【《海上风机桩基础冲刷问题研究的国内外文献综述》5000字】

海上风机桩基础冲刷问题研究的国内外文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u15819海上风机桩基础冲刷问题研究的国内外文献综述 1255111.1海上风机桩基础形式 1235331.2桩基础冲刷机理 2255991.3桩基础冲刷研究方法 6117191.4桩基础冲刷防护 719553参考文献 81.1海上风机桩基础形式海上风机桩基础作为海上风机的承载结构，除了承载上部的荷载外，还需承受动水压力、风力和水流压力等冲击力。目前工程上使用的海上风机桩基础种类有很多，比如单桩基础、群桩基础、重力式基础、导管架基础、吸力式筒形基础等，工程上一般根据不同水文地质条件选择合适的桩基础形式。下面简要介绍一下不同桩基础形式的优缺点及使用条件。单桩基础主要有钢管桩和钢筋混凝土管桩两种形式，钢管桩适用在覆盖层和水深均在30m以下的海域，其制作简单、施工方便，无需对海床做额外的处理，但在海水较深时结构柔性大、不稳定；钢筋混凝土管桩与钢管桩基础一样适用于浅水及中等水域，其施工无需对海床进行处理，但需要现场浇筑安装，安装时需要大吨位浮吊吊装，施工成本高。群桩基础是由底部小直径斜钢管与上部钢筋混凝土承台构成，群桩基础能更好地抵抗波浪、水流等水平荷载，具有更强的稳定性，适用于深水水域，但其施工比较复杂，需要专门的安装设备，施工成本高，施工时间长。重力式基础是依靠自身重力抵抗倾覆力矩，一般适用于水深小于10m的水域，该基础形式结构简单、造价低，而且具有良好的抗风浪的能力，但由于其体积大、重力大等特点，因此施工安装不方便且成本高，随着水深的增加，重力式基础的成本将迅速提高，其经济性不仅得不到体现，造价反而会比其他基础形式更高。导管架基础具有较高的覆盖层承载力，并且适合较深的水域，其对打桩设备要求较低，可整体运输安装，但现场施工时间较长。吸力式筒形基础是一种新型海上风机桩基础形式，其原理是将钢筒基础漂浮运至安装位置，抽出筒内的空气和水，利用内外压差将筒体插入设计深度。吸力式筒形基础适用于砂土或软粘土等地质条件下的水域，其制作简单、成本低、安装速度快，并且拆卸方便，可进行二次利用。但在安装过程中筒内产生的负压会使土体形成土塞，导致基础下沉的过程中出现倾斜，需频繁进行矫正。本论文主要讨论单桩基础的周围冲刷情况，海上风电一般安装在浅水或中等水域，在该条件下单桩基础能发挥不错的效果。由于单桩基础是目前工程上使用最多的海上风机桩基础形式，所以对海上风机单桩基础周围冲刷情况进行深入研究具有重要意义。（a）单桩基础 （b）群桩基础（c）重力式基础 （d）吸力式筒形基础图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s11不同桩基础形式1.2桩基础冲刷机理由于桩基础冲刷带走周围的泥沙，形成的冲刷坑大大降低了桩基础的承载能力，因此桩基础周围局部冲刷情况是目前的重点研究方向，其中冲刷坑的深度与冲刷坑形态是评价局部冲刷情况最重要的两个指标。有许多学者通过研究各种条件下桩基础周围局部冲刷的情况，分析桩基础冲刷的影响因素，并且结合试验数据，推导冲刷坑深度的计算公式，为实际工程提供帮助。陈国平ADDINNE.Ref.{722ED311-850B-4F79-893F-41BD72D0C213}[1]、陈海鸥ADDINNE.Ref.{DB092A0C-686F-4539-9400-D50F2ECA3627}[2]、唐冬玥ADDINNE.Ref.{42BD6262-0CD9-4168-ABFA-A8A36F83621C}[3]均对自己试验的结果进行统计分析，总结了桩基础冲刷的影响因素，并分别提出了波流共同作用下海床上直立大直径圆柱建筑物周围的最大冲刷深度计算公式以及双向流下大直径单桩基础周围的局部冲刷深度公式。喻鹏ADDINNE.Ref.{1904EAC9-B57F-4671-B54B-90288B131690}[4]对比不同墩形、不同长宽比、不同水流偏角下桩基础的局部冲刷情况，展示了单桩基础冲刷坑形态的变化情况。研究表明，桩基础周围局部冲刷主要有三种影响因素。第一是桩基础本身，桩基础的形状、直径、长宽比都会影响其周围局部冲刷的情况。第二是泥沙条件，泥沙的种类、泥沙颗粒的大小是影响桩基础冲刷最主要的因素之一，不同的泥沙具有不同的起动速度，进而影响桩基础周围的冲刷方式，最终导致不同的冲刷坑形态。第三是水流条件，由于桩基础冲刷主要是由海底涌流作用和波浪作用造成的，因此水流边界条件主要由波浪单独作用、纯流单独作用、波流联合作用三种，另外在同种边界条件下，不同的流态参数也会影响桩基础冲刷，比如流速、水深、波高、周期等。下面从纯流作用、波浪作用、波流联合作用三种工况具体阐述桩基础冲刷机理的研究现状。1.2.1纯流作用下的桩基础冲刷机理在研究海底涌流对桩基础冲刷的影响时，我们一般会将流场简化，只研究平面均匀流场下极限平衡状态的冲刷。通过一系列的研究发现，远离圆柱处的流速不变，而靠近圆柱位置，流速开始有所变化，并且会产生一系列的副流，这部分局部副流的加强形成了冲刷坑。圆柱周围的水流结构主要包括柱前向下水流、柱前冲击波和圆柱周围水流场的尺度很大的旋涡体系。旋涡体系包括柱前冲刷坑边缘形成的绕圆柱内侧流向下游的马蹄形旋涡，它在柱前使向下流动的最大流速位置更靠近圆柱体；圆柱两侧由于流速梯度产生的边界分离，形成了立轴式的旋涡；向下游方向移动的尾流旋涡，不断地从圆柱两侧被释放出来，促进了冲刷过程的发展。此外，每个旋涡都会形成一个低压中心，牵动马蹄形旋涡区内的流体不断地进行横向、竖向和前后摆动，剧烈地淘刷圆柱迎水端和周围的泥沙，最终形成局部冲刷坑。图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s12桩柱周围水流结构关于桩柱在纯流作用下的最大冲坑深度估算公式，各国发表的公式有很多，近期的公式有西安公路交通大学周玉利通过回归方法得到的：(STYLEREF1\s1.SEQ公式\*ARABIC\s11)式中：为桩柱的局部最大冲刷坑深度(m)；为墩形系数，圆柱形单桩取1.0；为水流深度(m)；为计算墩宽(m)，圆柱形单桩一般取直径；为河床泥沙平均粒径(m)；为行进流速(m/s)。综合各学者的研究成果，影响纯流作用下桩柱局部冲刷深度的主要因素有以下几个因素：桩柱直径：其与最大冲刷坑深度近似成正比；泥沙粒径：随着泥沙粒径增大，使泥沙起动的水流速度不断增大，达到相同最大冲刷坑深度的流速也需增大；水深：当水深不大时，水深越大冲刷坑深度越大，当水深很大时，多数研究认为在行近流速与起动流速的比值为常值的情况下，当水深与圆柱直径的比值大于1~3时，水深的影响可以忽略不计。1.2.2波浪作用下的桩基础冲刷机理与纯流作用相比，波浪作用在以下两方面使桩柱周围的流态具有了自己的特点：波浪水流的瞬变性质抑制了边界层的发展，在波浪水流作用下，圆柱周围不可能有明显的马蹄形涡产生。波浪水流往复运动的特点，导致尾涡在桩柱的迎波侧和背波侧反复形成，使得初期冲刷位置增加。但随着非线性作用增强，迎波侧和背波侧的尾涡强度差别逐渐扩大，最终迎波侧无明显的尾涡产生，尾涡产生的形态接近纯流作用的情况。在波浪作用下，桩柱的局部冲刷与泥沙的起动有重要关系，泥沙在一定流速的水流作用下才能开始运动，该临界流速称为泥沙的起动流速。国内外有许多学者对泥沙起动进行研究，但泥沙起动的判断标准不同，各国对泥沙的起动流速的计算公式也有很大差异，陈国平等人结合不同学者做的二维波浪场泥沙起动试验，分析并采用以下公式计算泥沙起动流速：(STYLEREF1\s1.SEQ公式\*ARABIC\s12)式中：为泥沙起动流速(m/s)；为泥沙的密度(kg/m³)； 为水的密度(kg/m³)；为重力加速度，取9.8m/s²；为泥沙的中值粒径(m)；为波浪的周期(s)。波浪作用下的桩柱局部冲刷形态根据底部水质流速与泥沙起动流速之比和桩柱直径大小分为以下三种情况：，此时桩柱周围发生浑水冲刷，波浪底部水质流速较大，使得泥沙全面起动，形成沙纹。，并且桩径较大时，桩柱周围发生对称的角状分布冲刷，其冲刷位置主要集中在桩柱的斜前方和斜后方。，并且桩径较小时，桩柱周围发生环向冲刷，冲刷发生在桩柱的四周，呈倒圆锥状且与纯流作用下的冲刷形态相似，此时的冲刷主要是由马蹄形漩涡引起的。其中桩柱的直径大小一般是用无量纲参数K.C.数（）表示，有学者利用实验证明相对冲刷深度与K.C.数大致呈线性关系：(STYLEREF1\s1.SEQ公式\*ARABIC\s13)国外有学者经过实验得出小直径圆柱在非线性规则波作用下的最大冲刷深度的计算公式：(STYLEREF1\s1.SEQ公式\*ARABIC\s14)式中：为最大冲刷深度；m为由实验结果得出的经验系数，取0.03。上式应用的条件为，当时，桩柱周围不能形成明显的尾涡，因此不能造成明显的冲刷。另外当时，即为纯流情况，上式也能应用，即，该值与纯流作用下的最大冲刷坑深度计算公式的计算结果相符合。1.2.3波流联合作用下的桩基础冲刷机理在实际工程中，波和流总是共同存在，波流联合作用时，桩基础周围的冲刷情况也比纯流作用和波浪作用时复杂的多，因此不能认为两者共同作用的冲刷能力决等于两者单独冲刷能力的简单和，关于波流联合作用时桩基础的冲刷机理还有待研究。1.3桩基础冲刷研究方法目前研究桩基础局部冲刷的方法主要有两种：一种对研究目标建立比例模型，通过模型试验来进行研究；另一种是利用成熟的流体计算软件对研究目标进行数值模拟。在进行模型试验时，大多数学者都采用REF_Ref1185\h图STYLEREF1\s1.3所示的模型布置来对海上风电单桩基础的冲刷进行模拟。黄建维ADDINNE.Ref.{4C8446C1-AAC3-4275-825C-BFEFCDCAF3F1}[5]、陈海鸥ADDINNE.Ref.{794D728F-87E5-43B8-B711-9964999D9AD0}[2]、刘超ADDINNE.Ref.{8AD59079-FB38-443E-B156-35861E8904FD}[6]等人均采用了该模型布置来研究桩基础周围局部冲刷的情况，并取得了比较好的成果。不少学者设置了许多对照组，来研究桩基础冲刷的影响因素。陈海鸥ADDINNE.Ref.{AC51840E-8924-4320-83D6-B3182A80D8B5}[2]设置了不同桩柱直径、不同水深、不同波高、不同流速、不同冲刷时间的对照组，来研究大直径圆柱形建筑物周围冲刷情况的影响因素；陈国平ADDINNE.Ref.{9B196345-64EA-4688-8569-737BEC17C283}[1]进行了不同桩柱直径、不同泥沙条件、不同波浪条件下的对照试验；刘超ADDINNE.Ref.{EF8C4F05-68DD-423B-AD33-D0F0AFD73B7F}[6]设计了7种桩柱直径和4种流速条件下的对照试验；祁一鸣ADDINNE.Ref.{E26D0701-C9BB-462D-9E6E-1E5FF13F01A4}[7]改变了试验中水流流场的情况，分析了不同条件下的桩柱冲刷情况。图STYLEREF1\s1.SEQ图\*ARABIC\s13桩基础冲刷模型试验布置图相对于传统模型试验方法，数值模拟方法具有工作效率高、操作方便等优点，并且随着计算机技术的不断发展，计算速度不断提高，数值模拟方法被更多人所接受，有不少学者用数值模拟方法对桩基础的冲刷进行研究，取得的不错的成绩。赵雁飞ADDINNE.Ref.{638AFE38-9A66-477E-A390-38C3BD7C4872}[8]使用Flow3D中的RNG湍流模型和冲刷沉积模型分别对波浪作用和纯流作用下的单桩基础和筒型基础进行数值模拟，对比分析桩基础周围冲刷情况，取得了比较好的效果。喻鹏ADDINNE.Ref.{E182C400-8034-48DA-BD4A-D5C235097479}[4]采用标准湍流模型和泥沙塌陷模型对圆柱单桩桥墩进行CFD模拟，之后他也对双圆柱桥墩、群桩桥墩的局部冲刷情况进行数值模拟。唐巾评ADDINNE.Ref.{930AEEDA-CFDE-4E0E-9EFF-CED73E03A691}[9]考虑了水流单独作用和波流共同作用两种边界条件，利用Delft3D对上海某海上风电场进行数值模拟，分别分析了大潮、中潮、小潮作用下桩基础的局部冲刷情况。唐冬玥ADDINNE.Ref.{DE10D078-06C5-4932-9C18-03AE96B2C359}[3]则针对江苏龙源蒋家沙风电场中风电塔，对双向流作用下桩基础的冲刷情况进行数值模拟，为实际工程施工提供了帮助。1.4桩基础冲刷防护桩基础局部冲刷对结构的影响十分巨大，工程上常常采用一定的方法对基础进行防护，减少冲刷对结构造成的影响。工程上常常采用的防护措施有抛石防护、土工布压实、仿生水草治理、预留冲刷长度等ADDINNE.Ref.{E5235450-85AF-4C46-B8F9-F273D46E7622}[10]。抛石防护因其取材方便、施工简单、施工时间短等优点，成为目前最广泛应用的冲刷防护措施。但抛石防护的施工精度不高、防护效果一般，因此有许多学者进行研究，诞生出许多新的防护方法。陈述ADDINNE.Ref.{577EC5B0-F0A2-4854-9548-A892AFDF836F}[11]在东海大桥桥墩基础冲刷防护方案的研究中，采用复合材料勾连体防护，达到了更好的防护效果。宋晓伟ADDINNE.Ref.{98B48A41-D495-45D7-893B-8ADBA835446F}[12]用数值模拟的方式研究四面六边透水框架对桥墩冲刷的防护效果，证明了该方法对包西铁路大桥具有较好的防护效果。随着科技的发展，深水固化土技术逐渐成熟，它是通过固化剂与淤泥中水分接触，产生一系列的水化、水解反应，生成胶凝物质，这些胶凝物质通过凝结、包裹淤泥中的细小颗粒，使之团粒化，形成一个由水化胶凝物为主的骨架结构，这个骨架结构相比淤泥具有更高的强度，能更好的抵御海水的冲刷。和庆东ADDINNE.Ref.{F3ADE0E7-CEA4-4E80-91ED-B02D233159DB}[10]将深水固化土技术应用在某海上风机桩基础冲刷防护上，通过对桩基础周围海域进行检测，证明其在海上风机桩基础冲刷防护具有较好的效果，并展现了其结构整体性好、与桩基贴合性好、水稳定性及耐久性好等许多优点。参考文献ADDINNE.Bib[1] 陈国平,左其华,黄