珠海金灣海上風機基礎沖刷及海纜穩定性試驗研究

鄭燦，王洪慶，劉旭東，劉曉建，郭輝群

（1.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663；2.珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510610）

1 引言

風電場建設和運行期間的主要問題之一就是風電場基座及其基礎和周圍電纜線的穩定性，除受自身結構屬性影響外，還受到外部動力的影響，例如隨著樁基礎沖刷深度增加，樁結構的自振頻率會接近海洋動力運動頻率，容易形成共振，對結構安全性將產生嚴重的負面影響，并進一步影響海纜安全。因此合理評估風機單樁基礎、海上升壓站基礎以及纜線附近的水沙動力響應和海床穩定特性是關乎風電工程設計、建設及運營期的關鍵。

珠海金灣風電場所處海洋環境復雜，受潮流、波浪、風暴潮等多種動力作用，且風電場近區海床由不同的底質沉積物構成，其基礎沖刷及其引起的海纜失穩情況尚不明晰，因此需開展物理模型試驗研究，并提出相應的防護措施，以期為珠海金灣海上風電樁基設計和運維提供科學參考。

2 海域狀況

金灣風電場位于珠江口萬山島和高欄島之間的海域，南臨廣闊的南海海面，四周沒有島嶼等遮擋，風電場所處海區受波浪影響顯著，尤其是南海頻繁的臺風浪。

根據實測資料分析可知，本海域潮汐屬于不正規半日混合潮型，一次全潮的周期約為24h50min。50年一遇表層、0.6H、底層、垂向平均設計流速分別為2.37m/s、1.86m/s、1.19m/s、1.81m/s。該海域的常浪向為SE向、ESE向，其年出現頻率分別為52.4%、22.0%；強浪向為S向、SE向、E向，浪高均超過3.0m。多年平均的H1/10多集中在3~4級波高中，3級（0.5m＜H1/10＜1.5m）波高出現頻率為73.65%，4級(1.5m＜H1/10＜3.0m)波高出現頻率為24.05%。50年一遇有效波高10.47m，峰值周期15.0s。

3 物理模型試驗

本次研究基于大比尺物理模型，幾何比尺確定為1:50，水流、時間比尺采用1:7.07；波要素幾何比尺采用1:50，波速和波周期比尺采用1:7.07。本次物理模型試驗在珠江水利科學研究院里水科學試驗基地的大波浪水槽中進行，水槽的長、寬、高分別為76m、1.2m、1.5 m，水槽右端為造波機。

試驗主要進行樁基局部沖刷、海纜穩定性和海上升壓站特性的試驗。風電場所處海域上表土層主要以淤泥質土為主，中值粒徑約為0.01～0.03 mm之間，淤泥層塑性指數（Ip）為18.9 ,根據泥沙起動流速計算公式分析底質起動流速。

張瑞瑾公式：

竇國仁公式：

式中：h為水深（m）；d為泥沙中值粒徑，取d=0.01～0.02 mm；Δ為糙率，d＜0.5 mm時，取Δ＝0.5 mm；為泥沙黏結力參數，原型沙取＝2.56 cm3/s2；δ為薄膜水厚度，取0.21×10-4 cm；γ為泥沙容重，約為2.65 t/m3；γs為水容重，約為1 t/m3。

Smerdon公式：

土的塑性指數是影響黏性土臨界起動切應力主要因素。

式中：Ip為土的塑性指數。

起動摩阻流速可由下式進行計算：

式中：τc為臨界起動切應力（N/m2）；為水的密度（kg/m3）。

原型表層底質起動摩阻流速與平均流速關系式為：

式中：u為垂線平均流速（m/s）；C為謝才系數，，其中，R≈h（水深）；為摩阻流速（m/s）；g為重力加速度（m/s2）。

結合波浪條件和純流Shields泥沙起動標準曲線，利用波浪摩擦系數計算振蕩流作用下床面切應力，床面剪應力的最大瞬時值，定義為：

式中：為近底波浪水質點最大水平速度（m/s）；fw為波浪摩擦系數，本次試驗研究淤泥粒中值粒徑在0.01～0.03 mm之間，顆粒較細，起動切應力為0.043 8 m/s，相對較大，根據Jonsson圖表關系可知，處于光滑紊流區，fw可由式（7）計算：

根據上式分析，金灣海域沙床底質起動流速介于1.03～1.81m/s之間，換算到模型中約為介于14.5～25.6 cm/s。經過泥沙起動試驗，容重，d50為0.4 mm的精煤屑在試驗水深時，起動流速為12～16cm/s，滿足原型沙起動準則，因此本次研究采用該模型沙進行后續研究。試驗中單樁圓柱模型直徑D為0.17m（即原型為8.5m）；纜線直徑為2.646~2.886mm（即原型為138.3±6.0mm），質量約為0.017kg/m（即原型為43.2kg/m），在纜線懸空段布置一個彎曲矯正裝置，用于減小纜線擺動；海上升壓站模型主腿直徑d為4.1cm（即原型為2.05m）。試驗中對極端波流動力條件進行實驗，闡述3種結構情況下的局部沖刷情況。試驗過程中流速采用剖面流速儀進行測量，三維地形采用多普勒地形儀，并結合在水槽頂端安裝的電動滑輪支架進行測量。

4 結果分析

4.1 單樁基礎沖刷

圖1給出了單樁基礎海床沖刷穩定后的床面形態和海床沖淤變化，從圖中可以看出沖刷主要發生在單樁周圍，其中單樁側后方海床沖刷較明顯，沖刷穩定后測得最大沖刷深度約為5.36m（約為0.63D），沖刷深度-1.0m以上范圍沿波流方向上最遠距樁基中心約為35m（約為4.12D），垂直于波流方向上最遠距樁基中心約為25m（約為2.94D），沖刷深度-3.0m以上范圍沿波流方向上最遠距單樁中心約為9.0m（約為1.06D），垂直于波流方向上最遠距單樁中心約為7.5m（約為0.88D）。

圖1 單樁基礎海床沖刷結果

4.2 海上升壓站沖刷

海上升壓站是風電場電力集中升壓、輸送的中轉站和關鍵樞紐。圖2為升壓站底床沖刷過程，對于升壓站前排樁基礎，迎浪側海床床砂被懸起，并在波流耦合動力的作用下向下游運動，由于其后側基礎框架的遮擋作用，起始階段柱后懸沙并不明顯；對于升壓站后排樁基礎，柱后尾渦動力充分發展，泥沙起懸較為顯著。

圖2 海上升壓站模型初始布置圖（左：前排 右：后排）

圖3為導管架基礎海床沖刷結果，從圖中可以看出導管架結構周圍呈前沖后淤態勢，且四基礎均有明顯的沖刷坑，受管架的遮蔽影響，內側沖刷坑范圍略有減小。對于升壓站前排樁基礎，顯著沖刷區域位于迎浪側和模型外側，最大沖刷深度約為0.06m（即現場3.0m）；對于升壓站后排樁基礎，顯著沖刷區域位于迎浪側、模型外側和背浪側，最大沖刷深度約為0.05m（即現場2.5m）。升壓站沖刷顯著區樁周床面形態，沖刷坑呈現明顯的“勺”形，其中樁前沖刷集中在較小的區域內，而樁后沖刷范圍明顯增大，沖刷最大處出現樁基迎水面及樁基結構兩側，背水面高程由柱后向下游逐漸增大，沖刷平衡位置距離樁徑中心最大距離約6.5m左右。

圖3 導管架基礎海床沖刷結果

4.3 海纜穩定性

纜線的布置及維穩是風電場建設重要一環，本試驗分別開展了有防護和無防護情況下的海纜穩定性分析。根據上述成果可知樁基兩側擾流流速較大，考慮不利情況，將纜線模型與波流方向垂直布置，見圖4，左圖為無防護措施，右圖為有防護措施，其防護措施采用砂被方案，主要根據工程中實際砂被（厚度一般為0.35m，密度約為2.4t/m3，寬度為5m，長度為10m）進行正態縮尺縮放制作。此外，根據設計資料，纜線斜向進入海床，繼而保持水平向近岸牽引，其中平整段距離床面3m，按照1:50的試驗比尺，則試驗中纜線掩埋于床面下0.06m。

圖4 樁周海纜線模型布置圖（左：無防護，右：有防護）

無防護下，海纜線布置處床面最終沖刷形態。受樁周繞流動力的影響，樁基近區纜線頻繁暴露于水體內，或被底質回填掩埋，長時間波流動力作用后床面趨于穩定，此時海纜已露出海床。而受砂被的掩護作用樁基近區纜線未出現暴露于水體內的情況，但由于強波流動力下海床表面沙紋會出現運動，進而影響砂被的布置形式。因此，為了避免海床沙紋運動影響覆蓋物的布置，確保風機和纜線的安全穩定，建議設計施工時，充分考慮覆蓋物的自身重量，確保安裝后砂被能夠靠自身重量自沉一定深度。

5 結語

針對金灣海上風電場工程近區底質和動力條件構建正態大比尺物理模型，詳細分析極端波流聯合動力作用下風機基礎沖刷及海纜穩定性進行研究，主要結論如下：

（1）單樁基礎沖刷主要發生在樁基礎周圍，單樁迎水面和結構后兩側沖刷程度明顯大于背流側，淤積出現在尾流區，其中單樁基礎最大沖深約0.63D（D為單樁直徑），沖刷深度-1.0m以上沿順水流方向上距樁基中心約4.12D，垂直于水流方向上距樁基中心約2.94D。

（2）海上升壓站結構近區均出現明顯的沖刷坑，受管架的遮蔽影響，內側沖刷范圍略有減小。局部沖刷坑呈“勺”形，即樁前沖刷范圍較小，樁后沖刷范圍明顯增大，沖刷平衡位置距離樁基中心約為3.17d（d為升壓站主腿直徑）。

（3）無防護條件下，受矯正器作用樁基近區海纜懸空段未出現明顯擺動，掩埋段則影響較大、頻繁暴露于水體中。有沙被防護作用時，樁基近區纜線未出現暴露于水體內的情況，海纜穩定性增強，但需注意沙紋運動對沙被穩定的影響。