基于flow的海上风电基础局部冲刷效应研究

基于flow的海上风电基础局部冲刷效应研究

0海上风电导导剂局部冲刷效应随着石油等不可再生资源的匮乏，清洁能源逐渐进入人们的视野，因为它具有绿色环保、清洁和高效的特点。海上风电事业随之大力发展，中国风电累计装机容量2030年将达8.24亿kW左右导管架斜桩基础的局部冲刷在桩间距较大时可视为单斜桩的局部冲刷。目前已经有学者对海上风电基础的局部冲刷进行研究但是，目前对导管架斜桩基础的研究较少，因此研究导管架斜桩基础局部冲刷效应具有重要的研究价值。本文以江苏某海上升压站项目地质水文条件为研究背景，基于Flow1项目背景1.1海底地形及地基土某海上风电场工程位于江苏某近海海域，该场区潮流主要沿着东南向和西北向往复流动。冬季潮流可能最大流速在0.67～1.09m/s之间；夏季潮流可能最大流速在0.91～1.33m/s之间。该工程海底地形变化较为平缓，属南黄海滨海相沉积地貌单元。水深为6～13m。场区内地基土表层以粉砂、粉砂夹粉土为主。考虑到实际工程中导管架斜桩基础场地及冲刷坑深度，本文选取表层粉砂作为数值模拟中的冲刷土层，该土层的颗粒组成为：2～0.5、0.5～0.25（砂粒层）、0.25～0.075、0.075～0.005（粉粒层）、<0.005mm颗粒占比分别为0.1%、28.6%、41.4%、26.9%、3.0%。1.2基础组成结构本工程海上升压站结构共由上部导管架结构和4根角桩基础两部分组成。4根角桩为斜钢管桩，倾斜角约为5°，直径2.3m，桩长75m，壁厚36mm，埋深约为51.4m。导管架基础结构示意如图1所示。2为数值模型和模型验证2.1三维数值模型以江苏某海域海上升压站导管架斜桩基础为背景，采用Flow2.2模型验证为验证模型的准确性，将数值模型得出的流场与Melville3数值模拟结果与分析3.1斜桩最佳冲刷深度为研究桩径大小对冲刷深度的影响，设定桩径分别为2.3m和3m的两组斜桩基础，得到斜桩基础桩周土体附近最大冲刷深度随时间变化曲线如图4所示。从图4可以看出，冲刷是一个动态变化的过程，桩径对冲刷深度随时间的变化趋势没有影响，斜桩桩周土体局部最大冲刷深度均随时间先迅速增大再缓慢增加，流态稳定后，冲刷深度也趋于稳定。考虑到数值模拟结果的精确性和稳定性，选取5000s之后稳定的冲刷深度为最大冲刷深度。此外，还可以看出，1000s为土体冲刷效应最大时间段，直径为2.3m和3m的斜桩在1000s时最大冲刷深度分别为0.679m和0.8881m，分别达到各自最终稳定冲刷深度1.098、1.198m的61.8%、74.1%，斜桩基础桩周土体最大冲刷深度会随着桩径增大而增大。横断面冲刷结果见图5。从图5可以看出，冲刷坑左右两侧呈对称分布，冲刷深度按阶梯状由远及近依次增加，空间上为马蹄形。冲刷深度随桩径增加而增大是因为流场受到桩径影响，桩侧绕流和桩前下潜水流强度随桩径增大而增大，冲刷程度也随之增加。同时，桩径增大导致水流的路程的增加，水流和泥沙运动需要更多的能量，因此冲刷深度的增大受到了一定的限制。在工程设计中，需要注意桩径对局部冲刷的影响以及考虑冲刷达到稳定时的冲刷深度对承载力的影响。3.2倾斜角度对桩周土体冲刷的影响为研究不同倾斜角度对冲刷深度的影响，设定倾斜角度分别为0°，5°，10°的3组斜桩基础。床面冲刷三维形态如图6所示。从图6可以看出，倾角为0°、5°、10°时冲刷坑最远端距桩基10、11、16m，说明倾斜角度对冲刷坑形态有一定影响，在工程设计时需考虑到倾斜角度对桩周土体的冲刷范围的影响。倾角为0°、5°、10°时对应的冲刷深度分别为1.083、1.098、1.134m，冲刷深度随倾角增大而增大但最终差别不大。最大冲刷深度主要在桩的两侧，桩后出现土体淤积现象，形成较长的拖尾，这是因为回流导致泥沙颗粒在桩后发生堆积。桩前也出现小范围堆积现象，这是因为上游来流速度较小，桩前下潜水流较弱，导致桩前冲刷现象不明显。在设计导管架桩基础时，角桩倾斜角度对冲刷深度的影响不大。4冲刷深度影响以江苏某海上升压站项目为研究背景，采用Flow（1）斜桩桩周土体局部最大冲刷深度均随时间先迅速增大再缓慢增加，流态稳定后，冲刷深度也趋于稳定，直径为2.3m和3m的最大冲刷深度分别为1.098m和1.198m。流场受到桩径影响，桩侧绕流和桩前下潜水流强度随桩径增大而增大，导致冲刷程度也随之增加。（2）倾角为0°、5°、10°时冲刷坑最远端距桩基10、11、16m，说明倾斜角度对冲刷坑形态有一定影响，在工程设计时