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为理解海上风电机组水下基础侵蚀冲刷,首先,应了解其所处区域水文状况,认识到潮流的常年往复冲刷会改变水下基础附近水下地形;其次,应认识到水中单柱结构受水流影响时,会对周边海底环境造成影响,进而应认识单柱桩对周边环境造成冲刷的原理和过程;最后,应了解海底面冲刷现状对水下基础影响是否受相关规范限制要求,进而明确使用的相关规范中对此类影响的限制条件。
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林伟波等[2]指出研究区域位于南黄海辐射沙洲东北部V4站点附近,V4测站流向受地形影响最为明显,呈现旋转流趋势,潮流速从北往南逐渐减小,大潮时V4的最大涨潮、落潮流速为1.09 m/s、1.25 m/s。小潮时期流速明显减小,V4的最大涨潮、落潮流速为0.57 m/s、0.63 m/s,如图3所示。
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林明惠等[3]指出单柱形水中构筑物的建设必然改变了原有的水流特征,使原有的河床冲刷环境发生改变。当水流流经桥墩时,迎流面阻滞了水流,改变了水流结构。单柱桩周围水流结构主要包括墩前水表面涡流(分为上下两股水流,向上部分将动能转化为势能,向下部分在桩前形成涡流,将桩底部海床淘离)、桩前向下切流(与表面流下切部分形成合力,产生下切流,造成桩前冲刷)、马蹄形涡流(下切流在桩前形成,具有最大冲刷能力)和尾迹涡流(水流绕过桩柱后形成湍流),如图4所示。
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根据现有的研究成果,韩海骞公式[4]、《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30-2015)[5]中65-2式、65-1式在实际应用中较为广泛。
张玮等[6]和祁一鸣等[7]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进行局部冲刷深度计算更为合理。
1) 65-2式
$$ {h}_{\mathrm{b}}=\left\{\begin{array}{c}{{K}_{\text{ξ}}K}_{\text{η}2}{h}_{\mathrm{p}}^{0.15}{B}_{1}^{0.6}(\dfrac{v-{v'_{0}}}{{v}_{0}})v\leqslant {v}_{0}\\ {{K}_{\text{ξ}}K}_{\text{η}2}{h}_{\mathrm{p}}^{0.15}{B}_{1}^{0.6}{\left(\dfrac{v-{v'_{0}}}{{v}_{0}}\right)}^{{n}_{2}}v > {v}_{0}\end{array}\right. $$ (1) $$ {{K}_{\eta 2}} = \frac{{0.0023}}{{{{{\bar d}}^{2.2}}}} + 0.375{{\bar d}^{0.24}} $$ (2) $$ {{v}_0} = 0.28{\left( {{\bar d} + 0.7} \right)^{0.5}} $$ (3) $$ {v'_{0}}=0.12{\left( {{\bar d} + 0.5} \right)^{0.55}} $$ (4) $$ {{n}_2} = {\left( {\frac{{{{v}_0}}}{{v}}} \right)^{0.23 + 0.19\lg {\bar d}}} $$ (5) 式中:
${h}_{{\rm{b}}}$ ——桥墩的局部冲刷深度(m);${K}_{\text{ξ}}$ ——墩形系数,单柱桩取1.0;$ {B}_{1} $ ——桥墩计算宽度(m);${\bar d}$ ——河床泥沙平均粒径(mm);${K}_{\text{η} 2}$ ——河床颗粒的影响系数;$ v $ ——一般冲刷后墩前的行进流速(m/s);$ {v}_{0} $ ——河床泥沙起动的流速(m/s);${v'_0}$ ——墩前河床泥沙始冲的流速(m/s);$ {n}_{2} $ ——指数。2) 65-1式:
$${h}_{\mathrm{b}}=\left\{\begin{array}{l}{{K}_{\text{ξ}}K}_{\text{η}1}{B}_{1}^{0.6}(v-{v'_{0}})v\leqslant {v}_{0}\\ {{K}_{\text{ξ}}K}_{\text{η}1}{B}_{1}^{0.6}(v-{v'_{0}}){\left(\dfrac{v-{v'_{0}}}{{\mathrm{v}}_{0}-{v'_{0}}}\right)}^{n'}v > {v}_{0}\end{array}\right.$$ (6) $$ {{v}_0} = 0.024{\left( {\dfrac{{{{h}_{\rm{p}}}}}{{d}}} \right)^{0.14}}\sqrt {332{\bar d + }\dfrac{{{\rm{10 + }}{{h}_{\rm{p}}}}}{{{{{\bar d}}^{{\rm{0}}.{\rm{72}}}}}}} $$ (7) $$ {{K}_{\text{η} 1}} = 0.8\left( {\frac{1}{{{{{\bar d}}^{0.45}}}} + \frac{1}{{{{{\bar d}}^{0.15}}}}} \right) $$ (8) $$ {v'_{0}}=0.462{\left( {\frac{{{\bar d}}}{{{{B}_1}}}} \right)^{0.06}}{{v}_0} $$ (9) $$ {{n}_1} = {\left( {\frac{{{{v}_0}}}{{v}}} \right)^{0.25{{{\bar d}}^{0.19}}}} $$ (10) 式中:
$ {h}_{{\rm{b}}} $ ——桥墩局部冲刷深度(m);${K}_{\text{ξ} }$ ——墩形系数,单柱桩取1;$ {B}_{1} $ ——桥墩计算宽度(m);${\bar d}$ ——河床土平均流速(mm);$ {h}_{p} $ ——一般冲刷后水深(m);$ v $ ——一般冲刷后墩前行进流速(m/s);$ {v}_{0} $ ——河床泥沙起动流速(m/s);$ {n}_{1} $ ——指数;${K}_{\text{η} 1}$ ——为河床颗粒的影响系数;${v'_{0}}$ ——墩前河床泥沙始冲流速(m/s)。3) 韩海骞公式
$$ \frac{{h}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{h}=17.4{k}_{1}{k}_{2}{\left(\frac{B}{h}\right)}^{0.326}{\left(\frac{{d}_{50}}{h}\right)}^{0.167}\mathrm{F}{\mathrm{r}}^{0.628} $$ (11) $$ \mathrm{F}\mathrm{r}=\frac{u}{\sqrt{\text{g}h}} $$ (12) 式中:
$ {h}_{{\rm{max}}} $ ——潮流作用下桥墩局部冲刷深度,含一般冲刷和局部冲刷(m);$ {k}_{1} $ ——基础桩平面布置系数,条带型取1.0,梅花型取0.862;$ {k}_{2} $ ——基础桩垂直布置系数,直桩取1.0,斜桩取1.176;$ B $ ——全潮最大水深条件下平均阻水宽度(m);$ h $ ——全潮最大水深(m);$ {d}_{50} $ ——河床泥沙的平均中值粒径,可根据河床取样资料的泥沙粒配曲线查得(mm);$ \mathrm{F}\mathrm{r} $ ——水流弗汝德系数;$ u $ ——全潮最大流速(m/s);$ \text{g} $ ——重力加速度(m/s2)。 -
本文选择70#、61#、46#三个风电机组进行对比分析。70#为两次作业重合范围的最东侧,靠近作业区域东侧浅滩,2018年作业时其东部为浅滩,水深不足3 m,2020年作业可以正常航行;61#与70#为同一行的东西两端,61#桩2018年、2020年时均可正常通行;46#位于作业区域中心附近,2018年时东部为浅滩,2020年时可通行,且浅滩向东部运行较远。各桩基位置及编号如图11中黑色圆点所示。
桩基冲刷监测时,以桩基为中心,半径60 m设置为调查范围,如遇到冲刷槽应探测完整。部分站位探测范围半径超过120 m。
70#风机机组2018年时海底面高程约9 m,冲刷造成的海底面流失较为明显,水中基础裸露,水下基础周围地形下降,西侧出现较为明显的冲刷坑。在南部出现地形下陷。整体看最大深度13.4 m;2020年时海底面水深降至10 m以下,东西冲刷范围有所缩减,南北向形成明显冲刷槽,南北向可见较为明显的淘离。70#风电机组水下地形伪彩二维等值线图如图12所示。
图 12 70#风电机组水下地形伪彩二维等值线图
Figure 12. Pseudo-color 2D contour plot of underwater terrain of No. 70 wind turbine
61#风机机组与70#机组东西分布于风电场两端。2018年时海底面高程约10 m,冲刷造成的海底面流失较为明显,南部有较为发达的冲刷槽,北部较小,呈水滴状,与理论中马蹄形涡流形成的淘离结构最为接近。2020年时整体海底面降至12 m,形成南北向冲刷槽。桩柱周边水深变化稍缓。61#风电机组水下地形伪彩二维等值线图如图13所示。
图 13 61#风电机组水下地形伪彩二维等值线图
Figure 13. Pseudo-color 2D contour plot of underwater terrain of No. 61 wind turbine
44#风机机组为本海域中心位置,水下地形伪彩二维等值线图如图14所示。
图 14 44#风电机组水下地形伪彩二维等值线图
Figure 14. Pseudo-color 2D contour plot of underwater terrain of No. 44 wind turbine
44#风机机组2018年海底面高程约15 m,冲刷造成圆形侵蚀,南部有地形崩坏。2020年海底面降至16 m,冲刷槽明显。
通过套用韩海骞公式,计算各桩基冲刷槽冲刷深度、实测深度进行统计,结果如表1所示。
表 1 冲刷深度对比表
Table 1. Scouring depth comparison table
m 桩基
编号年度 海底平均高程 最深处高程 冲刷深度 年度冲刷深度差值 公式推算高程 公式与实
测差值70# 2018 9 18.7 9.7 2.1 7.5 2.2 2020 10 21.8 11.8 9.5 2.3 61# 2018 10 14.8 4.8 4.9 4.5 −0.3 2020 12 21.7 9.7 3.9 5.8 44# 2018 15 19.6 4.6 0.9 4.2 0.4 2020 16 21.7 5.7 5.1 0.6 由表1数据分析可知:
1)西南部与中部相比,2018年冲刷深度分别为4.3 m、4.6 m,2020年冲刷深度分别为3.7 m、5.7 m。不同年份冲刷最大深度变化趋势一致,均为加深,西南部加深幅度较大为4.9 m。
2)东南部与中部相比,2018年冲刷深度分别为9.7 m、4.6 m,2020年冲刷深度分别为11.8 m、5.7 m。不同年份冲刷最大深度变化趋势一致,均为加深,东南部加深幅度较大为2.1 m。
3)通过韩海骞公式对各桩基冲刷深度进行计算,中部区域计算值与实测值差距较小,东西两侧差距较大。
闻云呈等[11],指出目前的概化理论对单柱桩在潮流与波浪作用下的冲刷成果进行描述时会出现成果不连续,恒定流冲刷试验与潮流冲刷成果差异明显,恒定流试验成果应用于潮流成果时应谨慎。
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综上,2020年平均水深较2018年出现整体加深,风电场东西两侧冲刷程度较为严重,相较于中部区域最大水深变化幅度更大。理论公式在计算冲刷深度时,在海底面变化较为平缓的中部区域实测结果与计算结果差值较小,东西两侧则差距较为明显。
Application of Multi-Beam Sounding System in the Monitoring of Pile Foundation Erosion of Offshore Wind Turbines
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摘要:
目的 研究海上风电场风电机组水下基础部分受潮流及波浪影响对其周边海底地形发生的影响。 方法 通过两次海底地形调查,对海底地形变化进行比较。 结果 研究表明:海上风电机组水下基础的冲刷主要发生在当地潮流方向上,建设初期会形成较深的冲刷坑,2年后出现冲刷槽,形成冲刷槽后桩基础周边会出现小幅度淤积。 结论 长期进行海洋风电机组基础侵蚀监测,有助于了解侵蚀范围、深度的变化,进行水文调查将有助于建立海洋水动力模型,进而对风电机组基础侵蚀进行预测。应进行抛石、固化土等措施进行侵蚀填充,延缓侵蚀发生。 Abstract:Introduction The purpose is to study the influence of tidal current and wave on the sub-aqueous foundation of wind turbine in offshore wind farm. Method Through two seabed topography surveys, the changes of seabed topography were compared. Result The study shows that the erosion of the foundation of offshore wind turbines mainly occur in the direction of local tides. In the early stage of construction, a deep scour pit will be formed, and scour troughs will appear after two years, and siltation will appear around the foundation after the scour troughs are formed. Conclusion Long-term monitoring of the foundation erosion of offshore wind turbines is helpful to understand the changes in the extent and depth of erosion. Hydrological surveys will help to establish ocean hydrodynamic models to predict the foundation erosion of wind turbines. Measures such as rock dumping and solidified soil should be carried out for erosion filling to delay the occurrence of erosion. -
Key words:
- offshore wind farm /
- single-column pile /
- scour /
- multi-beam sounding /
- erosion
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表 1 冲刷深度对比表
Tab. 1. Scouring depth comparison table
m 桩基
编号年度 海底平均高程 最深处高程 冲刷深度 年度冲刷深度差值 公式推算高程 公式与实
测差值70# 2018 9 18.7 9.7 2.1 7.5 2.2 2020 10 21.8 11.8 9.5 2.3 61# 2018 10 14.8 4.8 4.9 4.5 −0.3 2020 12 21.7 9.7 3.9 5.8 44# 2018 15 19.6 4.6 0.9 4.2 0.4 2020 16 21.7 5.7 5.1 0.6 -
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