沖刷和地震聯合作用對單柱復合筒基礎位移變形的影響*

張 權，張浦陽

沖刷和地震聯合作用對單柱復合筒基礎位移變形的影響*

張 權1，張浦陽2,?

（1. 上?？睖y設計研究院有限公司，上海 200335；2. 天津大學，水利工程智能建設與運維全國重點實驗室，天津 300072）

為考察單柱復合筒抵御極端惡劣環境的能力，研究了單柱復合筒在正常使用極限狀態和地震工況下，海床沖刷1 m和3 m時結構及土壤的位移變形情況，并根據現場實測值對數值模擬結果進行檢驗。結果表明，數值模擬的傾斜角度能涵蓋1 800 h內現場出現的近99.3%的傾斜角度，數值模擬具有一定的參考價值。正常使用極限工況下沖刷對結構和周圍土壤的影響較大，沖刷3 m的土壤沉降量是沖刷1 m的1.21倍。地震工況下結構整體位移變形較大，位移變形為正常使用工況的1.3倍左右，沖刷對地震工況下結構的變形影響較小。

單柱復合筒；地震；沖刷；海上風電

0 引 言

目前世界范圍內海上風電發展迅速，2022年我國已超越英國成為世界上海上風電裝機量最大的國家。為了完成我國“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”[1]的目標，發展風電、光伏等新能源是降低電力行業碳排放的任務之一[2]。

近岸風機大多采用樁基礎或筒基礎，在設計過程中，需要考慮到各種極端情況的荷載組合。在復雜的海洋環境當中，水流受到基礎結構的阻礙會改變流動方向，侵蝕海床，產生沖刷坑，沖刷現象改變結構動力特性[3]，影響基礎的側向位移和承載力[4]。STROESCU等[5]比較了沖刷對單樁和筒型基礎的影響，發現筒型基礎比單樁基礎抗沖刷能力好，因此單柱復合筒將筒基礎設置在外圍起到抗沖刷的作用。丁紅巖等[6]研究了單柱復合筒負壓下沉時筒壁兩側及筒端土體的滲流特性和超孔隙水壓力的分布，推導出理論公式并通過實際工程進行了驗證。于通順等[7]通過建立風機塔筒?復合筒基礎?沖刷地基的耦合動力分析模型，模擬單樁復合吸力筒在粉砂質海床的單向流作用下的地基沖刷特性，并對數值模型結果進行試驗驗證，發現沖刷會降低風機結構的自振頻率，提高復合筒基運行速度，影響結構穩定性。朱洵等[8]對江蘇如東海上風電進行現場試驗，研究了粉砂粉土和黏土層中單柱復合筒壁內外側側壓力系數、筒體負壓排水等關鍵參數的演化規律。不少學者針對地震工況下筒基礎的承載力展開了研究。OLALO等[9]通過離心機試驗，分析了三種不同長徑比的筒基礎受地震引起的土壤液化的影響，發現筒越高，基礎的傾斜程度和歸一化沉降程度越低。劉佳等[10]研究在五種不同地震工況下復合筒型基礎對地基土體液化的影響，發現復合筒分艙板形成筒內部較為復雜的結構為土體提供了更為優化的受力分布，大大降低了局部液化的風險。張浦陽等[11]提出的抗液化剪應力法，對地震荷載作用下的筒型基礎土體液化情況進行計算判別，發現在地震荷載作用下施加在筒型基礎內部和下部土體的豎向靜力荷載對筒內土體抗液化能力有顯著的提高作用，在周圍土體大面積液化后筒型基礎仍可繼續承載。

綜上，對于海上風機筒型基礎，目前研究大多單獨圍繞地震或沖刷展開，較少有考慮沖刷的地震荷載基礎運動特性研究。為研究結合樁基礎和筒型基礎的單柱復合筒[12]抵抗極端惡劣環境荷載的能力并進行安全評估，以上?？睖y設計研究院研發的三峽新能源陽江西沙扒單柱復合筒海上風電項目為例進行數值模擬研究，分別對其在沖刷、地震以及沖刷地震聯合三種危險工況下的承載特性等進行計算研究。

1 分析模型

1.1 工程原型

如圖1所示，項目位于廣東省陽江市陽西縣沙扒鎮附近海域，場址面積約36.6 km2，以其中兩處典型機位為研究對象，分析不同土壤環境不同工況下結構變形、位移等的變化情況，評估結構的安全性。

圖1 單柱復合筒基礎現場安裝示意圖

表1為典型機位計算選用土壤參數，分析時彈性模量取黏土5倍、砂土3倍的壓縮模量。其中壓縮模量取最大值和最小值的平均值，不排水抗剪強度取最小值。

表1 典型機位土壤參數

注：模型土體厚度50 m，無詳細參數土層均按最后一層選取。

1.2 有限元模型和荷載模型

1.2.1 單柱復合筒有限元模型

陽江西沙扒一期的5.5 MW風機單柱復合筒基礎結構如圖2所示。單柱復合筒基礎筒徑為36 m，典型機位筒高為9.9 m。單柱復合筒由內部分艙的筒型基礎、單柱及連接件構成，筒壁厚25 mm，筒頂蓋厚20 mm。筒型基礎內部分為七艙，其中中艙為圓形，直徑為10 m。單柱由上至下共分為三段：第一段為直徑7 m的圓柱，第二段為頂端直徑7 m、底端直徑10 m的錐體，第三段為直徑10 m的圓柱。風機基礎柱頂高程為 +18.0 m。

圖2 單柱復合筒基礎示意圖

本研究主要考察最危險工況下結構的承載特性，因此計算時將各工況下最大荷載施加在結構的耦合點上。正常使用極限狀態下，風荷載對上部高聳風機的作用點為筒頂，距泥面45.2 m處，波浪對筒基的荷載作用在第三段筒，距泥面14.12 m處。地震工況下，水平地震荷載對上部高聳風機的水平荷載作用于筒頂，距泥面45.2 m處，和正常使用極限位置相同，對筒基的水平荷載作用于泥面以上3.83 m處；豎向地震荷載對上部風機作用點位于泥面以上41.5 m處，對筒基的作用點位于泥面以上3.83 m。

圖3為單柱復合筒基礎有限元模型示意圖。模型中土體采用Mohr-Coulomb本構，筒土之間采用摩擦接觸，摩擦系數取0.3。

圖3 單柱復合筒基礎有限元模型示意圖：（a）整體結構；（b）單柱復合筒

1.2.2 極端工況荷載模型

為驗算極端工況下的地基承載力以及模型變形，模型計算工況的荷載作用依據《海上風電場工程風電機組基礎設計規范》（NB/T 10105-2018）[13]取值，采用表2所示的正常使用極限狀態下的荷載標準組合。

表2 正常使用極限狀態荷載標準組合

注：泥面彎矩557 MN?m。

1.2.3 地震荷載模型

本工程 Ⅲ 類場地50年超越概率10%的地震動峰值加速度按0.125 g考慮，Ⅳ 類場地50年超越概率10%的地震動峰值加速度按0.12 g考慮，對應的地震基本烈度均為 Ⅶ 度。地震荷載采用承載能力極限狀態下的地震荷載組合，如表3所示。

表3 承載能力極限狀態地震荷載組合

2 數值模擬計算結果檢驗

2.1 正常使用極限狀態基礎變形特性理論計算

和筒直徑相比，泥面沉降高差很小，因此可將沉降高差近似表達為旋轉角度對應的弧度值：

整理可得：

將極端工況?變形驗算荷載值（表2所示）施加于鋼管樁頂部，通過沉降量的變化進行極端工況荷載下復合筒型基礎的變形驗算分析。

圖4為基礎泥面處變形位移云圖，其中代表總位移，1、2、3分別代表、、方向位移?？梢钥闯?，泥面處基礎兩側沉降分別為 ?126.7 mm、+137.0 mm，總高差為263.7 mm，用泥面處沉降值計算單柱復合筒的傾斜程度為0.42°。

圖4 基礎泥面處變形位移云圖

單柱復合筒基礎結構的整體位移以及各方向上的位移如圖5所示，在正常使用極限狀態下，單柱復合筒的位移最大處出現在筒頂，總位移為589.8 mm，方向上的位移為524.2 mm，方向的位移較小，后續計算中可忽略不計，豎向位移差為309.1 mm。

圖5 單柱復合筒整體變形圖：（a）總位移；（b）豎向位移；（c）X方向位移；（d）Y方向位移

2.2 現場實測情況

風電場對典型風機塔筒進行吊裝后至風機安全投入運行前的動態傾斜進行監測，將監測數據通過無線傳輸方式實時發送并保存到升壓站及岸上集控中心服務器中。如圖6所示，在三臺風機底層安裝了1個傾角儀、1個加速度計、1臺G01NET-3D（10通道）采集儀。

圖6 現場試驗設備安裝及數據采集：（a）岸上集控中心監測平臺；（b）升壓站無線接收設備安裝

根據現場傳來的數據，得到1 800 h內單柱復合筒頂部的傾斜角度曲線，如圖7所示。圖中直線為理論計算出的單柱復合筒最大傾斜角度0.42°，曲線為實際工況下單柱復合筒的最大傾斜角度實測值，其中最大傾斜角度為0.531°，并且1 800 h中有12 h的傾斜角度超過0.42°，可以看出理論計算結果能涵蓋99.3%的實測數據，超過0.42° 的部分集中在0 h和750 h兩個時間點附近，傾斜度分別超過理論計算值的7.1%和26.3%，持續時間分別為4 h和6 h，超過理論計算值的部分持續時間短，對結構的承載能力影響不大。根據以上數據，可以看出實際工程中會偶爾出現超過理論計算結果的情況，但出現的大部分傾斜角度包含在理論計算結果之內，本研究的理論計算結果較為可靠，各工況下的理論計算結果對現實具有一定參考價值。

圖7 筒頂水平位移變化圖

3 危險工況下單柱復合筒基礎變形特性

3.1 沖刷對結構基礎變形特性的影響

單柱復合筒在海洋中安裝完成后，周圍海床受到水流的沖擊摩擦，會形成片狀沖刷或者溝狀沖刷，相應地降低單柱復合筒埋深，影響結構承載力，為了充分評估單柱復合筒承載能力，需要考慮沖刷工況。針對典型機位的表層河床沖刷進行變形驗算，對1 m和3 m河床全部被沖刷后的單柱復合筒結構承載進行數值模擬，以找到表層沖刷后結構的承載變化規律，檢驗結構抵抗沖刷工況的能力。

將極端工況?變形驗算荷載值施加于鋼管樁頂部，通過沉降量的變化進行極端工況荷載下復合筒型基礎的變形驗算分析。

圖8為沖刷1 m和3 m處的泥面處變形位移云圖?？梢钥闯?，沖刷1 m時泥面處基礎兩側沉降分別為 ?132.0 mm、+143.9 mm，總高差為275.9 mm，傾斜度為0.44°。沖刷3 m時泥面處基礎兩側沉降分別為 ?156.0 mm、+177.8 mm，總高差為333.8 mm，傾斜度為0.53°。沖刷3 m工況下，受載側下沉量比沖刷1 m時的工況低24 mm，背載側上升量比沖刷1 m時高33.9 mm，總體比沖刷1 m時的變形高57.9 mm，可知沖刷3 m的土壤沉降量是沖刷1 m的1.21倍，且對背載側土體上升影響較大。

圖8 泥面處變形位移云圖：（a）沖刷1 m；（b）沖刷3 m

圖9和圖10為正常使用極限狀態下沖刷1 m和沖刷3 m時基礎筒頂的總位移和水平方向上的位移。沖刷1 m時總位移為544.7 mm，水平方向上的位移為543.1 mm；沖刷3 m時，筒頂總位移為635.0 mm，水平方向上的位移為632.4 mm?？梢钥闯鰶_刷3 m的筒頂水平位移是沖刷1 m的1.16倍，土壤的豎向沉降變化比結構水平位移明顯。

圖9 沖刷1 m時基礎整體位移云圖：（a）總位移；（b）X方向位移

圖10 沖刷3 m基礎整體位移云圖：（a）總位移；（b）X方向位移

根據計算結果，在正常使用極限狀態下沖刷對土壤沉降變形變化的影響比對結構本身位移變化的要大，因此產生沖刷時海床的承載力會迅速下降，在實際工程中需要時刻關注海床的沖刷情況。

3.2 地震對基礎變形特性的影響

地震工況下結構整體最大位移、水平位移和豎向位移如圖11所示，結構整體最大位移和水平位移分別為710.5 mm和707.1 mm，豎向兩側沉降量分別為 ?160.5 mm和 +187.3 mm，沉降高差為347.8 mm，傾斜度為0.55°。地震工況下，筒頂的水平位移比正常使用極限狀態多189.2 mm，是其1.35倍；沉降量比正常使用極限狀態高84.1 mm，是其1.31倍，地震荷載對結構引發的變形整體較大，對各項位移變形的變化影響較為均勻。

圖11 地震工況整體結構位移云圖：（a）總位移；（b）X方向位移；（c）豎向位移

3.3 沖刷和地震聯合作用對基礎變形特性的影響

為驗證單柱復合筒在極端惡劣情況下的變形情況，先針對典型機位地震荷載下沖刷1 m和3 m的工況進行計算，將極端工況?變形驗算荷載值（表2）施加于結構之上，通過沉降量變化對地震工況荷載下單柱復合筒基礎進行變形驗算分析。

圖12為地震工況下沖刷1 m和3 m的泥面處變形位移云圖?？梢钥闯?，地震工況下沖刷1 m的泥面基礎兩側沉降分別為 ?162.6 mm和 +189.2 mm，沉降高差為351.8 mm，傾斜度為0.56°。地震時沖刷3 m的泥面基礎兩側沉降為 ?170.7 mm和 +197.0 mm，沉降高差為367.7 mm，傾斜度為0.59°。地震沖刷3 m工況下，受載側下沉量比沖刷1 m時的工況低8.1 mm，背載側上升量比沖刷1 m時高7.8 mm，總體比沖刷1 m的變形高15.9 mm，可以看出沖刷3 m的泥面沉降量是沖刷1 m的1.05倍，且受載側土體下降高度受影響較大，和無地震情況相反。

圖12 地震及沖刷工況泥面處變形位移云圖：（a）沖刷1 m；（b）沖刷3 m

如圖13和圖14所示為地震工況下沖刷1 m和沖刷3 m的單柱復合筒的位移云圖，最大總位移和最大水平方向位移都出現在筒頂處。其中沖刷1 m的最大總位移為725.9 mm，水平方向上的位移為722.1 mm。沖刷3 m的總位移為741.8 mm，水平方向上的位移為738.1 mm?？梢钥闯鰶_刷3 m的筒頂水平位移是沖刷1 m的1.02倍。和正常使用極限工況比，地震工況下結構變形整體較大，但沖刷深度對結構的影響不大。

圖13 地震工況沖刷1 m基礎變形云圖：（a）總位移；（b）X方向位移

圖14 地震工況沖刷3 m基礎變形云圖：（a）總位移；（b）X方向位移

3.4 小 結

為直觀地表示結構承載變形特性，圖15和表4列出了所述工況的沉降量及筒頂位移變形?？梢钥闯?，荷載越大，沖刷深度越深，結構偏離原始位置越多，情況越危險，安裝一定時間后要隨時注意基礎的沖刷深度，及時做出加固措施，保證結構的安全穩定。并且隨著工況的改變，各類變形的變化趨勢基本相同，可用其中一種變形值估算其他位置的位移數值模擬結果，降低計算成本。

4 結 論

針對陽江單柱復合筒典型機位開展了結構承載特性研究，通過數值模擬的方法研究了正常使用極限狀態和地震工況下，不沖刷以及表層1 m和3 m河床完全被沖刷情況下結構的位移變形情況，較為全面地考慮了結構在位時可能遇到的危險情況，并進行數值模擬，得到以下結論：

（1）正常使用極限狀態下，單柱復合筒傾斜角度的數值模擬結果為0.42°，相同工況的現場實測值最大為0.531°，涵蓋1 800 h內現場出現的99.3%的情況，超過0.42° 的部分集中在0 h和750 h左右，且持續時間分別為4 h和6 h，超過理論計算值的部分持續時間短。

（2）正常使用極限狀態的單柱復合筒豎向位移最大處為589.8 mm，泥面兩側沉降高差為263.7 mm，筒體傾斜角度為0.42°。沖刷1 m時，泥面兩側沉降高差為275.9 mm，結構最大總位移為544.7 mm，傾斜角度為0.44°；沖刷3 m時，泥面兩側沉降高差為333.8 mm，結構最大總位移為635.0 mm，傾斜角度為0.53°。因此整體來看泥面變形比結構位移小，但沖刷對土壤變形變化的影響比對結構本身的影響要大，沖刷3 m的土壤沉降量是沖刷1 m的1.21倍，結構位移變形是沖刷1 m的1.16倍，發生沖刷時海床的承載力會迅速下降，實際工程中需要時刻關注海床的沖刷情況，采取一定的防沖刷措施。

（3）和正常工況及正常沖刷工況相比，地震荷載對結構引發的變形較大，結構整體位移最大為710.5 mm，泥面沉降高差為347.8 mm，傾斜角度為0.55°，水平位移和沉降量均達到正常使用極限狀態的1.3倍左右。但沖刷深度1 m和3 m時施加地震荷載的結構最大位移數值模擬結果分別為725.9 mm和741.8 mm，泥面兩側沉降高差351.8 mm和367.7 mm，結構傾斜角度為0.56° 和0.59°，地震時沖刷深度增大2 m對結構的位移變形影響不大。

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Effect of Combined Action of Scouring and Earthquake on the Displacement Deformation of Single-Column Composite Bucket Foundation

ZHANG Quan1, ZHANG Puyang2,?

(1. Shanghai Investigation, Design & Research Institute Co. Ltd., Shanghai 200335, China;2.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Intelligent Construction and Operation, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

In order to study the ability of single-column composite bucket foundation to withstand extremely harsh environments, this paper establishes the numerical simulation and field test to study the displacement deformation of structure and soil under the serviceability limit state and earthquake conditions, when the seabed scouring depth is 1 m and 3 m. The results show that the tilt angle of numerical simulation can cover nearly 99.3% of the inclination angle in the field within 1 800 h, which provides that numerical simulation can be referenced. Under serviceability limit states, scouring greatly influences the structure and surrounding soil, which the soil settlement amount of 3 m is 1.21 times that of 1 m. Under earthquake conditions, the overall displacement deformation of the structure is large, and the displacement deformation is about 1.3 times that of the normal use condition, and the scouring has little effect on the deformation of the structure under this condition.

single-column composite bucket; earthquake; scouring; offshore wind power

2095-560X（2023）06-0548-08

TK83

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.06.009

2023-01-31

2023-02-22

國家自然科學基金項目（52171274）

張浦陽，E-mail：zpy_td@163.com

張權, 張浦陽. 沖刷和地震聯合作用對單柱復合筒基礎位移變形的影響[J]. 新能源進展, 2023, 11(6): 548-555.

： ZHANG Quan, ZHANG Puyang. Effect of combined action of scouring and earthquake on the displacement deformation of single-column composite bucket foundation[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(6): 548-555.

張 權（1980-），男，高級工程師，主要從事風力發電設計研究。

張浦陽（1978-），男，博士，副教授，主要從事建筑科學與工程技術、新能源海上風電技術研究。