冲刷和地震联合作用对单柱复合筒基础位移变形的影响*

张 权，张浦阳

冲刷和地震联合作用对单柱复合筒基础位移变形的影响*

张 权1，张浦阳2,†

（1. 上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335；2. 天津大学，水利工程智能建设与运维全国重点实验室，天津 300072）

为考察单柱复合筒抵御极端恶劣环境的能力，研究了单柱复合筒在正常使用极限状态和地震工况下，海床冲刷1 m和3 m时结构及土壤的位移变形情况，并根据现场实测值对数值模拟结果进行检验。结果表明，数值模拟的倾斜角度能涵盖1 800 h内现场出现的近99.3%的倾斜角度，数值模拟具有一定的参考价值。正常使用极限工况下冲刷对结构和周围土壤的影响较大，冲刷3 m的土壤沉降量是冲刷1 m的1.21倍。地震工况下结构整体位移变形较大，位移变形为正常使用工况的1.3倍左右，冲刷对地震工况下结构的变形影响较小。

单柱复合筒；地震；冲刷；海上风电

0 引 言

目前世界范围内海上风电发展迅速，2022年我国已超越英国成为世界上海上风电装机量最大的国家。为了完成我国“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”[1]的目标，发展风电、光伏等新能源是降低电力行业碳排放的任务之一[2]。

近岸风机大多采用桩基础或筒基础，在设计过程中，需要考虑到各种极端情况的荷载组合。在复杂的海洋环境当中，水流受到基础结构的阻碍会改变流动方向，侵蚀海床，产生冲刷坑，冲刷现象改变结构动力特性[3]，影响基础的侧向位移和承载力[4]。STROESCU等[5]比较了冲刷对单桩和筒型基础的影响，发现筒型基础比单桩基础抗冲刷能力好，因此单柱复合筒将筒基础设置在外围起到抗冲刷的作用。丁红岩等[6]研究了单柱复合筒负压下沉时筒壁两侧及筒端土体的渗流特性和超孔隙水压力的分布，推导出理论公式并通过实际工程进行了验证。于通顺等[7]通过建立风机塔筒−复合筒基础−冲刷地基的耦合动力分析模型，模拟单桩复合吸力筒在粉砂质海床的单向流作用下的地基冲刷特性，并对数值模型结果进行试验验证，发现冲刷会降低风机结构的自振频率，提高复合筒基运行速度，影响结构稳定性。朱洵等[8]对江苏如东海上风电进行现场试验，研究了粉砂粉土和黏土层中单柱复合筒壁内外侧侧压力系数、筒体负压排水等关键参数的演化规律。不少学者针对地震工况下筒基础的承载力展开了研究。OLALO等[9]通过离心机试验，分析了三种不同长径比的筒基础受地震引起的土壤液化的影响，发现筒越高，基础的倾斜程度和归一化沉降程度越低。刘佳等[10]研究在五种不同地震工况下复合筒型基础对地基土体液化的影响，发现复合筒分舱板形成筒内部较为复杂的结构为土体提供了更为优化的受力分布，大大降低了局部液化的风险。张浦阳等[11]提出的抗液化剪应力法，对地震荷载作用下的筒型基础土体液化情况进行计算判别，发现在地震荷载作用下施加在筒型基础内部和下部土体的竖向静力荷载对筒内土体抗液化能力有显著的提高作用，在周围土体大面积液化后筒型基础仍可继续承载。

综上，对于海上风机筒型基础，目前研究大多单独围绕地震或冲刷展开，较少有考虑冲刷的地震荷载基础运动特性研究。为研究结合桩基础和筒型基础的单柱复合筒[12]抵抗极端恶劣环境荷载的能力并进行安全评估，以上海勘测设计研究院研发的三峡新能源阳江西沙扒单柱复合筒海上风电项目为例进行数值模拟研究，分别对其在冲刷、地震以及冲刷地震联合三种危险工况下的承载特性等进行计算研究。

1 分析模型

1.1 工程原型

如图1所示，项目位于广东省阳江市阳西县沙扒镇附近海域，场址面积约36.6 km2，以其中两处典型机位为研究对象，分析不同土壤环境不同工况下结构变形、位移等的变化情况，评估结构的安全性。

图1 单柱复合筒基础现场安装示意图

表1为典型机位计算选用土壤参数，分析时弹性模量取黏土5倍、砂土3倍的压缩模量。其中压缩模量取最大值和最小值的平均值，不排水抗剪强度取最小值。

表1 典型机位土壤参数

注：模型土体厚度50 m，无详细参数土层均按最后一层选取。

1.2 有限元模型和荷载模型

1.2.1 单柱复合筒有限元模型

阳江西沙扒一期的5.5 MW风机单柱复合筒基础结构如图2所示。单柱复合筒基础筒径为36 m，典型机位筒高为9.9 m。单柱复合筒由内部分舱的筒型基础、单柱及连接件构成，筒壁厚25 mm，筒顶盖厚20 mm。筒型基础内部分为七舱，其中中舱为圆形，直径为10 m。单柱由上至下共分为三段：第一段为直径7 m的圆柱，第二段为顶端直径7 m、底端直径10 m的锥体，第三段为直径10 m的圆柱。风机基础柱顶高程为 +18.0 m。

图2 单柱复合筒基础示意图

本研究主要考察最危险工况下结构的承载特性，因此计算时将各工况下最大荷载施加在结构的耦合点上。正常使用极限状态下，风荷载对上部高耸风机的作用点为筒顶，距泥面45.2 m处，波浪对筒基的荷载作用在第三段筒，距泥面14.12 m处。地震工况下，水平地震荷载对上部高耸风机的水平荷载作用于筒顶，距泥面45.2 m处，和正常使用极限位置相同，对筒基的水平荷载作用于泥面以上3.83 m处；竖向地震荷载对上部风机作用点位于泥面以上41.5 m处，对筒基的作用点位于泥面以上3.83 m。

图3为单柱复合筒基础有限元模型示意图。模型中土体采用Mohr-Coulomb本构，筒土之间采用摩擦接触，摩擦系数取0.3。

图3 单柱复合筒基础有限元模型示意图：（a）整体结构；（b）单柱复合筒

1.2.2 极端工况荷载模型

为验算极端工况下的地基承载力以及模型变形，模型计算工况的荷载作用依据《海上风电场工程风电机组基础设计规范》（NB/T 10105-2018）[13]取值，采用表2所示的正常使用极限状态下的荷载标准组合。

表2 正常使用极限状态荷载标准组合

注：泥面弯矩557 MN∙m。

1.2.3 地震荷载模型

本工程 Ⅲ 类场地50年超越概率10%的地震动峰值加速度按0.125 g考虑，Ⅳ 类场地50年超越概率10%的地震动峰值加速度按0.12 g考虑，对应的地震基本烈度均为 Ⅶ 度。地震荷载采用承载能力极限状态下的地震荷载组合，如表3所示。

表3 承载能力极限状态地震荷载组合

2 数值模拟计算结果检验

2.1 正常使用极限状态基础变形特性理论计算

和筒直径相比，泥面沉降高差很小，因此可将沉降高差近似表达为旋转角度对应的弧度值：

整理可得：

将极端工况−变形验算荷载值（表2所示）施加于钢管桩顶部，通过沉降量的变化进行极端工况荷载下复合筒型基础的变形验算分析。

图4为基础泥面处变形位移云图，其中代表总位移，1、2、3分别代表、、方向位移。可以看出，泥面处基础两侧沉降分别为 −126.7 mm、+137.0 mm，总高差为263.7 mm，用泥面处沉降值计算单柱复合筒的倾斜程度为0.42°。

图4 基础泥面处变形位移云图

单柱复合筒基础结构的整体位移以及各方向上的位移如图5所示，在正常使用极限状态下，单柱复合筒的位移最大处出现在筒顶，总位移为589.8 mm，方向上的位移为524.2 mm，方向的位移较小，后续计算中可忽略不计，竖向位移差为309.1 mm。

图5 单柱复合筒整体变形图：（a）总位移；（b）竖向位移；（c）X方向位移；（d）Y方向位移

2.2 现场实测情况

风电场对典型风机塔筒进行吊装后至风机安全投入运行前的动态倾斜进行监测，将监测数据通过无线传输方式实时发送并保存到升压站及岸上集控中心服务器中。如图6所示，在三台风机底层安装了1个倾角仪、1个加速度计、1台G01NET-3D（10通道）采集仪。

图6 现场试验设备安装及数据采集：（a）岸上集控中心监测平台；（b）升压站无线接收设备安装

根据现场传来的数据，得到1 800 h内单柱复合筒顶部的倾斜角度曲线，如图7所示。图中直线为理论计算出的单柱复合筒最大倾斜角度0.42°，曲线为实际工况下单柱复合筒的最大倾斜角度实测值，其中最大倾斜角度为0.531°，并且1 800 h中有12 h的倾斜角度超过0.42°，可以看出理论计算结果能涵盖99.3%的实测数据，超过0.42° 的部分集中在0 h和750 h两个时间点附近，倾斜度分别超过理论计算值的7.1%和26.3%，持续时间分别为4 h和6 h，超过理论计算值的部分持续时间短，对结构的承载能力影响不大。根据以上数据，可以看出实际工程中会偶尔出现超过理论计算结果的情况，但出现的大部分倾斜角度包含在理论计算结果之内，本研究的理论计算结果较为可靠，各工况下的理论计算结果对现实具有一定参考价值。

图7 筒顶水平位移变化图

3 危险工况下单柱复合筒基础变形特性

3.1 冲刷对结构基础变形特性的影响

单柱复合筒在海洋中安装完成后，周围海床受到水流的冲击摩擦，会形成片状冲刷或者沟状冲刷，相应地降低单柱复合筒埋深，影响结构承载力，为了充分评估单柱复合筒承载能力，需要考虑冲刷工况。针对典型机位的表层河床冲刷进行变形验算，对1 m和3 m河床全部被冲刷后的单柱复合筒结构承载进行数值模拟，以找到表层冲刷后结构的承载变化规律，检验结构抵抗冲刷工况的能力。

将极端工况−变形验算荷载值施加于钢管桩顶部，通过沉降量的变化进行极端工况荷载下复合筒型基础的变形验算分析。

图8为冲刷1 m和3 m处的泥面处变形位移云图。可以看出，冲刷1 m时泥面处基础两侧沉降分别为 −132.0 mm、+143.9 mm，总高差为275.9 mm，倾斜度为0.44°。冲刷3 m时泥面处基础两侧沉降分别为 −156.0 mm、+177.8 mm，总高差为333.8 mm，倾斜度为0.53°。冲刷3 m工况下，受载侧下沉量比冲刷1 m时的工况低24 mm，背载侧上升量比冲刷1 m时高33.9 mm，总体比冲刷1 m时的变形高57.9 mm，可知冲刷3 m的土壤沉降量是冲刷1 m的1.21倍，且对背载侧土体上升影响较大。

图8 泥面处变形位移云图：（a）冲刷1 m；（b）冲刷3 m

图9和图10为正常使用极限状态下冲刷1 m和冲刷3 m时基础筒顶的总位移和水平方向上的位移。冲刷1 m时总位移为544.7 mm，水平方向上的位移为543.1 mm；冲刷3 m时，筒顶总位移为635.0 mm，水平方向上的位移为632.4 mm。可以看出冲刷3 m的筒顶水平位移是冲刷1 m的1.16倍，土壤的竖向沉降变化比结构水平位移明显。

图9 冲刷1 m时基础整体位移云图：（a）总位移；（b）X方向位移

图10 冲刷3 m基础整体位移云图：（a）总位移；（b）X方向位移

根据计算结果，在正常使用极限状态下冲刷对土壤沉降变形变化的影响比对结构本身位移变化的要大，因此产生冲刷时海床的承载力会迅速下降，在实际工程中需要时刻关注海床的冲刷情况。

3.2 地震对基础变形特性的影响

地震工况下结构整体最大位移、水平位移和竖向位移如图11所示，结构整体最大位移和水平位移分别为710.5 mm和707.1 mm，竖向两侧沉降量分别为 −160.5 mm和 +187.3 mm，沉降高差为347.8 mm，倾斜度为0.55°。地震工况下，筒顶的水平位移比正常使用极限状态多189.2 mm，是其1.35倍；沉降量比正常使用极限状态高84.1 mm，是其1.31倍，地震荷载对结构引发的变形整体较大，对各项位移变形的变化影响较为均匀。

图11 地震工况整体结构位移云图：（a）总位移；（b）X方向位移；（c）竖向位移

3.3 冲刷和地震联合作用对基础变形特性的影响

为验证单柱复合筒在极端恶劣情况下的变形情况，先针对典型机位地震荷载下冲刷1 m和3 m的工况进行计算，将极端工况−变形验算荷载值（表2）施加于结构之上，通过沉降量变化对地震工况荷载下单柱复合筒基础进行变形验算分析。

图12为地震工况下冲刷1 m和3 m的泥面处变形位移云图。可以看出，地震工况下冲刷1 m的泥面基础两侧沉降分别为 −162.6 mm和 +189.2 mm，沉降高差为351.8 mm，倾斜度为0.56°。地震时冲刷3 m的泥面基础两侧沉降为 −170.7 mm和 +197.0 mm，沉降高差为367.7 mm，倾斜度为0.59°。地震冲刷3 m工况下，受载侧下沉量比冲刷1 m时的工况低8.1 mm，背载侧上升量比冲刷1 m时高7.8 mm，总体比冲刷1 m的变形高15.9 mm，可以看出冲刷3 m的泥面沉降量是冲刷1 m的1.05倍，且受载侧土体下降高度受影响较大，和无地震情况相反。

图12 地震及冲刷工况泥面处变形位移云图：（a）冲刷1 m；（b）冲刷3 m

如图13和图14所示为地震工况下冲刷1 m和冲刷3 m的单柱复合筒的位移云图，最大总位移和最大水平方向位移都出现在筒顶处。其中冲刷1 m的最大总位移为725.9 mm，水平方向上的位移为722.1 mm。冲刷3 m的总位移为741.8 mm，水平方向上的位移为738.1 mm。可以看出冲刷3 m的筒顶水平位移是冲刷1 m的1.02倍。和正常使用极限工况比，地震工况下结构变形整体较大，但冲刷深度对结构的影响不大。

图13 地震工况冲刷1 m基础变形云图：（a）总位移；（b）X方向位移

图14 地震工况冲刷3 m基础变形云图：（a）总位移；（b）X方向位移

3.4 小 结

为直观地表示结构承载变形特性，图15和表4列出了所述工况的沉降量及筒顶位移变形。可以看出，荷载越大，冲刷深度越深，结构偏离原始位置越多，情况越危险，安装一定时间后要随时注意基础的冲刷深度，及时做出加固措施，保证结构的安全稳定。并且随着工况的改变，各类变形的变化趋势基本相同，可用其中一种变形值估算其他位置的位移数值模拟结果，降低计算成本。

4 结 论

针对阳江单柱复合筒典型机位开展了结构承载特性研究，通过数值模拟的方法研究了正常使用极限状态和地震工况下，不冲刷以及表层1 m和3 m河床完全被冲刷情况下结构的位移变形情况，较为全面地考虑了结构在位时可能遇到的危险情况，并进行数值模拟，得到以下结论：

（1）正常使用极限状态下，单柱复合筒倾斜角度的数值模拟结果为0.42°，相同工况的现场实测值最大为0.531°，涵盖1 800 h内现场出现的99.3%的情况，超过0.42° 的部分集中在0 h和750 h左右，且持续时间分别为4 h和6 h，超过理论计算值的部分持续时间短。

（2）正常使用极限状态的单柱复合筒竖向位移最大处为589.8 mm，泥面两侧沉降高差为263.7 mm，筒体倾斜角度为0.42°。冲刷1 m时，泥面两侧沉降高差为275.9 mm，结构最大总位移为544.7 mm，倾斜角度为0.44°；冲刷3 m时，泥面两侧沉降高差为333.8 mm，结构最大总位移为635.0 mm，倾斜角度为0.53°。因此整体来看泥面变形比结构位移小，但冲刷对土壤变形变化的影响比对结构本身的影响要大，冲刷3 m的土壤沉降量是冲刷1 m的1.21倍，结构位移变形是冲刷1 m的1.16倍，发生冲刷时海床的承载力会迅速下降，实际工程中需要时刻关注海床的冲刷情况，采取一定的防冲刷措施。

（3）和正常工况及正常冲刷工况相比，地震荷载对结构引发的变形较大，结构整体位移最大为710.5 mm，泥面沉降高差为347.8 mm，倾斜角度为0.55°，水平位移和沉降量均达到正常使用极限状态的1.3倍左右。但冲刷深度1 m和3 m时施加地震荷载的结构最大位移数值模拟结果分别为725.9 mm和741.8 mm，泥面两侧沉降高差351.8 mm和367.7 mm，结构倾斜角度为0.56° 和0.59°，地震时冲刷深度增大2 m对结构的位移变形影响不大。

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Effect of Combined Action of Scouring and Earthquake on the Displacement Deformation of Single-Column Composite Bucket Foundation

ZHANG Quan1, ZHANG Puyang2,†

(1. Shanghai Investigation, Design & Research Institute Co. Ltd., Shanghai 200335, China;2.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Intelligent Construction and Operation, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

In order to study the ability of single-column composite bucket foundation to withstand extremely harsh environments, this paper establishes the numerical simulation and field test to study the displacement deformation of structure and soil under the serviceability limit state and earthquake conditions, when the seabed scouring depth is 1 m and 3 m. The results show that the tilt angle of numerical simulation can cover nearly 99.3% of the inclination angle in the field within 1 800 h, which provides that numerical simulation can be referenced. Under serviceability limit states, scouring greatly influences the structure and surrounding soil, which the soil settlement amount of 3 m is 1.21 times that of 1 m. Under earthquake conditions, the overall displacement deformation of the structure is large, and the displacement deformation is about 1.3 times that of the normal use condition, and the scouring has little effect on the deformation of the structure under this condition.

single-column composite bucket; earthquake; scouring; offshore wind power

2095-560X（2023）06-0548-08

TK83

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.06.009

2023-01-31

2023-02-22

国家自然科学基金项目（52171274）

张浦阳，E-mail：zpy_td@163.com

张权, 张浦阳. 冲刷和地震联合作用对单柱复合筒基础位移变形的影响[J]. 新能源进展, 2023, 11(6): 548-555.

： ZHANG Quan, ZHANG Puyang. Effect of combined action of scouring and earthquake on the displacement deformation of single-column composite bucket foundation[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(6): 548-555.

张 权（1980-），男，高级工程师，主要从事风力发电设计研究。

张浦阳（1978-），男，博士，副教授，主要从事建筑科学与工程技术、新能源海上风电技术研究。