双向流作用下海上风电单桩基础局部冲刷实验研究

海上风电场风机基础的局部冲刷,是涉及到风机全生命周期安全工作的最重要的因素之一。该文参照上海东海大桥海上风电场的潮流观测资料进行实验设计,利用双向造流系统和冲刷专用水池进行多种比尺的物理模型实验研究。结果表明:双向流条件下基础周围冲刷坑以单桩为中心向外辐射延伸,冲刷坑深度沿着单桩四周逐渐减小,各个方向的冲刷范围和深度基本相同,单向流条件下,冲刷坑沿水流方向呈现前窄后宽的形态;双向流条件下最大冲刷深度为单向流条件下最大冲刷深度的92%。     

潮流作用下桥墩局部冲刷研究

为明确潮流与恒定流条件下桥墩局部冲刷深度的关系,通过长时间序列潮流作用下桥墩的局部冲刷试验,观测不同特征参数的潮流条件下桥墩局部冲刷最深点的发展趋势,分析往复流造成的冲刷坑内泥沙反复冲淤对冲刷坑发展过程的影响,涨落潮最大流速和历时决定了冲坑的发展的速率和达到最大冲深的可能性,在潮流速度值较大或历时占优的情况下,将取得与恒定流一致的局部最大冲深。     

海上风电单桩基础局部冲刷研究进展

风能作为一种绿色环保的可再生能源具有重要的应用前景,海上风力发电的研究受到广泛关注。在波浪和潮流荷载作用下,会导致风电桩基周围土体发生局部冲刷,影响桩基的性能。阐述了海上风电单桩基础局部冲刷的研究进展,综述了桩基局部冲刷的机理,总结了不同的平衡冲刷深度计算方法,对不同学者的模型试验、数值计算以及现场观测进行对比分析,探讨其中的不足并提出若干展望和思考。相关研究成果显示结合现场观测数据和冲刷预测模型的海上风机单桩基础防冲刷设计是有效的。     

海啸波引起的近岸房屋局部冲刷试验

基于波浪水槽,分别考虑独栋和房屋群两种情况,开展海啸波引起的近岸房屋局部冲刷试验研究,分别建立了独栋房屋情况下相对最大冲刷深度与海啸波相对越顶高度关系式和房屋群情况下局部最大冲刷深度与海啸波波高、房屋宽度、房屋高度、房屋数量、房屋间的中心间距的关系式。试验结果表明在海啸波越顶水流产生的水跌以及海啸波通过房屋时产生的扰流共同作用下,房屋周围,特别是海侧会产生明显的局部冲刷坑;回落水流水跌是局部冲刷坑产生的主要因素,扰流是次要因素。所建立的关系式揭示了最大局部冲刷深度与海啸波、房屋尺寸、房屋布局的内在联系。     

阳江沙扒海上风电三桶吸力桩基础局部冲刷试验研究

通过建立正态物理模型，研究了阳江沙扒海上风电场三桶吸力桩基础局部冲刷情况。结果表明：波流作用下桶基础最大冲刷深度大于纯水流和纯波浪情况；波流作用下最大冲刷深度出现在吸力桶迎浪面及两侧，背水面轻微淤积，床面冲刷形态呈三角形；三桶吸力桩基础冲刷主要受出土桶身和桶顶肋板绕流影响，因此结构埋置前对床面清淤有利于结构的稳定性，且清淤深度越大对结构的稳定性越有益。     

潮流波浪作用下丁坝坝头概化模型的冲刷试验

根据窦国仁波浪潮流共同作用下的全沙模型相似理论，设计了长江口深水航道北槽概化物理模型．进行了清水潮流和潮流波浪、浑水潮流波浪作用下的4条丁坝坝头冲刷试验，给出了各丁坝坝头冲刷坑深度随时间的变化，对比了3种试验条件下丁坝坝头冲刷坑的深度．     

波流作用下环行桩群结构局部冲刷试验研究

环行桩群结构引起的局部冲刷会导致结构失稳,利用系列模型延伸法开展波流作用下环形桩群局部冲刷物理模型试验研究,可以更加清楚地认识基础结构的冲刷规律。该物理模型中流态表明,波流共同作用时,在基础结构处形成"漩涡状圆环"褶皱,波浪绕过基础结构后,圆环向两侧发散,此形态是波浪绕射的结果。物理模型局部冲刷试验表明环形桩群冲刷形态主要有4种,分别为基桩前部冲刷、环形桩群基桩两侧绕流冲刷、环形桩群基桩个体冲刷和环形桩群基桩尾流冲刷,基桩个体冲刷叠加在群桩冲刷基础之上,冲刷形态与环形桩群结构及动力特征一致。极端高潮位条件下,最大冲刷深度为8.42 m,冲刷深度-3.00 m(深度从床面向下)以上范围横向、纵向均为40.00 m左右,即沿高桩承台中心约20.00 m半径范围。物理模型试验较好地体现了环形桩群波流冲刷特征。     

波流作用的近岸圆柱局部床面侵蚀

波浪流对近岸浅水带床面作用强烈,该区域结构物局部床面侵蚀显著,潜存致灾威胁。用三维数值方法研究了瞬态孤立波作用下非黏性沙海床上的近岸圆柱体局部冲刷规律,分析了波浪流冲刷的3类主要影响要素,讨论了近岸地形条件影响下的波流冲刷深度。研究认为,表征浅水波流特征和柱体尺度的无量纲数Urp与KC数存在非独立关系,二者均能分别反映波流冲刷的主要规律;表示泥沙运动的力学参数Shields数在波流动床条件下仍对柱体局部冲刷有贡献;近岸地形通过床面坡度对波破碎的增强及堤岸挡墙对波浪的反射,都会影响到局部冲刷。     

考虑长径比及冲刷的单桩基础侧向承载特性分析

冲刷是海上风电单桩基础设计中需要考虑的重要因素，然而计算时通常忽略局部冲刷坑的几何形状及桩基入土段长径比（L/D）的影响，导致设计偏于保守。针对这一问题，建立考虑局部冲刷坑形态的海上风电桩基础三维有限元模型，研究冲刷作用下不同长径比桩基础的侧向承载特性变化规律，提出适用于受局部冲刷小长径比单桩基础的简化梁-弹簧分析模型并进行验证。研究结果表明：小长径比单桩基础的侧向响应对局部冲刷深度较为敏感。随着冲刷深度的增大，基底反力和桩侧垂向摩阻力等土反力分量对桩基水平承载力的贡献也随之增大，仅考虑桩侧土反力的传统API p-y曲线方法难以适用受冲刷单桩基础的计算分析，须考虑基底效应的影响。研究结果可为海上风电基础设计分析提供参考。     

上海临港工业区芦潮港海域水文泥沙分析

根据芦潮港海域近年水文、泥沙、波浪及地形观测资料,分析了芦潮港海域波浪、潮流及泥沙特征.研究表明,芦潮港附近海域为强潮流、高含沙量区域;芦潮港海域潮流是控制海域含沙量和地形冲淤的主要因素,而波浪作用处于次要位置;芦潮港海域为淤泥质岸滩,岸滩形态主要由潮流动力所塑造,波浪主要对近岸区泥沙作用较明显.通过分析研究含沙量与潮流及波浪的关系,得到芦潮港海域波流共同作用下的水流挟沙力关系式.验证结果表明,关系式计算结果与实测含沙量吻合较好.     

考虑冲刷深度的海上风机地震易损性研究

在地震和波浪等复杂环境荷载作用下,海上风机的桩周冲刷和地震动水压力会显著影响海上风机的动力响应。建立了考虑地震动水压力及桩周冲刷效应的海上风机非线性动力计算模型,首先基于场地相关反应谱选取了34条地震动记录,通过多条带分析方法获取了不同工况下海上风机的地震易损性曲线,进一步讨论了地震动水压力和冲刷深度对海上风机地震易损性的影响。研究表明:在一般设防烈度下,冲刷深度对海上风机受到地震荷载作用时能否正常工作有显著影响,对风机发生永久性破坏概率的影响较小;而动水压力对海上风机4种极限状态下的地震易损性的影响均较小。海上风机易损性分析可为海上风机的抗震设计提供一定的理论指导,并具工程应用价值。     

往复流作用下海底管线冲刷模拟研究

海底管线冲刷悬空是诱发管道涡激振动破坏的一个主要原因。为更好地对管线冲刷悬空情况进行评估,本文应用水动力-泥沙冲刷耦合模型,对往复潮流作用淤泥质海床海底管线局部冲刷过程进行了模拟研究,模型采用标准k-ε紊流方程对N-S方程进行封闭,控制方程采用有限差分法进行离散,模拟结果表明,双向潮流作用下,管道局部冲刷轮廓基本呈现对称状态,其最大冲刷深度位置因水流流速的转向而有所摆动,往复流引起的冲刷深度较恒定流情况减小约20%左右。     

基于ANSYS的近海工程桩基础p-y曲线研究

海上风电机组体积庞大,桩基础需要承受很大的上部结构风压、波浪和自重等荷载的作用,为保证机组正常运行,需要对桩土相互作用进行研究。侧向受荷桩在近海工程中有着十分广泛的应用,p-y曲线法是分析侧向受荷桩桩土非线性相互作用的重要方法。不同土层土体参数各异,粘土和砂土的p-y曲线公式也不相同。采用我国海洋工程常用的API规范法分析土体相关参数,通过p-y曲线分析了混合分层地基的桩土作用相关特性,并且利用ANSYS中的COMBIN39单元实现桩土相互作用仿真计算,绘制出了单元等效应力云图和弯矩分布云图。计算结果表明,在产生相同位移时粘土中的土抗力比砂土要小得多。单桩在风浪等荷载作用下,最大弯矩发生在水面附近;最大位移发生在平台顶部,且最大位移可达0.35 m。研究成果可为近海工程桩基础和平台安全保护提供参考依据。     

环境荷载联合作用下海上风电结构动力响应分析

为研究海上风电结构在复杂的海洋环境中承受环境荷载(风、波、冰、流)的联合作用时,结构产生的剧烈的动力响应问题。文章以三脚架基础海上风电结构为研究对象,采用ANSYS有限元软件建立其整体模型并进行荷载(风、波、流和风、冰、流)联合作用下的静力校核,通过对环境荷载联合作用下的三脚架基础海上风电结构进行瞬态分析,掌握其动力响应的特性及规律。结果表明:三脚架基础结构的一、二阶自振频率均为0.285Hz,在所选风机允许的频率范围内,可以保证整体结构不会与风机转动发生共振;风荷载在风、波、流荷载联合作用下主导控制结构响应的稳态波动,冰荷载在风、冰、流荷载联合作用下主导控制结构的稳态振动过程;塔筒顶端呈现的位移和加速度响应均远大于三脚架基础顶端;环境荷载联合作用下结构动力响应是环境荷载单独作用下动力响应叠加的结果。     

Large-scale experimental study on scour around offshore wind monopiles under irregular waves

The Keulegan-Carpenter (KC) number is the main dimensionless parameter that affects the local scour of offshore wind power monopile foundations. This study conducted large-scale (1:13) physical model tests to study the local scour shape, equilibrium scour depth, and local scour volume of offshore wind power monopiles under the action of irregular waves with different KC numbers. Systematic experiments were carried out with the KC number ranging from 1.0 to 13.0. With a small KC number (KC < 6), and especially when the KC number was less than 4, the scour mainly occurred on both cross-flow sides of the monopile with a low scour depth. When the KC number exceeded 4, the shape of the scour hole changed from a fan to an ellipse, and the maximum scour depth increased significantly with KC. With a large KC number (KC > 6), the proposed method better predicted the equilibrium scour depth when the wave broke. In addition, according to the results of three-dimensional terrain scanning, the relationship between the local equilibrium scour volume of a single offshore wind power monopile and the KC number was derived. This provided a rational method for estimation of the riprap redundancy for monopile protection against scour.     

近海风机基础-塔架结构体系振动监测与动力响应分析

我国东部近海区域目前建设的风电场基本均采用桩基结构,桩基一塔架结构体系是典型的细长高耸结构,在复杂海洋环境载荷作用下具有明显的动力性质、随机性质和非线性性质。本文结合江苏响水近海试验风机长期的桩基础一塔架结构体系振动监测数据,分析了结构体系振动与风、浪等环境荷载的相关性,结果表明：振动加速度与风速均方差存在明显的相关关系,塔架顶部的振动加速度随均方差的增大而增加;建立模型进行了动力有限元计算分析,计算结果较好反映了响水近海试验风机不同工况的动力响应。研究成果具有一定的工程应用价值,可为海上风机基础设计提供参考。     

基于桩筒复合基础海上风机振动特性分析

海上风机所处环境复杂,在风、波浪等随机动载作用下易发生共振破坏。为研究采用桩筒复合基础海上风机的振动特性,选择合理的基础设计参数,利用有限元软件ABAQUS进行海上风机整体建模,采用Block Lanczos方法进行模态分析,同时将所得自振频率与外荷载频率进行对比研究,并分析不同基础形式与不同基础约束条件下的风机整体振动特性。研究发现:前2阶水平弯曲频率与第3阶扭转频率为判断风机整体共振的主要频率;与单桩基础相比,桩筒复合基础能够有效增加风机抵抗水平荷载的能力,且在该设计参数条件下风机能够避免共振的发生;在基础设计时,应考虑桩土相互作用(PSI)的影响。     

跨海桥梁基础冲刷特征研究

在我国近海海域,跨海桥梁基础冲刷是影响大桥安全的重要因素之一。基于金塘大桥2014、2015和2017年桥墩基础冲刷实测资料,并结合建桥前地形测验资料进行了案例分析,解析出了往复潮流条件下桥墩基础的一般冲刷及局部冲刷深度,金塘大桥中引桥桥墩一般冲刷深度为3.3~3.6 m,平均局部冲刷深度约8.3 m。往复潮流条件下桥墩基础局部冲刷坑受双向潮流影响向上下游延伸,形状呈椭圆形,各墩冲刷坑纵向长度与最大局部冲刷深度呈近似线性关系,长度约为局部冲刷深度的10~12倍,而各墩冲刷坑横向宽度则基本一致,约为桥墩基础宽度的4~5倍,与最大局部冲刷深度无明显相关性。跨海桥梁基础冲刷深度计算方法及冲刷坑形态特征的研究成果可供跨海大桥基础设计、运行维护及基础冲刷防护参考。     

Local scour at offshore windfarm monopile foundations: A review

In this article, current research findings of local scour at offshore windfarm monopile foundations are presented. The scour mechanisms and scour depth prediction formulas under different hydrodynamic conditions are summarized, including the current-only condition, wave-only condition, combined wave-current condition, and complex dynamic condition. Furthermore, this article analyzes the influencing factors on the basis of classical equations for predicting the equilibrium scour depth under specific conditions. The weakness of existing researches and future prospects are also discussed. It is suggested that future research shall focus on physical experiments under unsteady tidal currents or other complex loadings. The computational fluid dynamics-discrete element method and artificial intelligence technique are suggested being adopted to study the scour at offshore windfarm foundations.