海洋污損生物對海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的影響

(上海勘測設(shè)計研究院有限公司， 上海 200234)

0 引 言

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計考慮因素復(fù)雜，對海上風(fēng)力發(fā)電成本影響大，在整個海上風(fēng)電設(shè)計中占有重要地位，已成為海上風(fēng)力發(fā)電研究的重要課題。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)主要分為重力式基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、吸力式基礎(chǔ)和浮式基礎(chǔ)。海上風(fēng)機(jī)樁基礎(chǔ)又可分為單樁基礎(chǔ)、高樁承臺基礎(chǔ)、三腳架/四腳架基礎(chǔ)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)等。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)在設(shè)計使用壽命期內(nèi)受多種類型的荷載，包括自重、操作荷載、環(huán)境荷載及偶然荷載等[1]影響。環(huán)境荷載由風(fēng)、浪、流、冰、地震等引起，其中波浪和水流產(chǎn)生的水動力載荷占較大比重。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)建造完成后，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上某些位置的淹沒桿件表面在一定時間后會被多種類型的海洋污損生物附著，這些海洋污損生物的附著會對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)產(chǎn)生一定影響。關(guān)于海洋污損生物對海上結(jié)構(gòu)物影響的研究工作起步較晚并且內(nèi)容較少。WOLFRAM等[2]基于包含真實海洋污損生物的試驗確定附著海洋污損生物的圓柱體結(jié)構(gòu)的水動力因數(shù)，發(fā)現(xiàn)海洋污損生物使管狀桿件的直徑增大了50～100 mm，同時增加了粗糙度，進(jìn)而導(dǎo)致拖曳力因數(shù)增大70%左右。THEOPHANATOS[3]深入研究海洋污損生物及其對海上結(jié)構(gòu)物水動力載荷的影響發(fā)現(xiàn)，海洋污損生物顯著增加了水動力載荷，這種增長因海洋污損生物的類型而異，拖曳力的增加主要由海帶引起。MSUT等[1]分析指出海洋污損生物的附著對海上結(jié)構(gòu)物水動力載荷有顯著影響并從理論上闡述海洋污損生物的種類、分布及其對海上結(jié)構(gòu)物的影響，同時討論控制和移除海洋污損生物的幾種常見方法。SCHOEFS[4]基于一種能夠為承受極端荷載和疲勞荷載的海上結(jié)構(gòu)物上的荷載變量提供顯式近似的響應(yīng)面法，通過數(shù)值分析研究海洋污損生物的影響。SHI 等[5]基于模型試驗研究50 m水深中導(dǎo)管架基礎(chǔ)受到的不同厚度和密度的海洋污損生物以及不同水動力因數(shù)的影響發(fā)現(xiàn)：海洋污損生物厚度顯著影響水動力載荷的極大值和支撐結(jié)構(gòu)的第三階固有頻率，但是對第一階固有頻率的影響較小；慣性系數(shù)對第二階和第三階固有頻率的影響大；密度對結(jié)構(gòu)的影響較小。AMERYOUN 等[6]基于響應(yīng)面法利用隨機(jī)模型模擬海洋污損生物的粗糙度，研究幾內(nèi)亞灣的導(dǎo)管架平臺，發(fā)現(xiàn)水動力載荷對粗糙度異常敏感。Al-YACOUBY等[7]基于試驗研究海洋污損生物對剛性圓管柱體結(jié)構(gòu)水動力因數(shù)的影響，試驗結(jié)果表明：當(dāng)2.31 m直徑的管狀結(jié)構(gòu)上海洋污損生物平均厚度為110 mm時，水動力載荷增加16%～90%，具體與波高和頻率有關(guān)。WRIGHT等[8]基于數(shù)值模型研究海洋污損生物對張力腿平臺浮式風(fēng)機(jī)的動力影響發(fā)現(xiàn)，海洋污損生物厚度對平臺的影響遠(yuǎn)大于粗糙度對平臺的影響，時間不變阻力系數(shù)法與時變雷諾數(shù)阻力系數(shù)法結(jié)果一致。目前國內(nèi)關(guān)于海洋污損生物的研究基本上局限于南海和渤海，而且大多數(shù)研究重點是海洋污損生物的種類組成、分布及發(fā)展變化規(guī)律等，對海洋污損生物影響的研究很少。黃宗國等[9-10]分別對渤海灣、瓊州海峽和雷州半島的污損生物進(jìn)行研究。黃修明等[11]研究渤海石油平臺的附著生物生態(tài)。曾地剛等[12]研究東海污損生物群落的種類組成和分布。嚴(yán)濤等[13-14]分別對南海一些海域的污損生物進(jìn)行研究。嚴(yán)濤等[15]綜合論述海洋污損生物對海洋結(jié)構(gòu)物的影響和中國近海污損生物的研究進(jìn)展、存在問題等，并對未來的研究方向和重點進(jìn)行探討。

基于之前的相關(guān)研究，本文首先簡要介紹海洋污損生物的定義和種類，然后總結(jié)歸納水動力載荷的相關(guān)理論，最后根據(jù)福建海域的水文地質(zhì)資料,使用結(jié)構(gòu)分析軟件SACS建立3種海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)型式——導(dǎo)管架、高樁承臺和單樁的模型并計算分析海洋污損生物產(chǎn)生的不同附著厚度和表面粗糙度對海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響，從而弄清楚海洋污損生物的作用機(jī)理和影響程度。

1 海洋污損生物

海洋污損生物被定義為棲息或附著在任何海上固定或浮式結(jié)構(gòu)物表面的動物、植物和微生物等有機(jī)體的總稱。海洋污損生物形成的過程大概是：最初兩到三周時間內(nèi)某些細(xì)菌附著在結(jié)構(gòu)物表面并形成一層黏液層，使鋼表面的物理和化學(xué)性能發(fā)生改變從而為其他硬質(zhì)污損生物群落的棲息鋪平了道路[3]。根據(jù)地理位置，兩到三年后一個由軟質(zhì)的污損生物組成的次級污損生物群落過度生長并超越硬質(zhì)污損生物占據(jù)主導(dǎo)，同時海藻開始在靠近水面的區(qū)域出現(xiàn)[3]。一般地，所有的海洋生物都直接競爭空間、食物和光，因此在食物充足、水溫較高的水面處海洋污損生物的厚度更顯著。海洋污損生物可分為3大類：硬質(zhì)海生物、軟質(zhì)海生物和細(xì)長海草。硬質(zhì)海生物包括藤壺、牡蠣、貽貝、雙殼類和管狀細(xì)菌。軟質(zhì)海生物由海藻、軟珊瑚、海綿、海葵、水螅、海草和藻類組成。細(xì)長海草是海帶，也可被視為軟質(zhì)海生物，是唯一具有較大尺寸的海生物。海洋污損生物的分布和物理特征主要受地理位置、水深、水溫、季節(jié)、水流、結(jié)構(gòu)物設(shè)計和運行等因素的影響。

2 水動力載荷

水動力載荷是由波浪水流與結(jié)構(gòu)相互作用產(chǎn)生的，是海洋結(jié)構(gòu)物所受環(huán)境荷載的重要組成部分，包括波浪荷載和水流荷載，其中波浪荷載占主導(dǎo)。

在計算圓管結(jié)構(gòu)所受波浪荷載時，需根據(jù)桿件直徑D與波長L的比值選擇合適的計算理論：

本文采用的3種風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式都可視為細(xì)長桿件結(jié)構(gòu)，桿件直徑D與波長L的比值小于0.20(見表1)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對水質(zhì)點運動的影響忽略不計，可采用Morison方程計算。

表1 3種風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式桿件的直徑與波長比

Morison方程表達(dá)了作用在單位長度圓管結(jié)構(gòu)上的總波浪力，包括拖曳分量和慣性分量兩部分，計算式為

(1)

在Morison方程中，因數(shù)(拖曳力因數(shù)和慣性因數(shù))以及根據(jù)波浪運動理論計算得到的水質(zhì)點的速度和加速度對波浪荷載的計算結(jié)果影響最大，選擇合適的因數(shù)和波浪理論很重要。本文依據(jù)DNV-OS-J101[17]和海港水文規(guī)范(JTS 145-2-2013)的相關(guān)規(guī)定選擇波浪理論并確定因數(shù)。當(dāng)結(jié)構(gòu)所處海域水流流速較大時，應(yīng)考慮水流荷載。計算水流荷載時首先應(yīng)確定水流流速，然后將水流流速代入Morison方程中即可。

3 樁基礎(chǔ)計算模型

根據(jù)福建A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)等3個海域的基本情況，采用結(jié)構(gòu)分析軟件SACS分別建立導(dǎo)管架基礎(chǔ)、高樁承臺基礎(chǔ)和單樁基礎(chǔ)模型，如圖1所示。各基礎(chǔ)模型的計算輸入?yún)?shù)如表2～表4所示。

圖1 SACS計算模型示例

構(gòu)件名稱外直徑/m壁厚/mm密度/(kg·m-3)泥面高程/m頂高程/m塔筒過渡段6.0070～857 850上部斜撐3.5038～507 850下部斜撐1.50～2.0030～507 850X撐0.61～0.7122～407 850下部樁基2.00～2.4030～507 850-53.823.0

表3 高樁承臺基礎(chǔ)模型主要輸入?yún)?shù)

表4 單樁基礎(chǔ)模型主要輸入?yún)?shù)

4 海洋生物附著對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響

選擇兩個比較重要的關(guān)于海洋生物附著的影響因素——海生物平均附著厚度、表面粗糙度k，采用控制變量法分別將影響因素輸入SACS中，通過靜力和模態(tài)計算得到一些基本物理量的值，諸如結(jié)構(gòu)受到的水動力載荷、基底剪力/傾覆力矩、內(nèi)力/位移、頻率。分析比較這些物理量的變化，研究海洋生物附著對結(jié)構(gòu)的影響。

4.1 海生物平均附著厚度和表面粗糙度的設(shè)置

海生物平均附著厚度通過改變圓管結(jié)構(gòu)直徑和質(zhì)量等影響結(jié)構(gòu)。在模型計算考慮海生物平均附著厚度的影響時：分別將海生物的平均附著厚度設(shè)置7個不同的數(shù)值；將海生物密度統(tǒng)一設(shè)置；拖曳力因數(shù)Cd和慣性因數(shù)Cm按照海港水文規(guī)范規(guī)定，光滑時Cd取1.2、Cm取2.0，粗糙時Cd和Cm分別乘以增大因數(shù)n；表面粗糙度k統(tǒng)一取0.05 m。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表5所示。

表5 考慮不同海生物平均附著厚度的參數(shù)設(shè)置

表面粗糙度通過改變水動力因數(shù)(拖曳力因數(shù)Cd和慣性因數(shù)Cm)影響結(jié)構(gòu)。在模型計算考慮表面粗糙度的影響時，根據(jù)DNV-OS-J101，在無實測資料的情況下，對于海洋生物附著的情況，假定k=0.005～0.050，在模型中分別將k取11個不同的數(shù)值。然后，根據(jù)DNV-OS-J101的相關(guān)公式分別計算Cd和Cm。海生物平均附著厚度和密度統(tǒng)一設(shè)置。相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表6所示。

表6 考慮不同表面粗糙度的參數(shù)設(shè)置

分別采用福建A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)等3個海域的水文和地質(zhì)資料，進(jìn)行靜力和模態(tài)計算。

4.2 水動力載荷

模型靜力計算得到的水動力載荷結(jié)果如圖2所示。

圖2 水動力載荷的變化曲線

3個海域的水動力載荷均隨海生物平均附著厚度的增加而增大。當(dāng)厚度達(dá)到150 mm時，A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)的水動力載荷相比厚度為0 mm時分別增大34.4%、27.9%和30.8%。當(dāng)表面粗糙度從0 m增大到0.005 m時，A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)的水動力載荷分別增長32%、11.5%和3.1%，此后A區(qū)和B區(qū)的水動力載荷隨表面粗糙度的增大先緩慢增加然后趨于穩(wěn)定，而C區(qū)的水動力載荷隨表面粗糙度的增大一直緩慢增加(由于Cd未達(dá)到穩(wěn)定)。

4.3 基底剪力與傾覆力矩

模型靜力計算得到的基底剪力結(jié)果如圖3所示。

圖3 基底剪力的變化曲線

模型靜力計算得到的傾覆力矩結(jié)果如圖4所示。

圖4 傾覆力矩的變化曲線

3個海域的基底剪力和傾覆力矩均隨海生物厚度的增加而增大。當(dāng)厚度達(dá)到150 mm時：A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)的基底剪力與厚度為0 mm時相比分別增大26.7%、12.5%和21.1%；A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)的傾覆力矩與厚度為0 mm時相比分別增大12.4%、1.8%和6.0%。A區(qū)和B區(qū)的基底剪力和傾覆力矩隨表面粗糙度的增加先快速增大然后緩慢增長最后趨于穩(wěn)定，C區(qū)的基底剪力和傾覆力矩一直隨表面粗糙度的增加而增大。

4.4 桿件UC、拔力與泥面轉(zhuǎn)角

分別選取A區(qū)導(dǎo)管架基礎(chǔ)的桿件最大UC、B區(qū)高樁承臺基礎(chǔ)的樁基最大拔力和C區(qū)單樁基礎(chǔ)的泥面最大轉(zhuǎn)角等3個特征參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表7和表8所示。

表7 桿件最大UC、最大拔力和泥面轉(zhuǎn)角隨海生物平均附著厚度變化

續(xù)表7 桿件最大UC、最大拔力和泥面轉(zhuǎn)角隨海生物平均附著厚度變化

表8 桿件最大UC、最大拔力和泥面轉(zhuǎn)角隨表面粗糙度變化

從表7和表8可知：A區(qū)導(dǎo)管架基礎(chǔ)的桿件最大UC、B區(qū)高樁承臺基礎(chǔ)的樁基最大拔力和C區(qū)單樁基礎(chǔ)的泥面最大轉(zhuǎn)角均隨海生物平均附著厚度的增加而增大，隨著表面粗糙度的增加先增大后趨于穩(wěn)定。

4.5 頻率

經(jīng)模態(tài)計算和分析，3個海域的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)一、二階頻率幾乎不受海生物平均附著厚度和表面粗糙度的影響，僅三階頻率稍微受到影響。模態(tài)計算得到的三階頻率結(jié)果如圖5所示。

圖5 風(fēng)機(jī)三階頻率的變化曲線

從圖5可知：3個海域的風(fēng)機(jī)三階頻率均隨海生物平均厚度的增加而減小，其中B區(qū)的高樁承臺基礎(chǔ)頻率變化不明顯；A區(qū)風(fēng)機(jī)三階頻率隨表面粗糙度的增加而減小，而B區(qū)和C區(qū)的風(fēng)機(jī)三階頻率幾乎不受表面粗糙度的影響。

5 結(jié) 論

(1) 海洋污損生物主要通過增加桿件直徑、質(zhì)量和拖曳力因數(shù)影響海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，平均附著厚度和表面粗糙度是2個主要指標(biāo)，拖曳力因數(shù)隨二者的增大而增大。

(2) 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的水動力載荷、內(nèi)力、位移和頻率均受平均附著厚度的影響，其中前三者隨平均附著厚度的增加而增大，頻率隨海生物平均附著厚度的增加而減小。海生物平均附著厚度對水動力載荷的影響最大，對頻率的影響最小。

(3) 海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的水動力載荷、內(nèi)力、位移和頻率均受表面粗糙度的影響，其中前三者隨表面粗糙度的增加先增大后趨于穩(wěn)定，頻率幾乎不受表面粗糙度的影響。經(jīng)模型計算驗證，海洋污損生物對海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的影響在水動力載荷占比大時較為顯著，導(dǎo)管架基礎(chǔ)型式對海洋污損生物的變化最敏感，平均附著厚度和表面粗糙度較大時對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移不利。