骆光杰，詹懿德，葛 畅，沈晓雷，郭 健

(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311100;2.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 3111002；3.浙江大学海洋学院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

随着人们环保意识的加强，传统能源的利用有了越来越多的限制，因此无污染可再生的新型能源成了各国能源发展的重点。风能蕴藏量大，分布广泛，永不枯竭，在沿海及边远地区与其他能源相比具有明显优势。我国《风电发展“十三五”规划》中明确指出，预计2021年前，我国风电累计并网装机总量将超过2.1亿kW。近海地区有丰富的风能资源，因此海上风电项目成为了我国风能发展的主力军。但近海地区水流条件复杂，冲淤变化大，海上风机的稳定性会受到局部冲刷的影响。因而研究风机基础的冲刷防护措施对海上风电项目的发展有重要意义。

海上风电项目中大多使用结构简单，占地面积小，适用范围广的单桩基础。对于单桩基础的冲刷防护，国内外学者做了大量的研究：王炎等[1]通过数值模拟，提出了一种新型的V形防冲刷挡板，可有效减弱桩基处冲刷作用；黄永江等[2]通过数值模拟的方法研究了环翼型挡板不同安装位置对冲刷防护结果的影响，认为在1/3水深处防护效果最佳；张万锋等[3]通过水工试验研究了挡板数量对冲刷防护结果的影响，结果表明加装挡板能有效减小冲坑深度及范围；陈艳梅等[4]通过试验与数值模拟结合的方法研究了3种不同形状的环翼挡板对冲刷防护作用的影响，结果表明板尾端宽度为45 mm的防护作用最佳；成兰艳等[5]通过试验研究了挡板不同延伸对冲刷结果的影响，结果表明延伸长度与桩基半径相同时防冲刷效果显著。但较多学者仅考虑防护板对水流垂向水力特征的影响[6-7]，对于贴近泥面的圆形防护板的防护效果及机理的研究较少。

以江苏竹根沙300 MW海上风电场项目的地质及水文勘探结果为依据，采用Flow3D软件对不同尺寸圆形防护板下的单桩基础局部冲刷进行了数值模拟研究，分析不同条件下单桩基础周围局部冲刷形态的变化情况，以期为海上风电后期冲刷防护设计提供参考。

1 项目区水文地质条件

江苏竹根沙300 MW海上风电场项目预建成50台4.0 MW风电机组和17台6.0 MW风电机组。工程采用单桩基础，单根钢管桩直径5.5～6.4 m，入土深度约50 m。该工程地处江苏岸外辐射沙洲区域，属正规半日潮区，浅海分潮比较明显。根据工程场区及周边各站实测潮流资料，工程场区大潮期间涨潮平均流速在0.48～0.66 m/s之间，落潮平均流速在0.32～0.71 m/s之间；中潮期间涨潮平均流速在0.40～0.47 m/s 之间，落潮平均流速在0.33～0.53 m/s之间；小潮期间涨潮平均流速在0.33～0.42 m/s之间，落潮平均流速在0.30～0.35 m/s之间。

项目区地域属滨海相沉积地貌单元，海底滩面地形高程由南向北逐渐降低。本文所参考的某次地质勘察结果显示：勘察区域海底高程-7.60～-1.50 m，场区内地基土表层以粉砂、粉砂夹粉土为主。考虑到实际风电场单桩基础建设场地及潮流冲刷作用深度的影响，本文选取表层粉砂作为数值模拟中的冲刷土层，该土层的颗粒组成如表1所示。

表1 表层粉砂颗粒组成

2 单桩基础局部冲刷数值模型

2.1 单桩基础冲刷防护三维数值模型

本试验以6.0 MW风机单桩基础为例，其设计参数为：钢管桩全长63 m，入土深度46 m，直径6 m。由于本文仅研究单桩基础的冲刷防护，且项目区潮流流速较小，因而不考虑钢管桩的壁厚，整体视作实心圆柱桩，此外入土深度与水面以上桩长均不做精确界定。单桩基础的防护设施采用圆形防冲刷板，板的直径初步设定为36 m，厚0.3 m。考虑到具体工程中，防护措施布设在泥面交界处之上，且与泥面有一定距离，故数值模拟时该圆形防护板被设定在泥面以上0.2 m处，整体模型示意见图1。

图1 单桩基础及防护设施数值模型示意

2.2 模型区域及条件

根据Dargahi[8]和Sarker[9]对桥墩冲刷的研究，如果桥墩的直径为D，那么在桥墩下游13D及两侧4.5D处，桥墩绕流的影响将不再存在。因此，本试验模拟区域的下游长度取78 m，两侧的宽度取27 m。模型入口处水流为均匀流，为了保证桩前水流的充分发展和初始段土层不被冲刷殆尽，桩前长度取13D(即78 m)，Z方向土层深度取7 m，模型高度取15 m。综上所述，整个计算域大小为162 m × 60 m× 15 m。

由前文所述水文地质勘察资料可知，项目区最大流速为0.71 m/s，考虑该地平均海底高程，水深取4 m。土层采用各颗粒组成的平均粒径，选取中间3组粒径作为主要计算参数，通过Flow3D自带的沉积物冲刷模块进行建模。其中，休止角取32°，密度取2 650 kg/m3，其他参数采用默认值，同时沿竖直方向设置静水压强和重力加速度。模型整体采用结构化网格，并对钢管桩附近进行加密，加密区域位于桩前后1.5D以及桩两侧D范围内。桩附近网格长度取为0.5 m，故加密区域网格大小为0.5 m ×0.5 m × 0.5 m。为了保证计算质量，加密区域网格与外部网格大小之比不能超过1:3，因而外部网格长度取为1.5 m，网格过度区域采用渐变网格。对于竖直方向(Z向)，由于整个计算域长度只有15 m，故均采用0.5 m网格。模型入口采用均匀流边界，流速大小为0.71 m，方向沿X轴正向，并给定4 m水深。出口采用自由出流边界，两侧采用对称壁面边界，底部采用壁面边界，上部采用压力边界，给定流体体积分数为零。模型的初始水位设定为4 m，并给予整体的水平初速度0.71 m/s。此外，为确保进出口的土颗粒不会被过度的带离计算域，在进出口各布置了高度为7 m的挡板，整个模型具体如图2所示。

图2 单桩基础冲刷防护数值模型示意

3 无防护设施时单桩基础冲刷数值模拟结果

3.1 模型可靠性验证

为了验证本文模型的准确性，将上述条件下数模所得流场与Melville等[10]经典试验进行对比。图3a为经典试验情况下，距离床面0.4H(H为初始水深)处平面的流场示意，图3b为数值模拟距离床面0.4H处平面流速矢量。对比两图可以看出，数值模拟单桩基础桩前绕流及桩后的尾涡与经典试验基本相合。

图3 单桩基础冲刷对比

3.2 单桩基础冲刷过程分析

实际情况下，冲刷是随着时间缓慢发展的一个复杂三维问题。在模型试验中，冲刷也表现为一个随冲刷历时动态变化的过程。随着流态趋于稳定，冲刷也趋于稳定，整个过程计算历时较短，根据冲刷深度的演变情况，本文将整个冲刷过程分为3部分，各冲刷过程中床面形态及冲刷深度值如图4～6所示。

图4 开始阶段无防护设施时桩处单桩基础冲刷过程数值模拟结果

图5 发展阶段无防护设施时桩处单桩基础冲刷过程数值模拟结果

图6 稳定阶段无防护设施时桩处单桩基础冲刷过程数值模拟结果

从图4～6可以看出：①在冲刷开始阶段，单桩基础局部冲刷首先在桩侧发育，在空间上呈现对称分布。桩前冲刷不明显，桩后具有较长段的堆积沙丘，此时最大冲刷深度为0.449 m。②在冲刷发展阶段，桩两侧冲刷坑进一步发育，冲刷坑范围向桩前发展，桩后堆积沙丘更加明显，范围进一步向两侧增大，且长度也有所增加。沙丘起始点紧邻桩后，外围与来流方向近似平行。该阶段最大冲刷深度为0.899 m。③在冲刷稳定阶段，由于来流流态与冲刷坑形态都趋于稳定，整个冲刷模型将不再发生变化。此时的稳定最大冲刷深度为1.099 m。桩两侧冲刷坑已完全发展至桩前，呈现对称分布的椭圆阶梯状，在空间上为马蹄形。桩前段具有小范围堆积沙丘且冲刷不太明显，这是由于本文所给定的来流速度较小，桩前下潜水流强度较弱。桩后堆积沙丘的范围达到最大，整个沙丘在空间上呈现两侧堆积高度略高，中间较低的分布形态，各沙丘分界线与来流方向近似一致。

综上，在实际工程中需要重点考虑桩侧的冲刷坑深度及桩后堆积沙丘的范围，以此对单桩基础周围进行整体冲刷防护设计。

4 设置防护设施后数值模拟结果

4.1 局部冲刷形态变化分析

以直径为36 m的圆形防冲刷板为例，对比分析防冲刷板设置前后，单桩基础局部冲刷的冲刷坑形态及最大冲刷深度变化，所得结果见图7。从图7可以看出，有防护板情况下，单桩基础附近冲刷坑的发育得到了极大的抑制，最大冲刷深度为0.130 m，约为无防护板时的11.8%。这与防护板的设置高度有较大关系，本文按照工程实际，在紧邻泥面处设置了圆形防护板，由于被考虑为刚性挡板，故该板能有效阻挡来流。在防护板与泥面之间的小间隙内，水流流速快速减缓，使得单桩基础前出现堆积体。随着堆积体的范围不断加大，形成了对来流的进一步阻挡，因而单桩基础附近冲刷深度大幅度减小。该堆积体的存在，类似于形成了“双排桥墩”模式，对后排工程桩基础能起到较好的冲刷保护作用[11]。在防护板前后边缘可以看到有明显的堆积，在实际工程中可能会随着各方向来流的变化及时间的推移逐渐增加，从而改变单桩基础与泥面交界处的地形，影响单桩基础后期稳定。因而在实际防护板施工过程中，前后堆积体对单桩基础稳定性的影响，防护板与泥面的小间隙内堆积体的形态及水流特性对局部冲刷形态的影响等问题都值得深入研究。

图7 冲刷稳定阶段模型局部冲刷三维形态对比

4.2 防护板大小对冲刷防护的影响

考虑到防护板应该足够大使得板内泥面出现的堆积体能进一步减轻后方单桩基础的冲刷，且防护板前后边缘堆积体对单桩基础的影响进一步减小，本小节选取直径为30、33、36、39、42 m的圆形防护板进行数值模拟分析，所得各尺度防护板下，单桩基础局部冲刷最大冲深见图8。

图8 不同直径圆形防护板下单桩基础冲深对比

从图8可以看出，整体上，防护板的设置能非常有效地限制单桩基础局部冲刷的程度，最大冲刷深度都在0.127 m左右，约为无防护板情况下冲刷深度的11.6%。这说明当防护板尺度较大，上游来流较小时，过于加大防护板尺寸是没有必要的。进一步，防护板直径为36 m时，最大冲刷深度最大，为0.13 m，随着直径的增大或减小，最大冲深都有着减小的趋势，但变化不大。因此，对于圆形防冲刷板的设置，在桩周局部冲刷为工程上可接受的情况下，可以选择较小的尺寸，亦达到相类似的效果。

5 结 论

以江苏竹根沙300 MW海上风电场项目为研究背景，采用Flow3D软件对不同尺寸圆形防护板下的单桩基础局部冲刷进行了数值模拟研究，得到了以下主要结论：

(1)无防护板时，单桩基础局部冲刷可分为冲刷开始阶段、冲刷发展阶段及冲刷稳定阶段3个阶段，各阶段对应的最大冲刷深度分别为0.449、0.899 m和1.099 m。

(2)设置直径为36 m的圆形防冲刷板后，在防护板与泥面之间的小间隙内，水流流速快速减缓，使得单桩基础前出现堆积体，从而对来流产生进一步阻挡，单桩基础附近冲刷坑范围及深度大幅度减小，最大冲刷深度约为无防护板时的11.8%。

(3)直径超过30 m的防护板都能显著限制单桩基础周围的局部冲刷程度，最大冲刷深度都在0.127m左右。其中，36 m防护板所对应的最大冲刷深度最大，为0.13 m，变化不大。因而实际工程中，在桩周局部冲刷为工程上可接受的情况下，可以选择较小尺寸的圆形防护板。