珠海金湾海上风机基础冲刷及海缆稳定性试验研究

郑灿，王洪庆，刘旭东，刘晓建，郭辉群

（1.中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663；2.珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东 广州 510610）

1 引言

风电场建设和运行期间的主要问题之一就是风电场基座及其基础和周围电缆线的稳定性，除受自身结构属性影响外，还受到外部动力的影响，例如随着桩基础冲刷深度增加，桩结构的自振频率会接近海洋动力运动频率，容易形成共振，对结构安全性将产生严重的负面影响，并进一步影响海缆安全。因此合理评估风机单桩基础、海上升压站基础以及缆线附近的水沙动力响应和海床稳定特性是关乎风电工程设计、建设及运营期的关键。

珠海金湾风电场所处海洋环境复杂，受潮流、波浪、风暴潮等多种动力作用，且风电场近区海床由不同的底质沉积物构成，其基础冲刷及其引起的海缆失稳情况尚不明晰，因此需开展物理模型试验研究，并提出相应的防护措施，以期为珠海金湾海上风电桩基设计和运维提供科学参考。

2 海域状况

金湾风电场位于珠江口万山岛和高栏岛之间的海域，南临广阔的南海海面，四周没有岛屿等遮挡，风电场所处海区受波浪影响显著，尤其是南海频繁的台风浪。

根据实测资料分析可知，本海域潮汐属于不正规半日混合潮型，一次全潮的周期约为24h50min。50年一遇表层、0.6H、底层、垂向平均设计流速分别为2.37m/s、1.86m/s、1.19m/s、1.81m/s。该海域的常浪向为SE向、ESE向，其年出现频率分别为52.4%、22.0%；强浪向为S向、SE向、E向，浪高均超过3.0m。多年平均的H1/10多集中在3~4级波高中，3级（0.5m＜H1/10＜1.5m）波高出现频率为73.65%，4级(1.5m＜H1/10＜3.0m)波高出现频率为24.05%。50年一遇有效波高10.47m，峰值周期15.0s。

3 物理模型试验

本次研究基于大比尺物理模型，几何比尺确定为1:50，水流、时间比尺采用1:7.07；波要素几何比尺采用1:50，波速和波周期比尺采用1:7.07。本次物理模型试验在珠江水利科学研究院里水科学试验基地的大波浪水槽中进行，水槽的长、宽、高分别为76m、1.2m、1.5 m，水槽右端为造波机。

试验主要进行桩基局部冲刷、海缆稳定性和海上升压站特性的试验。风电场所处海域上表土层主要以淤泥质土为主，中值粒径约为0.01～0.03 mm之间，淤泥层塑性指数（Ip）为18.9 ,根据泥沙起动流速计算公式分析底质起动流速。

张瑞瑾公式：

窦国仁公式：

式中：h为水深（m）；d为泥沙中值粒径，取d=0.01～0.02 mm；Δ为糙率，d＜0.5 mm时，取Δ＝0.5 mm；为泥沙黏结力参数，原型沙取＝2.56 cm3/s2；δ为薄膜水厚度，取0.21×10-4 cm；γ为泥沙容重，约为2.65 t/m3；γs为水容重，约为1 t/m3。

Smerdon公式：

土的塑性指数是影响黏性土临界起动切应力主要因素。

式中：Ip为土的塑性指数。

起动摩阻流速可由下式进行计算：

式中：τc为临界起动切应力（N/m2）；为水的密度（kg/m3）。

原型表层底质起动摩阻流速与平均流速关系式为：

式中：u为垂线平均流速（m/s）；C为谢才系数，，其中，R≈h（水深）；为摩阻流速（m/s）；g为重力加速度（m/s2）。

结合波浪条件和纯流Shields泥沙起动标准曲线，利用波浪摩擦系数计算振荡流作用下床面切应力，床面剪应力的最大瞬时值，定义为：

式中：为近底波浪水质点最大水平速度（m/s）；fw为波浪摩擦系数，本次试验研究淤泥粒中值粒径在0.01～0.03 mm之间，颗粒较细，起动切应力为0.043 8 m/s，相对较大，根据Jonsson图表关系可知，处于光滑紊流区，fw可由式（7）计算：

根据上式分析，金湾海域沙床底质起动流速介于1.03～1.81m/s之间，换算到模型中约为介于14.5～25.6 cm/s。经过泥沙起动试验，容重，d50为0.4 mm的精煤屑在试验水深时，起动流速为12～16cm/s，满足原型沙起动准则，因此本次研究采用该模型沙进行后续研究。试验中单桩圆柱模型直径D为0.17m（即原型为8.5m）；缆线直径为2.646~2.886mm（即原型为138.3±6.0mm），质量约为0.017kg/m（即原型为43.2kg/m），在缆线悬空段布置一个弯曲矫正装置，用于减小缆线摆动；海上升压站模型主腿直径d为4.1cm（即原型为2.05m）。试验中对极端波流动力条件进行实验，阐述3种结构情况下的局部冲刷情况。试验过程中流速采用剖面流速仪进行测量，三维地形采用多普勒地形仪，并结合在水槽顶端安装的电动滑轮支架进行测量。

4 结果分析

4.1 单桩基础冲刷

图1给出了单桩基础海床冲刷稳定后的床面形态和海床冲淤变化，从图中可以看出冲刷主要发生在单桩周围，其中单桩侧后方海床冲刷较明显，冲刷稳定后测得最大冲刷深度约为5.36m（约为0.63D），冲刷深度-1.0m以上范围沿波流方向上最远距桩基中心约为35m（约为4.12D），垂直于波流方向上最远距桩基中心约为25m（约为2.94D），冲刷深度-3.0m以上范围沿波流方向上最远距单桩中心约为9.0m（约为1.06D），垂直于波流方向上最远距单桩中心约为7.5m（约为0.88D）。

图1 单桩基础海床冲刷结果

4.2 海上升压站冲刷

海上升压站是风电场电力集中升压、输送的中转站和关键枢纽。图2为升压站底床冲刷过程，对于升压站前排桩基础，迎浪侧海床床砂被悬起，并在波流耦合动力的作用下向下游运动，由于其后侧基础框架的遮挡作用，起始阶段柱后悬沙并不明显；对于升压站后排桩基础，柱后尾涡动力充分发展，泥沙起悬较为显著。

图2 海上升压站模型初始布置图（左：前排 右：后排）

图3为导管架基础海床冲刷结果，从图中可以看出导管架结构周围呈前冲后淤态势，且四基础均有明显的冲刷坑，受管架的遮蔽影响，内侧冲刷坑范围略有减小。对于升压站前排桩基础，显著冲刷区域位于迎浪侧和模型外侧，最大冲刷深度约为0.06m（即现场3.0m）；对于升压站后排桩基础，显著冲刷区域位于迎浪侧、模型外侧和背浪侧，最大冲刷深度约为0.05m（即现场2.5m）。升压站冲刷显著区桩周床面形态，冲刷坑呈现明显的“勺”形，其中桩前冲刷集中在较小的区域内，而桩后冲刷范围明显增大，冲刷最大处出现桩基迎水面及桩基结构两侧，背水面高程由柱后向下游逐渐增大，冲刷平衡位置距离桩径中心最大距离约6.5m左右。

图3 导管架基础海床冲刷结果

4.3 海缆稳定性

缆线的布置及维稳是风电场建设重要一环，本试验分别开展了有防护和无防护情况下的海缆稳定性分析。根据上述成果可知桩基两侧扰流流速较大，考虑不利情况，将缆线模型与波流方向垂直布置，见图4，左图为无防护措施，右图为有防护措施，其防护措施采用砂被方案，主要根据工程中实际砂被（厚度一般为0.35m，密度约为2.4t/m3，宽度为5m，长度为10m）进行正态缩尺缩放制作。此外，根据设计资料，缆线斜向进入海床，继而保持水平向近岸牵引，其中平整段距离床面3m，按照1:50的试验比尺，则试验中缆线掩埋于床面下0.06m。

图4 桩周海缆线模型布置图（左：无防护，右：有防护）

无防护下，海缆线布置处床面最终冲刷形态。受桩周绕流动力的影响，桩基近区缆线频繁暴露于水体内，或被底质回填掩埋，长时间波流动力作用后床面趋于稳定，此时海缆已露出海床。而受砂被的掩护作用桩基近区缆线未出现暴露于水体内的情况，但由于强波流动力下海床表面沙纹会出现运动，进而影响砂被的布置形式。因此，为了避免海床沙纹运动影响覆盖物的布置，确保风机和缆线的安全稳定，建议设计施工时，充分考虑覆盖物的自身重量，确保安装后砂被能够靠自身重量自沉一定深度。

5 结语

针对金湾海上风电场工程近区底质和动力条件构建正态大比尺物理模型，详细分析极端波流联合动力作用下风机基础冲刷及海缆稳定性进行研究，主要结论如下：

（1）单桩基础冲刷主要发生在桩基础周围，单桩迎水面和结构后两侧冲刷程度明显大于背流侧，淤积出现在尾流区，其中单桩基础最大冲深约0.63D（D为单桩直径），冲刷深度-1.0m以上沿顺水流方向上距桩基中心约4.12D，垂直于水流方向上距桩基中心约2.94D。

（2）海上升压站结构近区均出现明显的冲刷坑，受管架的遮蔽影响，内侧冲刷范围略有减小。局部冲刷坑呈“勺”形，即桩前冲刷范围较小，桩后冲刷范围明显增大，冲刷平衡位置距离桩基中心约为3.17d（d为升压站主腿直径）。

（3）无防护条件下，受矫正器作用桩基近区海缆悬空段未出现明显摆动，掩埋段则影响较大、频繁暴露于水体中。有沙被防护作用时，桩基近区缆线未出现暴露于水体内的情况，海缆稳定性增强，但需注意沙纹运动对沙被稳定的影响。