某海上风电场基础结构防冲刷物理模型试验

范少涛,朱嵘华,陶梓健,张融圣,刘寒秋,田振亚

(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 510000;2.浙江大学 海洋学院,浙江 舟山 316021; 3.阳江海上风电实验室,广东 阳江 529500;4.浙江大学 华南工业技术研究院,广东 广州 510000)

0 引 言

随着化石燃料的不断消耗和人类对全球变暖等环境问题的日益重视，可再生能源在世界能源结构中的重要程度不断增强。海上风电作为优秀的可再生能源在近几年发展迅速。截至2021年底，世界海上风电总装机容量超过57.2 GW，其中中国占据约48%[1]。然而，我国近海气象水文条件复杂多变，如何保障结构物安全性是海上风电工程的一大严峻挑战。近海海上结构大多以桩柱、导管架等重力式基础为主，在风、浪、流的联合作用下，桩柱附近泥沙极易起动，暴露基础结构。这一方面会显著降低桩基的承载能力与稳定性，另一方面埋深的减小削弱了结构的侧向约束，导致其整体自振频率下降、更易发生疲劳破坏。因此，研究海上风电基础结构受到的冲刷作用与冲刷防护对延长风电场的有效工作时间、增强海上风电经济性有着积极的意义。

基础冲刷问题是海洋工程结构物不可避免的安全问题之一，其主要通过破坏基础海床周围土体，从而影响结构的固有频率和地基的横向承载力，在冲刷严重时需进行停机维护，易增加运维成本[2-3]。目前，工程实际中采用的冲刷防护措施可按防护机理分为实体抗冲防护和减速不冲防护两大类。其中，减速不冲防护不适用于剧烈流场环境[4]。国内外有大量研究表明，添加合适的冲刷保护装置有助于降低冲刷深度、提高基础安全性。秦肖等[5]通过单桩局部冲刷抛石防护模型试验得出抛石防护能够明显抑制冲刷坑发展的结论。王亚康[6]针对采用软体土工砂被防护方案失效的单桩基础，选用抛石防护进行冲刷防护修复，证实抛石修复工艺的有效性。魏凯等[7]采取比尺试验的方法验证防冲刷护圈对单向流和潮汐流的防护作用。王卫等[8]通过模型试验研究水下胶结块石技术对海上风电单桩基础的冲刷防护效果。MATUTANO等[9]研究预测冲刷深度和冲刷过程的不同方法，以及冲刷防护装置，认为可以将冲刷保护程度作为冲刷预测经验公式的参数。WHITEHOUSE等[10]对欧洲海上风电场的冲刷数据进行分析，认为单桩基础的冲刷防护是有效的，但过高的防护层可能引起更严重的边缘冲刷。目前，研究大多仅考虑单一冲刷防护措施的防护效果，缺少不同防护之间的对比试验、对比不同防护之间的防护效果与经济性从而选择最适合确定风电场水文环境的防护措施。

综上所述，本文以广东某海上风电场为基础，在设计最不利的条件下，针对风电单桩基础与升压站平台导管架基础进行抛石防护与混凝土联锁排防护试验。通过试验结果评估抛石与混凝土联锁排等防护措施的抗冲刷效果后，结合成本分析各冲刷方案的成本与技术难度，提出该场区实际防冲刷方案宜采用抛石搭配混凝土联锁排措施的建议，为防冲刷工程设计提供参考。

1 试验概况

1.1 静态工况

试验所使用的大断面波流水槽[见图1(a)]总长为46.0 m，截面宽为1.5 m，最大工作水深为1.0 m，在水槽中段砌设长为20.00 m、宽为1.50 m、深为0.15 m的沙盘作为冲刷区。水槽中配有1台采样频率为50 Hz的声学多普勒流速仪(ADV)，以超声波探头测量其下5 cm处的流速，其实物及监测界面如图1(b)所示。ADV测点位置设置在沙盘床面上方0.37倍水深的水槽纵轴线上。根据恒定明渠流的流速对数分布律，可以使用该位置的流速数据来代表过流断面的平均流速。在水槽最上游与最下游的桩柱迎波面附近各布置1台采样频率为100 Hz的浪高仪，如图1(c)所示。水槽侧壁上方设有纵向导轨，架设1台地形测车，可通过水下探头的超声反射测量最大冲深并扫描冲坑地形。测车布置情况如图1(d)所示。

图1 试验仪器布置

1.2 静态工况

对于局部冲刷试验，采用正态模型能准确反映冲坑形态，由于波浪运动主要由重力提供回复力，且桩柱附近发生剧烈湍动、雷诺数可达到自模条件，因此采用重力相似准则以满足水质点运动相似与动力相似。为避免模型砂影响试验精度，可使用系列模型延伸试验的方法开展冲刷试验，其主要原理是采用原型砂进行不同比尺的冲刷试验，并通过冲刷结果外推得到原型冲刷深度[11]。以场区46号机组附近底质为原型砂，取舟山海域泥沙，严格筛制模型砂，并进行起动试验，测得其起动流速约0.31 m/s，这一数值与原型砂的经验公式计算结果相近，因此认为筛制的模型砂可反映场区砂性底质的起动特性。

本次试验采用泥沙的中值粒径d50为0.25～0.50 mm，远大于桩径的1/50，当泥沙起动后单桩周围的冲刷情况只与KC数(Keulegan-Carpenter number)有关，泥沙粒径不会影响局部冲刷深度[12]。试验所用波流水槽总长为46.0 m、截面宽为1.5 m，为减少边壁效应的影响，本次试验中的模型几何比尺选取1/50。

1.3 试验工况

根据表1所示的原型海况，确定试验工况如表2所示。试验中：先按设计水位下的两年一遇最大波、流条件冲刷至平衡为止，反映各代表点处风电机组在服役期间频遇海况下的最大冲刷深度；再按极端水位下五十年一遇最大波、流条件，保留此前冲刷平衡的地形，继续冲刷200个波周期，以反映风暴潮、台风等恶劣气象条件导致的短期冲刷效应。

表1 场区原型海况

表2 冲刷试验工况

在采取防护措施之前，需要先以砂袋、抛石等材料对已有冲坑进行回填。现依据场区各桩位的水文数据，以王汝凯公式[13]、韩海骞公式[14]估算各桩位的平衡冲刷深度，如表3所示。由于桩柱附近流场的复杂性，底床泥沙的受力与运动规律尚不明确，冲刷深度预测公式的经验性均较强，但在工程应用中仍具有一定的指导意义。

表3 冲刷深度预测情况 m

2 试验结果

2.1 抛石防护

抛石或砂袋防护是在基础施工完成后向已形成的冲刷坑内抛投石块或砂袋作为防护层，具有成本低廉、施工简易的优点。由于砂袋易发生破损，其防护效果相对较差，在此仅针对抛石防护开展试验研究。文献[15]所给出的抛石起动流速计算式为

(1)

式中：uc为泥沙起动流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；γs、γ分别为泥沙与水的容重，kN/m3；h为行近水流水深，m。

由式(1)可知，若防护材料模型与原型的重度一致，二者只需达到几何相似，即自动满足起动相似条件。选取100 kg、200 kg两种规格的块石进行试验。按六面体估算其尺寸及等效直径作为d50，计算起动条件及模型尺寸，如表4所示。

表4 抛石规格与起动条件

在抛石防护效果试验中，将2根风电桩模型与升压站模型分别间隔4 m串列布置，经预试验观测，在此间距下，各桩前波高及行近流速基本一致，桩柱对流场的影响可忽略。首先，按最不利条件(1号点，设计低水位，2 a重现期波、流条件)冲刷至平衡状态，之后排干水槽，以抛石模型填平冲刷坑，并在其上继续铺设范围约3倍桩径、厚度为4层的防护层。其中，2根风电桩分别采用100 kg和200 kg规格的抛石模型，如图2所示。

图2 风电桩抛石防护模型

升压站平台的迎波桩腿采用100 kg规格石块、背波桩腿采用200 kg规格石块，如图3所示。

图3 升压站抛石防护模型

保持此时地形不变，按照升压站代表点100 a重现期的极端低水位波、流条件，继续冲刷200个波周期，风电桩附近防护层的破坏情况如图4所示，升压站平台桩腿附近防护层的破坏情况如图5所示。

图4 风电桩附近抛石防护层破坏情况

图5 升压站桩腿附近抛石防护层破坏情况

由图4和图5可知，在百年一遇的极端恶劣海况下，风电桩与升压站平台附近均有大量抛石个体发生起动并被携带至较远区域，使防护层受到严重破坏。200 kg规格石块移动距离相对较小，由其铺设而成的防护层破坏程度较轻。考虑运输与抛投的难度，不宜继续增大抛石的体积与质量，因此在本工程场区极端海况下，抛石防护层不足以抵御波、流的共同冲击，不适用于冲刷防护。

2.2 混凝土联锁排防护

混凝土联锁排是土工布排垫和混凝土压重块组成的防冲刷结构，其构造示例以及实物如图6所示。混凝土单元块之间相互勾连，再以纵向缝制的加筋条与土工布系结为一个整体。土工布除分散单元块的载荷之外，还起到反滤作用，防止泥沙流失。该结构施工方便、布置灵活，柔性与整体性较好，不易出现起动破坏，且可适应底床地形的变化，是一种较为理想的防护方式。

图6 混凝土联锁排示例

试验选取常见规格的混凝土单元块(400 mm×400 mm×200 mm)，按1/50几何比尺制作模具，在各区格之间预埋尼龙线作为铰接，整体浇筑水泥，再将压重块系结在土工布上，如图7所示。

图7 混凝土联锁排模型

在混凝土联锁排防护效果试验中，整平泥面，重新按最不利条件(1号点，设计低水位，2 a重现期波、流条件)冲刷至平衡状态，之后排干水槽，以抛石模型填平冲刷坑，在其上覆盖混凝土联锁排防护层，如图8所示。

图8 混凝土联锁排防护层安置情况

保持此时地形不变，按照升压站代表点100 a重现期的极端低水位及波、流条件，继续冲刷200个波周期，风电桩附近与升压站平台桩腿附近混凝土联锁排防护层的破坏情况如图9所示。由图9可知，由于防护层的整体性较好，在百年一遇极端恶劣海况下基本未发生破坏，且当底床地形出现大范围的剧烈变化时，防护层可随之发生柔性变形(见图10)，以确保始终覆盖下方的底床，并通过土工布反滤层阻止泥沙流失。综上所述，建议本工程采用带反滤层的混凝土联锁排作为局部冲刷的防护措施，以达到较好的防护效果。

图9 混凝土联锁排防护层破坏情况

图10 风电桩周围混凝土联锁排防护层下陷细节

2.3 成本分析

综合考虑经济性与安装技术问题，以单桩基础为例，调研防冲刷材料的价格，以材料费用为例，不考虑人工和设备成本，抛石价格约350元/m3；砂袋价格为100元/m3；仿生草以2倍桩径范围进行铺设，预计面积为923.16～1 205.76 m2，按造价0.05万元/m2估算；混凝土联锁排按400元/m3价格，以2倍桩径范围面积、0.4 m厚度的体积进行估算。从安装技术层面考虑，抛石与抛砂袋方案整体只需在目标位置抛下一定量的石块或砂袋，对海上工程装备需求较低，施工精度要求低。仿生草与混凝土联排方案需要大型起重机进行吊装施工，且对起重机精度有一定要求，整体施工安装难度和施工成本相对较高。综合防护成本与安装技术装备，进行单桩基础防冲刷措施技术经济性对比，如表5所示。

表5 单桩基础防冲刷技术经济性对比

由表5可知，抛砂袋相比抛石的材料成本较低，混凝土联锁排相比仿生草材料费用较低，考虑到实际的安装技术难度和可能产生的风险，抛石搭配混凝土联锁排的防护措施是最适合该风电场区的防冲刷方案。

3 结 论

采用模型试验研究抛石防护与混凝土联锁排防护的防冲刷效果，结合现有研究及比尺模型试验成果，对比分析不同防护方案的可行性与经济性，得到主要结论如下：

(1)抛石防护由于自身结构特点，在极端海况下难以抵御波、流共同作用，容易发生防护层破坏，防护效果无法得到保障，不适用于所考虑的风电场，但本研究忽略了抛石块形状因素影响，后续在其他相关物理模型试验中会进一步挖掘。

(2)混凝土联锁排防护的防护层整体性较好，在试验过程中随地形变化而发生柔性变形，且通过反滤层有效阻止了土体流失，防护层整体未发生破坏与大范围转移，有效降低了冲刷深度，防护效果较好。

(3)对比抛石、抛砂袋、抛石(砂袋)结合仿生草、抛砂袋(石)结合混凝土联锁排法等4种防冲刷方案的经济成本与工程作业难度，认为在所考虑的风电场中，抛石搭配混凝土联锁排防护是经济性更强的有效防护措施。