砂质海岸单桩基础的冲刷特征与防护措施试验研究

目的 海上风电开发的一个重要环节是建造合适的海上风电基础支撑结构,近年来,单桩结构成为海上风电机组的主要基础形式。单桩基础在海洋环境中的局部冲刷问题对风机结构的稳定性有重要影响。 方法 通过开展系列物模试验,对某建于砂质海床并采用大直径单桩基础的风电场工程的桩基局部冲刷特征进行了研究,分析了不同直径、水深、波浪以及水流等因素对局部冲刷深度和范围的影响,并研究了砂被和沙袋等措施的防护效果。 结果 研究结果表明,对于直径7.0 m和6.5 m两种桩基,冲刷最深处均在单桩迎水面,最大冲刷深度为桩基直径的0.8~0.9倍。 结论 采用无搭接方式铺设砂被并且采用沙袋填充冲刷坑可对桩基结构周围底床形成很好的防护,可为同类工程冲刷试验和工程设计提供参考。     

基于实测的海上风电基础局部冲刷及防护措施效果对比研究

海上风电单桩基础局部冲刷普遍存在,且极限冲刷深度是开展基础结构设计的重要参数。因此,针对海上风电单桩基础,基于江苏某海上风电场的冲刷实测数据,研究韩海骞公式、王汝凯公式、Qi&Gao公式冲刷计算值与实测值之间的关系;分析对比抛石、固化土及砂被3种冲刷防护措施的防护效果。结果表明：3种计算方法可较为准确预测单桩基础的局部冲刷深度;固化土、砂被、抛石对冲刷防护的效果呈递减趋势。     

海上风电单桩基础海流局部冲刷及防护试验研究

以圆柱型单桩基础模型为研究对象,开展单向流和潮汐流作用下的局部冲刷试验,研究不同海洋来流形态下单桩局部冲刷规律及防冲刷护圈的防护效果.结果表明:潮汐流作用下的最大冲刷深度为单向流作用下的60％～80％;防冲刷护圈对单向流和潮汐流均有明显的防护效果,且对潮汐流的防护效果更为明显;护圈安装高度的降低和外径的增大在一定范围内...     

海上风电场单桩基础局部冲刷深度计算方法适应性研究

针对在海上风电中应用最为广泛的单桩基础,基于山东、江苏、浙江等地海上风电场的冲刷实测数据,对海上风电场的冲刷深度分布情况进行讨论。同时,运用Qi&Gao公式、韩海骞公式、王汝凯公式对各风电场的理论冲刷深度进行计算,并分析计算结果与实测数据之间的关系,研究各冲刷计算方法的适应性。结果表明,上述3种计算方法可在一定程度上预测单桩基础的局部冲刷深度。     

开孔护圈对海上风力机单桩基础的冲刷防护试验

基于圆形护圈调整桩基局部流场,护圈开孔进一步交换上下两侧水体,降低结构振动并减少桩基冲刷深度,从而维持风力机的正常运行。为验证开孔护圈的防护效果,开展不同开孔型式护圈防护下的单桩基础冲刷物理模型试验。通过设计9种不同型式的开孔护圈,探究护圈开孔形态、开孔数量和开孔位置对防护性能的影响。结果表明：护圈改变桩基边缘冲刷形态,护圈开孔可提高桩基前期冲刷速率;相比传统护圈,内侧开孔护圈和外侧开孔护圈防护效果较差,而中间开孔护圈可进一步减小单桩基础周围冲刷深度,并控制冲刷深度不均匀性,提升护圈防护效果。     

基于改进RBF代理模型的海上风机单桩基础优化设计北大核心CSCD

文章提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络结合粒子群算法(PSO)的海上风机单桩基础优化设计方法。该方法考虑局部冲刷的影响,提高了优化计算效率和结构安全性。首先,基于6.45 MW海上风机单桩基础工程实际问题,以泥面以下部分的桩径、壁厚和桩长为设计变量,采用拉丁超立方抽样法选取样本点;然后,建立考虑局部冲刷的单桩基础有限元模型并计算响应值,构建RBF代理模型,结合PSO算法进行全局寻优。寻优结果表明:考虑局部冲刷影响的海上风机单桩基础优化设计结果更趋于安全;适当增加桩径和壁厚比增加桩长更加经济;使用RBF代理模型能显著提高优化效率。     

海上大直径单桩基础沉桩施工关键技术研究

[目的]随着我国海上风电开发的迅速发展,近海风电场常采用无过渡段大直径钢管桩结构作为风机基础,该基础形式的应用避免了有过渡段单桩的不利因素,但主要难点在于施工装备要求高、单桩垂直度控制难度大.[方法]文章以采用了大直径单桩基础的广东某海上风电工程项目为例,重点阐述了海上风电大直径无过渡段风机单桩基础沉桩的施工方法和要点...     

一种新技术在海上风机基础冲刷防护的应用研究

  目的  随着我国海上风电开发的迅速发展,大直径单桩基础得到广泛应用,基础冲刷情况也日益严峻,选择合理适用的防冲刷方案对风电场长周期安全稳定运行、保证经济效益具有重要意义。  方法  通过某海上风电项目运行一年后大直径单管桩基础出现严重冲刷现象引出问题,对桩基础冲刷原理、目前国内外常规采取的防冲刷方案进行了概述,对某海上风电项目采用淤泥固化方案进行桩基础防冲刷试验的原理、参数、方案、工程实施进行了详述。  结果  通过对试验桩位长达两年的多次扫测、潜水员下水探摸,基本确定淤泥固化土层与桩身结合紧密、覆盖完整、试验效果良好。  结论  淤泥固化这种新型材料在海上风电基础的防冲刷应用具有一定的借鉴、推广意义。     

海上风电大直径单桩自沉深度分析

  [目的]  大直径单桩是海上风电最常用的基础形式之一,为了能够更加准确、快捷地预测海上大直径单桩的自沉深度,提前预警可能存在的施工安装风险,分别采用了基于设计参数的方法和基于CPT原位测试的方法进行分析计算并根据现场实际施工数据进行初步反分析。  [方法]  主要分析了基于桩基承载原理结合设计参数的计算方法、DNV推荐工法中的CPT经验公式以及形式更加简单的直接CPT方法。并讨论了计算结果与实际深度之间的关系,分析了计算结果与实际深度差异的原因。  [结果]  分析结果表明:基于设计参数的方法其理论架构更加清晰,但分析结果受参数取值的人为因素影响较大,而基于CPT方法其数据更加客观,但部分关键参数的取值仍然依靠现场经验。  [结论]  因此没有一种方法可以在任何条件下都能够准确预测单桩基础的自沉量,因为地层的水平变化、单桩下沉速度、施工步骤等都会对单桩自沉有影响。为了能够准确评估单桩自沉,保证顺利施工,实际项目中需采用多个方法综合对比,最终确定适合项目的施工方案。     

海上风机单桩基础稳流冲刷数值模拟

目的  桩基础冲刷是海上风电场建设及维护期间面临的重要技术问题,浪、流等环境载荷作用下形成的冲刷坑会降低桩土结构的稳定性,对风机结构安全造成不可忽视的影响。 方法  采用CFD技术结合泥沙输运模型,针对稳流条件下,砂质海床上圆柱形单桩基础的冲刷问题进行数值模拟研究,通过对流动——冲刷非线性耦合问题的求解,观察了桩基础周围冲刷坑的发展过程,得到了冲刷坑深度的时变曲线。 结果  计算结果表明,冲刷坑深度在冲刷开始阶段迅速增加,随后冲刷速度逐渐变慢;在16 min的计算时间内,冲刷深度达到0.81倍桩径。 结论  根据冲刷深度的变化情况,认为对于处于砂质海床区域内的风电场,应当在基础施工期间考虑冲刷防护,通过增加防护结构等方法避免冲刷坑的出现和扩展。     

考虑冲刷的单桩式海上风力机动力响应研究

为了研究复杂海洋环境下桩周冲刷对海上风力机动力响应的影响,以美国可再生能源实验室5 MW海上风力机为研究对象,建立风力机塔架-单桩-土体有限元模型,计入风浪和地震荷载对冲刷情况下的单桩式海上风力机进行动力响应研究。对比分析不同冲刷深度以及冲刷坡角对风力机系统固有频率和动力响应的影响。研究表明：当冲刷深度增加到二倍桩径时,风力机一阶固有频率降低至转子1P频率附近,容易引起共振;在风浪荷载以及风浪、地震联合荷载作用下,冲刷坡角不变,风力机最大位移与弯矩随着冲刷深度增加而增大,疏松土质条件下的增量大于紧密土;保持冲刷深度不变,冲刷坡角的变化对风力机动力响应影响较小。     

海上风电单桩基础地基加固技术研究

目的  在以“双碳”为目标的能源政策导向下,海上风力发电作为一种新型的能源技术,得到了广泛的应用,并且在中国迅速发展。单桩基础是海上风电中最经济、应用最广泛的基础。为解决单桩基础的变形及冲刷保护问题,提出了一种地基加固技术,并对该加固技术进行研究分析,给出加固方法的依据。 方法  针对桩基地基加固技术进行方法研究论证,通过针对加固技术路线及工艺研究,选取一种适合于海上施工的地基加固技术,并采用数值分析方法针对加固效果及加固影响范围进行详细分析。 结果  结果表明：在1.15倍荷载下,采用地基加固的单桩基础的水平承载力提升15%以上,通过地基加固可以适用于更大容量的机型。本分析案例中,当地基加固深度、水平范围都达到8 m时,加固深度方向范围的土体比加固平面方向范围的土体获得的收益更大。 结论  利用水泥土加固的技术方案经数值分析验证可靠,对单桩承载能力提升显著,且加固范围合理经济,可为后续海上风电实际工程单桩地基加固技术的应用提供借鉴。     

10 MW大型单桩式海上风机桩土作用研究

目的  世界范围内已经建成的海上风场大部分位于浅水区域（水深<30 m）,主要以单桩等固定式基础为主。随着风电技术的不断成熟,海上风电逐渐走向机组大型化趋势,而单桩海上风机的基础直径也将随着机组大型化而增加。其所受到的环境载荷和土质条件要求也愈加严苛,对于大直径单桩式海上风机的桩土相互作用的研究成为海上风电技术的关键技术问题之一。方法  拟对浅水水域10 MW大型海上风机,研究不同桩土模型对大型单桩海上风机的动力响应的影响。结果  结果表明,宏单元法考虑了非线性的刚度与塑性,在特征频率附近的功率谱密度总和大,对比其他传统桩土模型时有很大的优势。结论  所做研究对风机的整体安全运行具有深远的理论价值与工程应用前景。     

不同风载及地震载荷下单桩及三桩式海上风力机动力学响应差异性研究

为探究单桩及三桩式海上风力机在不同风载荷及地震载荷作用下动力学响应的差异,以DTU 10 MW风力机为研究对象,考虑湍流风及地震载荷作用,基于p-y曲线法及Winkler土-构相互作用理论,构建土-构耦合模型,开展单桩及三桩式海上风力机动力学响应比较研究。结果表明：在湍流风作用下,三桩式风力机较单桩式塔顶位移峰值响应较小,结构更稳定;单桩式风力机呈局部小应力、整体大应力现象;而三桩式风力机呈局部大应力,整体小应力现象。在湍流风与地震载荷联合作用下,三桩式风力机相较于单桩式位移峰值受地震载荷影响波动较大,但其在不同风速及不同强度地震作用下峰值节点位移总体仍小于单桩式。     

延河包西铁路大桥冲刷规律及其防护措施

研究包西铁路大桥冲刷规律及其防护措施,对于减少灾害,保护大桥安全意义重大。基于延河庙沟堤防工程的动床河工模型试验,观测了不同流量工况下包西铁路大桥的群桩基础局部冲刷情况,着重分析了局部冲刷成因。在此基础上,简化群桩基础模型,提出以四面六边透水框架群作为防护措施,并采用Fluent软件进行三维数值模拟,对比分析了有无防护措施两种情况下的流速分布特征。结果表明,四面六边透水框架群可大幅降低群桩基础前部及两侧行进流速,可达到减速落淤效果,该防护措施可行。     

基于FAST的近海单桩风机地震响应分析

为研究近海单桩风机塔架地震动力响应特性,以FAST v7软件为基础自编程开发地震分析模块,形成风机地震动力学耦合仿真平台S-FAST,并采用ABAQUS和Seismic软件验证其有效性。基于扩充的S-FAST平台,计算NREL 5 MW近海单桩风机塔架在湍流风、非规则波浪和地震作用下的动力响应。结果表明：地震是塔顶振动的控制荷载,风浪荷载可有效抑制塔顶振动;塔基面内弯矩主要由地震荷载引起,风浪荷载主要影响塔基面外弯矩;风浪荷载引起的塔基面外弯矩占风、波浪和地震耦合作用工况的69%;风浪荷载和地震荷载之间存在非线性耦合关系,结构设计时应采用全耦合的方法进行结构响应计算。     

海上风电大直径单桩自沉与溜桩分析

目的 为了能够更加准确、快捷地预测海上大直径单桩的自沉深度,降低施工风险,分别采用了基于设计参数的方法和基于CPT原位测试的方法进行分析计算并根据现场实际施工数据进行初步分析。 方法 通过API推荐的桩基承载原理,利用现场沉桩数据,结合误差分析,将理论计算结果与实际沉桩数据进行比较,修正设计输入参数。 结果 分析结果表明：计算粘土的自沉与溜桩分析过程中,折减强度系数$ {S}_{\mathrm{r}} $的不同,对沉桩预测差异很大;同时,自沉过程与溜桩过程折减强度系数$ {S}_{\mathrm{r}} $的选取不同。 结论 通过对比分析,得到了广东沿海海域粘土强度折减系数$ {S}_{\mathrm{r}} $取值范围,可以为后面海上沉桩作业提供设计参考,此外,研究发现利用CPT数据能够更好地预测自沉和溜桩现象。     

某近海风电场风机基础选型设计

目的  自2022年起,海上风电的国家补贴将全面退出。海上风电机组基础是风电机组的支撑结构,对海上风电场的安全运行起着至关重要的作用。在平价上网、“30·60”双碳目标和国家“十四五”能源规划等政策的指导下,合理地选择、设计海上风电机组基础,是海上风电场降本增效的有效手段。 方法  文章以某近海风电场风机基础选型设计为例,综合国内海上风电场的建设经验,进行基础型式比选;首先选择单桩基础、导管架基础和高桩承台基础3种基础型式进行初选,然后结合该近海风电场的海洋水文和地质条件,分析不同风机基础型式的适用水深及优缺点,从结构安全性、施工可行性、工期及工程经济性等方面进行了综合比选。 结果  研究表明：风机基础型式的选择与水深、土层地质条件、风电机组固有频率、施工安装设备能力、施工工期、工程造价等几个因素有关。单桩基础结构型式优良、施工可行、工期最短、经济性最优,优势明显。 结论  推荐该近海风电场风机基础采用单桩基础方案。