基于flow的海上風(fēng)電基礎(chǔ)局部沖刷效應(yīng)研究

基于flow的海上風(fēng)電基礎(chǔ)局部沖刷效應(yīng)研究

0海上風(fēng)電導(dǎo)導(dǎo)劑局部沖刷效應(yīng)隨著石油等不可再生資源的匱乏，清潔能源逐漸進(jìn)入人們的視野，因?yàn)樗哂芯G色環(huán)保、清潔和高效的特點(diǎn)。海上風(fēng)電事業(yè)隨之大力發(fā)展，中國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量2030年將達(dá)8.24億kW左右導(dǎo)管架斜樁基礎(chǔ)的局部沖刷在樁間距較大時(shí)可視為單斜樁的局部沖刷。目前已經(jīng)有學(xué)者對(duì)海上風(fēng)電基礎(chǔ)的局部沖刷進(jìn)行研究但是，目前對(duì)導(dǎo)管架斜樁基礎(chǔ)的研究較少，因此研究導(dǎo)管架斜樁基礎(chǔ)局部沖刷效應(yīng)具有重要的研究?jī)r(jià)值。本文以江蘇某海上升壓站項(xiàng)目地質(zhì)水文條件為研究背景，基于Flow1項(xiàng)目背景1.1海底地形及地基土某海上風(fēng)電場(chǎng)工程位于江蘇某近海海域，該場(chǎng)區(qū)潮流主要沿著東南向和西北向往復(fù)流動(dòng)。冬季潮流可能最大流速在0.67～1.09m/s之間；夏季潮流可能最大流速在0.91～1.33m/s之間。該工程海底地形變化較為平緩，屬南黃海濱海相沉積地貌單元。水深為6～13m。場(chǎng)區(qū)內(nèi)地基土表層以粉砂、粉砂夾粉土為主?？紤]到實(shí)際工程中導(dǎo)管架斜樁基礎(chǔ)場(chǎng)地及沖刷坑深度，本文選取表層粉砂作為數(shù)值模擬中的沖刷土層，該土層的顆粒組成為：2～0.5、0.5～0.25（砂粒層）、0.25～0.075、0.075～0.005（粉粒層）、<0.005mm顆粒占比分別為0.1%、28.6%、41.4%、26.9%、3.0%。1.2基礎(chǔ)組成結(jié)構(gòu)本工程海上升壓站結(jié)構(gòu)共由上部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)和4根角樁基礎(chǔ)兩部分組成。4根角樁為斜鋼管樁，傾斜角約為5°，直徑2.3m，樁長(zhǎng)75m，壁厚36mm，埋深約為51.4m。導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。2為數(shù)值模型和模型驗(yàn)證2.1三維數(shù)值模型以江蘇某海域海上升壓站導(dǎo)管架斜樁基礎(chǔ)為背景，采用Flow2.2模型驗(yàn)證為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，將數(shù)值模型得出的流場(chǎng)與Melville3數(shù)值模擬結(jié)果與分析3.1斜樁最佳沖刷深度為研究樁徑大小對(duì)沖刷深度的影響，設(shè)定樁徑分別為2.3m和3m的兩組斜樁基礎(chǔ)，得到斜樁基礎(chǔ)樁周土體附近最大沖刷深度隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，沖刷是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，樁徑對(duì)沖刷深度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)沒有影響，斜樁樁周土體局部最大沖刷深度均隨時(shí)間先迅速增大再緩慢增加，流態(tài)穩(wěn)定后，沖刷深度也趨于穩(wěn)定?？紤]到數(shù)值模擬結(jié)果的精確性和穩(wěn)定性，選取5000s之后穩(wěn)定的沖刷深度為最大沖刷深度。此外，還可以看出，1000s為土體沖刷效應(yīng)最大時(shí)間段，直徑為2.3m和3m的斜樁在1000s時(shí)最大沖刷深度分別為0.679m和0.8881m，分別達(dá)到各自最終穩(wěn)定沖刷深度1.098、1.198m的61.8%、74.1%，斜樁基礎(chǔ)樁周土體最大沖刷深度會(huì)隨著樁徑增大而增大。橫斷面沖刷結(jié)果見圖5。從圖5可以看出，沖刷坑左右兩側(cè)呈對(duì)稱分布，沖刷深度按階梯狀由遠(yuǎn)及近依次增加，空間上為馬蹄形。沖刷深度隨樁徑增加而增大是因?yàn)榱鲌?chǎng)受到樁徑影響，樁側(cè)繞流和樁前下潛水流強(qiáng)度隨樁徑增大而增大，沖刷程度也隨之增加。同時(shí)，樁徑增大導(dǎo)致水流的路程的增加，水流和泥沙運(yùn)動(dòng)需要更多的能量，因此沖刷深度的增大受到了一定的限制。在工程設(shè)計(jì)中，需要注意樁徑對(duì)局部沖刷的影響以及考慮沖刷達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的沖刷深度對(duì)承載力的影響。3.2傾斜角度對(duì)樁周土體沖刷的影響為研究不同傾斜角度對(duì)沖刷深度的影響，設(shè)定傾斜角度分別為0°，5°，10°的3組斜樁基礎(chǔ)。床面沖刷三維形態(tài)如圖6所示。從圖6可以看出，傾角為0°、5°、10°時(shí)沖刷坑最遠(yuǎn)端距樁基10、11、16m，說明傾斜角度對(duì)沖刷坑形態(tài)有一定影響，在工程設(shè)計(jì)時(shí)需考慮到傾斜角度對(duì)樁周土體的沖刷范圍的影響。傾角為0°、5°、10°時(shí)對(duì)應(yīng)的沖刷深度分別為1.083、1.098、1.134m，沖刷深度隨傾角增大而增大但最終差別不大。最大沖刷深度主要在樁的兩側(cè)，樁后出現(xiàn)土體淤積現(xiàn)象，形成較長(zhǎng)的拖尾，這是因?yàn)榛亓鲗?dǎo)致泥沙顆粒在樁后發(fā)生堆積。樁前也出現(xiàn)小范圍堆積現(xiàn)象，這是因?yàn)樯嫌蝸砹魉俣容^小，樁前下潛水流較弱，導(dǎo)致樁前沖刷現(xiàn)象不明顯。在設(shè)計(jì)導(dǎo)管架樁基礎(chǔ)時(shí)，角樁傾斜角度對(duì)沖刷深度的影響不大。4沖刷深度影響以江蘇某海上升壓站項(xiàng)目為研究背景，采用Flow（1）斜樁樁周土體局部最大沖刷深度均隨時(shí)間先迅速增大再緩慢增加，流態(tài)穩(wěn)定后，沖刷深度也趨于穩(wěn)定，直徑為2.3m和3m的最大沖刷深度分別為1.098m和1.198m。流場(chǎng)受到樁徑影響，樁側(cè)繞流和樁前下潛水流強(qiáng)度隨樁徑增大而增大，導(dǎo)致沖刷程度也隨之增加。（2）傾角為0°、5°、10°時(shí)沖刷坑最遠(yuǎn)端距樁基10、11、16m，說明傾斜角度對(duì)沖刷坑形態(tài)有一定影響，在工程設(shè)計(jì)時(shí)