,2,李健华1,2,周 川1,2,王 俊1,2(1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司,广东广州510663;2.广东科诺勘测工程有限公司,广东广州510663)收稿日期:2020-07-27资助项目:广东省自然资源厅基金项目海上风电项目建设期和运营期环境影响研究-以广东粤电湛江外罗海上风电项目为例(G D O E [2019]A 09)作者简介:潘冬冬(1989-),男,工程师,硕士,主要从事海洋水文方面研究.E -m a i l :p a n d d 15@163.c o m (李 燕 编辑)摘 要:海上风电场桩基局部冲刷是工程设计与运行阶段的重要参数之一㊂基于湛江某海上风电场桩基3次现场局部冲刷实测数据,进行冲刷坑最大深度㊁冲刷坑半径和冲淤变化特征的分析与研究;根据桩基局部冲刷经验公式,采用工程海域实测海洋水文动力学数据进行最大冲刷深度与冲刷半径的计算,并进行公式计算值的对比与分析㊂结果表明:桩基础在防冲刷设施的保护下,3次实测最大冲刷深度基本稳定为4.0m ,最大冲刷深度与桩径之比为0.57㊂而经验公式的最大冲刷深度与桩径之比均超过了1.1,说明桩基防冲刷设施取得了一定的效果,冲刷坑半径的计算值与现场实测值吻合较好㊂建议海上风电场在运行阶段进一步加强桩基冲刷坑监测与防护㊂关键词:海上风电;桩基;局部冲刷深度;冲刷坑半径中图分类号:T V 148 文献标识码:A 文章编号:1002-3682(2020)04-0271-08d o i :10.3969/j .i s s n .1002-3682.2020.04.005引用格式:P A N DD ,L I JH ,Z HO UC ,e t a l .S t u d y on l o c a l s c o u r c h a r a c t e r i s t i c s o fw i n d p o w e r p i l e f o u n d a t i o n i n o f f s h o r ew i n d f a r mi nZ h a n j i a n g [J ].C o a s t a l E n g i n e e r i n g,2020,39(4):271-278.潘冬冬,李健华,周川,等.湛江某海上风电桩基局部冲刷特征研究[J ].海岸工程,2020,39(4):271-278.桩基础局部冲刷是一个具有重大实用价值的研究内容,伴随着国内海上风电场的兴起与发展,这一研究的重要性日益凸显㊂由于海洋动力作用的因素众多,且不同海域的海底地形㊁底质类型㊁潮流与波浪作用不尽相同,使得桩基局部冲刷深度与冲刷范围的研究更加复杂多变㊂根据已有研究成果,桩基局部冲刷主要通过经验公式㊁物理模型试验和现场地形测量等方法进行研究与分析,韩海骞[1]㊁W a n g 和H e r b i c h [2]分别通过模型试验的方法提出了2个桩基局部冲刷公式,这2个经验公式在实际工程上应用较多,而且也已被‘海上风电场工程风电机组基础设计规范“[3]收录㊂周益人和陈国平[4]通过物理模型试验,研究不规则波作用下的墩柱周围局部冲刷机理,重点对床面泥沙粒径进行详细分析;张玮等[5]和祁一鸣等[6]利用现场实测数据和物理模型试验等方法研究了江苏近海风电场桩基局部冲刷深度,通过与实测数据对比,发现采用叠加波浪作用下的韩海骞公式[1]进行局部冲刷深度计算更为合理㊂本文以湛江某海上风电场某一桩基局部实测地形数据为研究对象,进行局部最大冲刷深度㊁冲刷坑半径和冲淤变化特征的分析与研究,在此基础上,进一步进行桩基局部冲刷经验公式的计算,并且与实测值对比分析,以期为其他同类工程和本风电场运行阶段防冲刷保护提供参考㊂1 研究区域概况1.1 工程概况湛江某海上风电场位于徐闻县外海海域,海底地貌属于水下浅滩㊁水下岸坡地貌单元,有部分沙洲,海底272 海 岸 工 程39卷图1 海上风电场位置F i g .1 L o c a t i o nm a p o f t h e o f f s h o r ew i n d f a r m 泥面标高一般为-13~-1m ,海底地形复杂,起伏较大,属于近海浅水区域风电场,风电场址与实测桩基位置见图1㊂工程海域潮汐类型为不正规半日潮,年平均海面为2.13m ,平均高潮位为2.77m ,平均低潮位为1.54m ,平均潮差为1.23m ,最大潮差为2.69m ㊂潮流类型为不规则全日潮,表现为明显的往复流特征,全潮测验期间实测最大流速1.50m /s ㊂实测年平均有效波高为1.2m ,平均周期为4.5s ,常浪向与强浪向均为E 向㊂场址表层沉积物中值粒径为0.14~0.32mm ,平均值为0.21mm ,并且南部沉积物明显粗于北部㊂1.2 桩基防冲刷保护措施防冲刷保护采用砂袋与砂被复合的保护方式,砂袋和砂被采用渗透系数不小于10-3c m /s 的细砂或者中粗砂,粒径约0.075mm 的颗粒质量分数大于85%,黏性颗粒小于3%㊂砂被制作时考虑收缩,平均厚度为0.40m ;砂被与桩基之间的空隙利用砂袋填平㊂砂被铺设面积约为1200m 2,砂袋用量约为200m 3㊂桩基防冲刷保护立面图与平面图见图2㊂注:图中尺寸以mm 为单位,高程以m 为单位,标高为1985国家高程图2 桩基防冲刷保护示意图F i g .2 As c h e m a t i c d i a g r a mo f a n t i -s c o u r p r o t e c t i o no f p i l e f o u n d a t i o n4期潘冬冬:湛江某海上风电桩基局部冲刷特征研究273 2桩基局部地形测量与分析2.1桩基局部地形桩基局部地形的测量方法为:以桩基础为中心,在500mˑ500m的范围内,采用G P S星链差分技术配合多波束测深仪组成的自动定位测深系统对桩基局部冲刷深度进行测量㊂风电桩基的施工时间为2018年,分别于2019年4月㊁2020年4月和2020年5月对桩基局部地形进行了3次测量㊂地形图见图3(1985国家高程基准)㊂图3桩基附近实测地形F i g.3 T o p o g r a p h y m e a s u r e dn e a r t h e p i l e f o u n d a t i o n由图3a可见,2019年4月桩基周围局部冲刷坑接近于圆形漏斗,冲刷坑半径约为15m;地形高程最深为-8m,最浅为-4m,冲刷坑的最大深度为4m,并且冲刷坑由外往内不断变深㊂由图3b可见,2020年5月桩基周围局部冲刷坑的形状发生了变化,形状不再接近于圆形漏斗,而是一个沿N E S W走向的椭圆形漏斗,并且桩基NW N E S E方向的冲刷范围较小,范围约为15m,而西南方向最大的冲刷范围达到274 海 岸 工 程39卷50m ,与2019年4月的地形相比,呈现出明显的西南向冲刷加剧的趋势,但是冲刷坑的最大深度没有明显变化㊂由图3c 可见,2020年5月桩基周围局部冲刷坑的形状与最大深度与2020年4月地形相比变化很小,处于稳定状态㊂图4为3次实测地形图中2个断面处的剖面图㊂由图4a 可见,冲刷坑呈现出明显的漏斗状,冲刷坑的最大深度变化量很小,基本维持在4m 左右㊂但是在桩基西侧约100m 存在一个地形变化较大的海底斜坡,由东向西逐渐变深,由2020年与2019年的实测地形相比,斜坡明显向西移动了约50m ,说明此处发生过较大的海床淤积过程㊂由图4b 可见,冲刷坑也呈现出漏斗状,2019年4月冲刷坑的最大深度为3m 左右,而2020年的两次最大冲刷深度接近4m ㊂图4 桩基周围海底地形剖面图F i g .4 T o p o g r a p h i c p r o f i l e s o f t h e s e a f l o o r a r o u n d t h e p i l e f o u n d a t i on 图5 桩基周围年度冲淤变化图F i g .5 A n n u a l v a r i a t i o n s o f t h e s c o u r i n g a n d s i l t i n g a r o u n d t h e p i l e f o u n d a t i o n 2.2 桩基局部冲淤变化特征分析图5给出了2019年4月至2020年4月的年度冲淤变化图,其中正值表示淤积,负值表示冲刷㊂由图5a可见,桩基附近500m 范围内发生了较大的冲淤变化过程,尤其是桩基西侧的海底斜坡,最大淤积深度达到4期潘冬冬:湛江某海上风电桩基局部冲刷特征研究275 了5m 左右,其原因可能与某次或几次极端海洋动力变化相关㊂图5b 为桩基周围100m 范围局部冲淤变化图,由图可见,桩基西南侧明显发生冲刷,最大冲刷深度超过2m ,在桩基东侧产生少量淤积,淤积深度约0.5m ,从冲淤形态上看,桩基附近不冲不淤的形状类似 X 形状,其原因可能是在潮流动力长期作用下形成的冲淤形态㊂图6给出了2020年4-5月的月度冲淤变化㊂由图6a 可见,桩基附500m 范围内没有发生较大的冲淤变化过程,海床基本处于稳定的状态㊂图6b 为桩基周围100m 范围局部冲淤变化图,由图可见,桩基北侧和东侧发生少量冲刷,冲刷深度约为1~2m ,其他方向均较稳定,处于不冲不淤状态㊂综上所述,在正常海洋水动力环境下,桩基局部最大冲刷深度已经达到相对稳定状态㊂图6 桩基周围月度冲淤变化图F i g .6 M o n t h l y v a r i a t i o n s o f t h e s c o u r i n g a n d s i l t i n g a r o u n d t h e p i l e f o u n d a t i o n 3 桩基局部冲刷公式及应用3.1 桩基局部冲刷公式3.1.1 韩海骞公式韩海骞通过物理模型试验数据,经过量纲分析得到潮流作用下桩基础局部冲刷深度计算公式[1],通常简称其为韩海骞公式:h b h =17.4K 1K 2B h æèçöø÷0.326d 50h æèçöø÷0.167F r 0.628,(1)F r =u (gh )0.5,(2)式中:h b 为潮流作用下桩基础最大冲刷深度(m );h 为全潮最大水深(m );B 为最大水深条件下平均阻水宽度(m );d 50为泥沙中值粒径(m );F r 为弗汝德(F r o u d e )参数;u 为全潮最大流速(m /s );K 1为基础桩平面布置系数;K 2为基础桩处布置系数㊂韩海骞公式适用于单纯水流条件下的强潮流作用时的局部冲刷计算,而实际海域中存在波流共同作用,根据‘港口航道与水文规范“[7]中波浪水质点平均流速公式计算波浪对局部冲刷的影响,再进行潮流流速的叠加,从而得到波流共同作用下的最大流速,波浪水质点平均流速计算公式为276海岸工程39卷u=πHT s i n h(k h),(3)式中:u为波浪水质点的平均流速(m/s);H为有效波高(m);h为水深(m);k为波数,T为波周期(s)㊂3.1.2王汝凯公式W a n g和H e r b i c h[2]在波浪水槽中做了波流共同作用下的普遍冲刷试验和孤立桩周围沙基冲刷试验㊂通过量纲分析得到相对冲刷深度的经验公式,通常简称为王汝凯公式:l g S u l hæèçöø÷=-1.293+0.1917l gβ,(4)β=N f HL U r N s N r p=H2L V3D[V+(1/T-V/L)H L/2h]2[(ρs-ρ)/ρ]νg2h4d50,(5)N f=V2g h,U r=H L2h3,N s=V f w2[(ρs-ρ)/ρ]g d50,N r p=V Dν,(6)式中:S u l为桩基础最大冲刷深度(m);N f为水流的F r o u d e数的平方;U r为U r s e l l数;N s为颗粒s e d i m e n t 数;N r p为桩的雷诺数;D为桩径;L为波长(m);V为行进流速(m/s);V f w为波流合成速度(m/s);h为行进水深(m);g为重力加速度(m/s2);ρs为泥沙干密度(k g/m3);ρ为水密度(k g/m3);d50为泥沙中值粒径(mm);ν为水的运动黏滞系数(m2/s)㊂3.1.3桩基局部冲刷范围冲刷坑的范围可以用冲刷坑半径表示,其计算公式[3]为r=D2+S t a nφ,(7)式中:r为冲刷坑半径(m);S为冲刷坑的最大深度(m);φ为土体内摩擦角(ʎ)㊂3.2局部冲刷公式参数敏感性分析3.2.1全潮最大流速工程海域全潮测验实测流速成果表明,各测点最大流速介于1.2~1.5m/s㊂图7对比了局部冲刷公式在不同流速作用下的最大冲刷深度㊂由图7可见,桩基局部最大冲刷深度随流速的增大而增大;韩海骞公式在叠加了波浪作用下的冲刷深度后比未叠加时增大了7%~12%;王汝凯公式计算值比韩海骞公式计算值偏大20%~40%,并且随着流速的增大,冲刷深度增大值更加显著㊂3.2.2中值粒径根据场址底质调查结果,表层沉积物中值粒径为0.14~0.32m m,平均值为0.21m m,并且南部沉积物明显粗于北部㊂图8对比了局部冲刷公式在不同中值粒径条件下的最大冲刷深度㊂由图8可见,韩海骞公式冲刷深度计算值随粒径的增大而增大,在叠加了波浪作用下的冲刷深度后比未叠加时增大了8%;王汝凯公式冲刷深度计算值随粒径的增大而减小,并且其敏感性较大㊂原因为韩海骞公式主要针对钱塘江的桩基础,中值粒径取值范围较广;而王汝凯公式是波流共同作用下孤立桩的冲刷试验,适用于无黏性的细砂与中粗砂㊂3.3局部冲刷实测值与计算值对比与分析根据2019年现场实测数据及相关资料,用于桩基局部冲刷计算的部分参数见表1㊂桩基局部冲刷实测值与3个经验公式计算值的对比结果见表2㊂在砂袋与砂被复合保护下,桩基实测最大局部冲刷深度为4.0m,最大冲刷深度与桩径之比为0.57㊂3个经验公式的最大冲刷深度与桩径之比均超过了1.1,由王汝凯公式计算的桩径之比达到了1.64㊂桩基的冲刷坑半径的公式计算值与现场实测值吻合较好,尤其是韩海骞公式的计算结果与实测值基本一致㊂3个经验公式是在不同环境条件下总结得到的,均有各自的适用条件,4期潘冬冬:湛江某海上风电桩基局部冲刷特征研究277 在工程设计上有着广泛的应用㊂由于本文实测桩基采取了有效的防冲刷设施,改善了桩基周围的局部水动力条件,所以冲刷深度明显小于各经验公式的计算值㊂图7 最大流速的影响F i g .7 T h e i n f l u e n c e o fm a x i m u mf l o wv e l o c i t y 图8 中值粒径的影响F i g .8 T h e I n f l u e n c e o fm e d i a nd i a m e t e r 表1 局部冲刷公式相关参数表T a b l e 1 T a b l e o f p a r a m e t e r s r e l a t e d t o t h e l o c a l s c o u r f o r m u l a桩径D /m 水深h /m最大流速V /(m ㊃s -1)有效波高H /m 平均周期T /s 中值粒径d 50/mm 泥沙干密度Ρs /(k g㊃m -3)运动黏滞系数ν/(m 2㊃s -1)土体内摩擦角φ/(ʎ)7.010.71.51.24.50.2126501.05e-632表2 局部冲刷公式计算值与实测值对比T a b l e 2 C o m p a r i s o nb e t w e e nv a l u e s c a l c u l a t e db y u s i n gl o c a l s c o u r f o r m u l a a n dm e a s u r e d i n -s i t u 冲刷坑指标实测值(防冲刷保护)韩海骞公式计算结果韩海骞公式+波浪作用结果王汝凯公式计算结果最大冲刷深度/m4.07.98.611.5最大冲刷深度/D 0.5701.1301.2301.640冲刷坑半径/m 15.015.516.320.8综上,虽然桩基础周围的砂袋与砂被复合防冲刷设施取得了一定的效果,但是伴随着已经形成的冲刷坑,在极端海洋动力作用下,工程海域的海床稳定性较差,桩基周围可能会发生进一步冲刷㊂所以,在工程运行阶段,建议定期开展桩基础局部冲刷深度监测,防止冲刷坑进一步加深导致桩基失稳㊂4 结 论本文根据湛江某海上风电场桩基3次现场局部冲刷实测数据,进行冲刷坑最大深度㊁冲刷坑半径和冲淤变化特征的分析,研究结果表明:1)桩基在砂袋与砂被复合保护下,局部冲刷坑呈现出明显的圆形漏斗状,冲刷坑的最大深度变化量较小,基本维持在4m 左右,最大冲刷深度与桩径之比为0.57,冲刷坑半径为15m ㊂在正常海洋动力条件下,认为桩基局部最大冲刷深度已经达到相对稳定状态㊂2)通过2020年与2019年实测桩基周围地形对比,2020年的桩基础西侧斜坡明显向西移动了约50m ,说明此处发生过较大的海床淤积过程,工程海域海床稳定性较差,在极端海况下容易发生整体性变化㊂3)通过桩基局部冲刷经验公式计算值与现场实测值对比可知,经验公式计算的最大冲刷深度与桩径之比均超过了1.1,明显高于实测值,说明桩基防冲刷设施取得了一定的效果,冲刷坑半径的计算值与现场实测值吻合较好㊂278海岸工程39卷4)建议海上风电场在运行阶段定期进行桩基冲刷坑监测与防护㊂参考文献(R e f e r e n c e s):[1] H A N H Q.R e s e a r c ho n l o c a l s c o u r a t b r i d g e p i e r s u n d e r t i d a l c u r r e n t a c t i o n[D].H a n g z h o u:Z h e j i a n g U n i v e r s i t y,2006.韩海骞.潮流作用下桥墩局部冲刷研究[D].杭州:浙江大学,2006.[2] WA N G R K,H E R B I C HJB.C o m b i n e d c u r r e n t a n dw a v e p r o d u c e d s o u r a r o u n d a s i n g l e p i l e[R].T e x a s,U S A:T e x a sE n g i n e e r i n g E x-p e r i m e n t S t a t i o n,1983.[3] C h i n aR e n e w a b l eE n e r g y E n g i n e e r i n g I n s t i t u t e.C o d e f o rd e s i g no fw i n dt u r b i n e g e n e r a t o r s y s t e mf o u n d a t i o n s f o ro f f s h o r ew i n d p o w e rp r o j e c t s:N B/T10105-2018[S].B e i j i n g:C h i n aW a t e r&P o w e r P r e s s,2019:105-107.水利水电规划设计总院.海上风电场工程风电机组基础设计规范:N B/T10105-2018[S].北京:中国水利水电出版社,2019:105-107.[4] Z H O U Y R,C H E N GP.S t u d y o n l o c a l s c o u r a r o u n da l a r g e c i r c u l a r c y l i n d e r u n d e r i r r e g u l a rw a v e a c t i o n[J].J o u r n a l o f S e d i m e n tR e-s e a r c h,2007,1(5):17-23.周益人,陈国平.不规则波作用下墩柱周围局部冲刷研究[J].泥沙研究,2007,1(5):17-23.[5] Z H A N G W,P U X,L I A O YD,e t a l.C a l c u l a t i o n o f l o c a l s c o u r a r o u n d p i l e s o f o f f s h o r ew i n d p o w e r o nm u d d y c o a s t[J].T h eO c e a nE n g i n e e r i n g,2010,28(2):105-109.张玮,濮勋,廖迎娣,等.淤泥质海岸近海风电塔基局部冲刷计算研究[J].海洋工程,2010,28(2):105-109. [6] Q IY M,L UPD,Z E N GC J,e t a l.E x p e r i m e n t a l s t u d i e s o n l o c a l s c o u r o f o f f s h o r ew i n d t u r b i n e p i l e[J].H y d r o-S c i e n c e a n dE n g i n e e r i n g,2015(6):60-67.祁一鸣,陆培东,曾成杰,等.海上风电桩基局部冲刷试验研究[J].水利水运工程学报,2015(6):60-67. [7] C C C CF i r s tH a r b o rC o n s u l t a n t sC o.,L t d.C o d e o f h y d r o l o g y f o r h a r b o r a n dw a t e r w a y:J T S145-2015[S].B e i j i n g:C h i n aC o mm u n i c a-t i o n sP r e s sC o.,L t d.2015:74-75.中交第一航务工程勘察设计院有限公司.港口与航道水文规范:J T S145-2015[S].北京:人民交通出版社有限公司,2015:74-75.S t u d y o nL o c a l S c o u rC h a r a c t e r i s t i c s o fW i n dP o w e rP i l eF o u n d a t i o n i nO f f s h o r eW i n dF a r mi nZ h a n j i a n gP A N D o n g-d o n g1,2,L I J i a n-h u a1,2,Z HO U C h u a n1,2,WA N GJ u n1,2(1.C h i n aE n e r g y E n g i n e e r i n g G r o u p G u a n g d o n g E l e c t r i cP o w e rD e s i g nI n s t i t u t eC o.,L t d.,G u a n g z h o u510663,C h i n a;2.G u a n g d o n g K e n u oS u r v e y i n g E n g i n e e r i n g C o.,L t d.,G u a n g z h o u510663,C h i n a)A b s t r a c t:L o c a l s c o u r o f a p i l e f o u n d a t i o n i n o f f s h o r ew i n d f a r m i s o n e o f t h e i m p o r t a n t p a r a m e t e r s i n e n g i n e e r i n g d e s i g n a n d o p e r a t i o n a l s t a g e.B a s e d o n t h e l o c a l s c o u r d a t am e a s u r e d i n-s i t u3t i m e s a t a p i l e f o u n d a t i o n i n a n o f f-s h o r ew i n d f a r mi nZ h a n j i a n g,t h em a x i m u m d e p t ha n dr a d i u so f s c o u r p i t s a n dt h ec h a n g i n g c h a r a c t e r i s t i c so f s c o u r i n g a n d s i l t i n g a r e a n a l y z e d a n d s t u d i e d.T h em a x i m u md e p t h a n d r a d i u s o f t h e s c o u r i n g a r e c a l c u l a t e d a c c o r d-i n g t o t h e e m p i r i c a l f o r m u l a o f l o c a l s c o u r o f p i l e f o u n d a t i o n a n db y u s i n g m a r i n e h y d r o d y n a m i c d a t am e a s u r e d i n t h e e n g i n e e r i n g s e a a r e a,a n d t h e n t h e c a l c u l a t e d v a l u e s a r e c o m p a r e d a n d a n a l y z e d.T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t u n d e r t h e p r o t e c t i o n o f s c o u r-p r o o f i n g f a c i l i t i e s,t h em a x i m u ms c o u r d e p t h o f t h e p i l e f o u n d a t i o nm e a s u r e d i n-s i t u3t i m e s i s s t a b i l i z e d b a s i c a l l y a t4.0ma n d t h e r a t i o o fm a x i m u ms c o u r d e p t h t o p i l e d i a m e t e r i s0.57.T h e r a t i o o f t h em a x i-m u ms c o u r d e p t h t o t h e p i l e d i a m e t e r c a l c u l a t e d b y u s i n g t h e e m p i r i c a l f o r m u l a i s g r e a t e r t h a n1.1,i n d i c a t i n g t h a t t h e s c o u r-p r o o f i n g f a c i l i t i e s f o r t h e p i l e f o u n d a t i o n h a v e a c e r t a i n e f f e c t.T h e v a l u e s c a l c u l a t e d f o r t h e s c o u r p i t r a d i-u s a r e i n g o o d a g r e e m e n tw i t h t h o s em e a s u r e d i n-s i t u.I t i s t h e r e f o r e s u g g e s t e d t h a t d u r i n g t h e o p e r a t i o n a l s t a g e o f a n o f f s h o r ew i n d f a r mt h em o n i t o r i n g a n d p r o t e c t i o no f t h e s c o u r p i t s o f t h e p i l e f o u n d a t i o ns h o u l db e e n h a n c e d f u r t h e r.K e y w o r d s:o f f s h o r ew i n d p o w e r;p i l e f o u n d a t i o n;l o c a l s c o u r d e p t h;r a d i u s o f s c o u r p i tR e c e i v e d:J u l y27,2020。
海上风电单桩基础防冲刷固化土施工工艺
海上风电单桩基础防冲刷固化土施工工艺内容摘要：本文主要论述海上风电单桩基础防冲刷固化土充填施工工艺，防冲刷形式一般为砂被防护，仿生水草防护，地基冲刷检测以及固化土施工。
固化土充填施工作为近年来常见的单桩基础防护工艺，其特点有简便施工，防护范围大，防冲刷效果好等特点。
固化土充填施工质量控制要点有原材料检测，配合比控制，固化土制备，样品检测，防护面积测定等，本文将详述以上工艺特点。
关键词：固化剂；素土；固化土；检测；自动搅拌制备池；防护面积。
1 绪论1.1前言单桩基础防冲刷传统形式有抛石法、砂被防护法、仿生水草防护法。
淤泥固化土法为近两年探究新模式，针对施工过程中面临的质量不可控、施工周期长、耐久性不足、造价高等问题，以开展海上风电单桩基础施工技术研发为突破口，将高含水率淤泥固化土应用于风电桩基础防护。
采用无机复合型固化材料，利用海洋淤泥资源、采用化学固化方式、便捷式管道泵送系统，将超高含水率淤泥固化土直接填至桩基周围海床面，依靠可控的浆液流动性，自主流至需防护范围，超高含水率淤泥固化土泥浆由液态逐步转变为抗冲刷的固态土体，其强度随着凝结过程的发展逐渐生长，最终在桩周形成整板状的淤泥固化土护底结构。
固化土施工1.2固化土工艺主要优势1）抗冲刷能力强:材料整体匀质性好，粘聚力指标高，抗冲刷能力强(可抵抗4m/s以上流速的水流冲刷);2）与桩基贴合性好:自流性可控，施工中的液态状固化土泥浆与桩基贴合紧密，没有缝隙，不易产生冲刷点，边界可形成缓坡，不易产生冲刷启动;3）结构整体性好:底部贴合且融合于海床形成紧密的大整板结构，潜在的抵御涌浪破坏作用效果显见;4）施工便捷、高效:利用固化土较高流动性，采用船上拌和直接泵送的工艺，可将固化土泵送至指定部位，全面覆盖，且可规模化作业;5）施工安全、可靠:采用管道泵送工艺，施工作业时无需靠近桩基，可大大减少施工中对桩基碰撞所产生的意外损伤，安全防护可靠有保障;6）水稳定性及耐久性好:使用稳定，修复量少，解决了风电桩基础防护及修复中的众多难题，大大减少工程后期的维护费用，使用寿命优势明显；7）环保价值高:固化土材料符合国家的各项环保要求，同时减少了对砂石料等不可再生资源的消耗，极大的响应了环境保护及生态文明建设的国策号召。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
海上风电单桩基础局部冲刷研究进展
摘要：现如今，我国的经济在快速发展的过程中，我国是新能源快速发展的新
时期，风能作为一种绿色环保的可再生能源具有重要的应用前景，海上风力发电
的研究受到广泛关注。
在波浪和潮流荷载作用下，会导致风电桩基周围土体发生
局部冲刷，影响桩基的性能。
阐述了海上风电单桩基础局部冲刷的研究进展，综
述了桩基局部冲刷的机理，总结了不同的平衡冲刷深度计算方法，对不同学者的
模型试验、数值计算以及现场观测进行对比分析，探讨其中的不足并提出若干展
望和思考。
相关研究成果显示结合现场观测数据和冲刷预测模型的海上风机单桩
基础防冲刷设计是有效的。
关键词：局部冲刷;单桩基础;冲刷深度;耦合作用;海床
引言
近海波浪和水流两种海洋动力对海洋工程影响很大，更是海上风电基础局部
冲刷的主要影响因素。
波流共同作用下局部冲刷研究认为，波浪与水流共同作用
和水流单独作用建筑物冲刷形态大致相同，波浪作用非冲刷主要动力，其冲深比
单独水流的冲深值略大。
潮流波浪造成风电桩基底床局部冲刷，进而影响风电桩
基结构的稳定。
因此，对风电桩基进行冲刷及防护研究具有重要意义。
在海洋工
程实践及国内、外研究中，最为常见的海底结构物防冲刷措施有消能减冲和护底
抗冲两种。
消能减冲的措施之一是在基础上、下游设置防护桩群，折减流速，将
冲刷坑位置前移，从而减小基础范围内的冲刷深度。
护底抗冲措施是利用抛石、
沙枕、沙袋、软体排等结构对桥墩基础及周围进行防护。
本次设计防护措施即为
护底抗冲措施。
通过正态物理模型对海上风电桩基局部冲刷情况及防护问题进行
研究，在风电桩基局部冲刷的基础上进行防冲方案验证，为风电桩基冲刷防护提
供技术支撑。
1海上风机单桩基础动力环境及冲刷分析
海上的环境比陆地上要恶劣得多，与陆地上的荷载相比，海上的荷载主要是
动力荷载，除地震以外，还有风、波浪、流甚至冰等水平荷载，因此海上风机的
建设较陆上风机需要更为先进的工程技术给予支撑。
在过去的１０年间，海上风
机的尺寸变得越来越大，为了尽可能地降低成本，海上风机被建成了非常细长的
柔性结构，不恰当的基础设计极有可能造成风机结构在风或波浪等作用下的共振
破坏。
如何保障海上风机在风、浪、流及地震等频率迥异的动荷载作用下的安全
稳定仍是目前研究的重点和难点。
海上风机桩基础的安全设计中最重要且难度最
大的一个环节便是预测复杂海洋动力条件下的桩基础最大冲刷深度，不足或过于
保守的冲刷设计深度将分别导致建筑物的失稳破坏可能性的增加或施工成本的大
幅上浮。
据统计，目前世界范围内已建近海风机基础中７５％都使用了大直径单
桩基础，因此欧洲传统的风电强国积累的风机基础设计经验也主要集中在大直径
单桩基础上，涌现出了一大批单桩基础在波流共同作用下的冲刷及防护设计方法。
大直径单桩基础是一种极有潜力的新型近海风机基础型式，与一般的桩基础相比，它具有更大的直径，直径一般在３～８ｍ，壁厚一般在３０～６０ｍｍ，长径比
也较传统的桩基小很多，一般在１０ｍ左右。
2数值计算与数值模拟
建立的模型包括波浪场、流场、剪应力模型和冲淤形态模型。
计算结果与试
验符合较好，最大冲刷深度均在圆柱的侧前方±(45°～90°)，与李林普、但计算淤
积范围和高度与实验值有一定差异。
基于水气、水土界面捕获，分别选择
Eulerian方法(VOF)和Lagrangian方法(动态网格法)，建立了一种新型数值模型Foamscour。
试验结果对比发现单桩地基最大冲刷深度比试验结果偏大，但冲刷
形态和性质大致与实验结果吻合。
三维有限元冲刷模型揭示了桩基侧向变形和旋
转角的累积速率随着荷载的循环次数增加而增大，冲刷深度越大，侧向变形和旋
转角越大。
研究了不同类型接触单元和土体单元下冲刷后的桩基承载性能的变化
规律，结果表明土体冲刷过后具有卸载回弹效应，采用高承台计算得出的结果与
实际偏差较大。
基于冲刷深度随时间变化的理论基础，提出了一种新型的STEP
时间－冲刷深度模型，对于清水和活床冲刷均适用，经过对比发现采用S/D=1.25
更接近试验结果。
利用ANSYS建立了不同冲刷深度下风机集中质量的支撑系统三
维模型，随着冲刷深度的增加，风机支撑系统的3～6阶频率显著降低，振型存
在多样性。
利用FLOW－3D，采用(ＲNG)k－ε涡流模型，开展了数值模拟。
通过
模型试验和数值模拟的结果对比发现两者的流体速度分布、剪应力分布以及防冲
刷层沉降比较吻合，而在防冲刷层表面和自由流体界面处有明显差异。
基于有限
元分析，进而模拟CBG701井场桩周土的冲刷过程。
研究表明随着冲刷深度的增加，对土的承载力影响越显著，提出了采用沙袋填充桩基底部未入泥部分，起到
防止和减小冲刷的目的。
基于Openfoam开源程序和动网格技术，通过海床面剪
应力平衡法建立了冲刷数学模型，得到了海床面冲刷速率和冲刷量E，剪应力τ
的关系，以此作为判断是否发生冲刷的条件。
31:20比尺模型试验
从冲刷坑的个数来看，在筒型基础的前后两侧出现了两个形状不对称的冲刷
坑剖面形态。
造成两个特征剖面冲刷坑形态不一样的原因可能在于:待试验结束，
将水槽中的水放掉之后，发现特征剖面1侧的两个冲刷体积较大，特征剖面1测
量的断面基本横穿此侧两个冲刷坑的中间位置，所以特征剖面1中两个冲刷坑的
演化过程较为明显;而特征剖面2一侧的两个冲刷坑体积较小，此侧两个冲刷坑的
大小也不完全一致，特征剖面2中显示的冲刷坑是此侧较大的冲刷坑的发展变化
过程，另一个冲刷坑因为体积较小，紧贴模型的表面，还没有发展到特征剖面2
的位置，因此在特征剖面2的历时曲线中并没有体现出这个小冲刷坑的发展过程，造成筒型基础前后两侧冲刷坑不对称的根本原因是由于试验中双向泵反向运动形
成反向水流时流速小于正向水流造成，类似于涨潮流速大于落潮流速情况。
4设计方案冲刷验证试验
防冲刷试验是在冲刷坑形成条件下进行的，模型防护范围根据前面冲刷试验
情况采用最远?1.00m冲刷范围，即单桩外围12.50m，模型中范围为0.25m。
模
型试验中土工布厚约2.0mm，袋装沙按装满46%左右重的沙，块石选用0.48g、1.30g、2.65g、21.2g、169.6g五种重量，前四种碎石厚度均为20.0mm，169.6g碎石厚度约为40.0mm。
结语
本研究对国内外复杂动力环境下海上风电单桩基础冲刷相关研究进行了系统
地回顾与分析，发现以往对桩基冲刷安全设计的研究主要包括桩基—土体相互作
用与传统桩基冲刷两个方面，前者研究重点多集中于干土环境下的模拟冲刷对桩
体结构动力响应的影响，后者则重点考虑在波流耦合环境下的冲刷机理与预测。
虽然国内外学者在这两个方面开展了较多的研究，但两方面之间的交叉研究却比
较匮乏。
而在实际工程中，海上风电单桩基础在承受传统波、流荷载冲刷的同时
还遭受周期性的风、浪、流以及风机叶片转动所引发的振动荷载，着实存在两个
方面研究点复杂耦合的情况。
因此，未来该领域的研究应加强对这一复杂耦合现
象的研究，深入探究冲刷过程对风机单桩基础结构动力特性的影响，揭示复杂荷载动力条件下风机单桩基础附近的冲刷机理，精细预测最大冲刷深度，进一步优化现有冲刷防护设计，为近海风电工程桩基创新设计、管理和维护提供可靠科学依据。
参考文献
[1］姜绍云，李志刚，段梦兰，等．波流作用下导管架平台桩基冲刷试验研究［J］．石油机械，2012，40(9):57－61．
［2］程永舟，蒋昌波，潘昀，等．波浪渗流力对泥沙起动的影响［J］．水科学进展，2012，23(2):256－262．。