專利名稱：：淤泥質(zhì)海岸近海風(fēng)電塔基局部沖刷預(yù)報方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種淤泥質(zhì)海岸近海風(fēng)電塔基局部沖刷預(yù)報方法。
背景技術(shù)：
：對于近海風(fēng)電場，由于波浪和潮流的共同作用，在風(fēng)電塔基周圍將產(chǎn)生局部沖刷，可能影響到風(fēng)電塔基的穩(wěn)定性。研究分析波流共同作用下風(fēng)電塔基的局部沖刷問題，對于近海風(fēng)電場風(fēng)機塔基的基礎(chǔ)設(shè)計，具有重要的理論和實踐意義。目前，我國海上風(fēng)電剛起步，國內(nèi)還沒有計算海上樁基沖刷這方面的公式，而風(fēng)電塔基沖刷深度對風(fēng)電塔基的設(shè)計起到至關(guān)重要的作用，而沖刷深度需要從技術(shù)、經(jīng)濟、安全等方面綜合考慮，沖刷深度設(shè)計小了，影響風(fēng)機塔基的穩(wěn)定，沖刷深度大了，工程量加大，投資增多。因此，合理確定風(fēng)機塔基的沖刷深度不僅具有理論意義，而且也具有重要的經(jīng)濟意義。目前對于樁基局部沖刷的研究主要通過現(xiàn)場觀測和模型試驗來進行，且以后者為主。波流共同作用下建筑物周圍基底產(chǎn)生局部沖刷其實是水動力條件和地質(zhì)特性類型相互作用的結(jié)果。建筑物對于波流的反作用使建筑物附近的局部地區(qū)水流得到加強或是產(chǎn)生漩渦，這種局部強化或出現(xiàn)漩渦的水流改變了圓柱周圍的底切應(yīng)力場和流場，使原本靜止的泥沙起動并輸移(波浪掀沙，潮流輸沙)，即產(chǎn)生了局部沖刷，形成了沖刷坑。在波浪和水流的作用下，一般應(yīng)根據(jù)圓柱直徑D與波長L比值的大小來分別加以討論。當(dāng)D/L<0.1-0.15時為小直徑情況，圓柱對波浪場幾乎沒有影響，造成局部沖刷的原因是波浪水流經(jīng)過圓柱時出現(xiàn)的漩渦。當(dāng)D/L>0.1-0.15時，為大直徑情況，這時波浪會發(fā)生折射和繞射，造成局部沖刷的原因是各種合成波的水質(zhì)點運動引起的底切力。海上風(fēng)力發(fā)電機組的基礎(chǔ)當(dāng)屬于小直徑一類，造成局部沖刷的原因是圓柱周圍出現(xiàn)的漩渦。由于沖刷坑的深度對建筑物的穩(wěn)定性影響最大，因而是局部沖刷問題的關(guān)鍵從前面的闡述中可以看出，小直徑圓柱的局部沖刷研究已經(jīng)取得的了許多成果，但是由于樁柱局部沖刷涉及水、沙、樁徑等多種因素，問題極其復(fù)雜，現(xiàn)在的研究成果還是存在一定的問題首先，河流上的樁柱局部沖刷研究成果較多，而由于海洋里潮流、波浪等的作用要比河道中水流作用復(fù)雜的多，因此海洋里的樁柱局部沖刷研究成果較少；其次，大多數(shù)的模型研究只考慮粗砂的情況，由于對淤泥質(zhì)粉砂海岸樁柱局部沖刷研究較少，沒有一個完全適合此類海岸的樁柱局部沖刷計算模式。第三，許多研究只考慮了潮流對樁柱局部沖刷深度的影響，公式中往往沒有將波浪作用加以體現(xiàn)，忽略了波浪的作用，而又沒有對公式進行這一方面的修正，因此使得公式的計算結(jié)果與實際情況有較大的差距。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是預(yù)報淤泥質(zhì)海岸近海風(fēng)電場風(fēng)電塔基的最大局部沖刷深度，以期尋求在此類海岸具有較強適應(yīng)性的計算模式。本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明淤泥質(zhì)海岸近海風(fēng)電塔基局部沖刷預(yù)報方法，包括如下步驟(1)建立數(shù)學(xué)模型分別建立工程海域的二維潮流數(shù)學(xué)模型及二維波浪數(shù)學(xué)模型，并以二維潮流數(shù)學(xué)模型及二維波浪數(shù)學(xué)模型來分析工程海域的水動力條件，為確定風(fēng)電塔基局部沖刷的最大深度提供海洋動力參數(shù)；(2)確定基本公式Jones禾口Skppard公式ΓDs,Fffl(I)-^(I)7=C1(~ΙΓΤΓλ)+c2⑴dpvcr{\)C1=(C3-C2)(^-I)"1(2)C2=2.4tanh2.18(—(3).dP_Γ"Ir-i-lrιΓ)2/dd^3=tanh2.18(—)/3-0.279+0.049exp(lg^)+OJSOg^)"1(4)dp__d50一韓海騫公式Ds=8.326Vd(I)0'628D0'193d500·167(5)波浪水質(zhì)點的平均流速公式J^(2)=0.2^C(6)C=^thkD(7)2πO77-k=—(8)L波流混合流速公式Vi(3)=Vi(I)+Vi(2)(9)考慮波浪作用后的Jones和Sh印pard公式DsF(3)-F,(3)-=^iL---J+c2、丄⑴C1=(C3-C2)(^-I)"1(11)η2/C2=2.4tanh2.18(—/3(3)d_P-Γ"Ir-ι-lη2/ddC3=tanh2.18(—)/3-0.279+0.049exp(lg-^)+OJSag-^)"1(4)dp__"50"50_考慮波浪作用后的韓海騫公式Ds=8.ASk1Ic2Ba326Vd⑶tl628Dtll93CC167(U)以上各符號所代表的含義為Ds為樁基極限沖刷深度；dp為樁徑；D為最大水深Ji(I)為純潮流下的流速；Vi(2)為波浪水質(zhì)點的平均流速Wi(3)為波流混合流速；Vd(j)為底部最大平均流速；V(j)為泥沙臨界起動流速；Vm(j)為垂線平均流速；d5(l為泥沙顆粒中值粒徑；ki為基礎(chǔ)樁平面布置系數(shù)，條形取1.0，梅花形取0.862;k2為基礎(chǔ)樁垂直布置系數(shù)，直樁取1.0，斜樁取1.176；B為最大水深條件下平均阻水寬度；H為波高；C為波速；k為波數(shù)；L為波長；(3)公式修正根據(jù)《海港水文規(guī)范》(JTJ213-98)中波浪水質(zhì)點的平均流速公式，來求得波浪作用下水質(zhì)點的平均流速，然后將其與純潮流下的流速進行疊加，得到波流混合流速，并用此波流混合流速來代替步驟(2)中純潮流下的流速Vi(I),得到合適的計算模式；(4)分析計算選取步驟(3)所述的合適的計算模式，預(yù)報淤泥質(zhì)海岸近海風(fēng)電場風(fēng)電塔基局部沖刷的最大深度。本發(fā)明能夠預(yù)報淤泥質(zhì)海岸近海風(fēng)電場風(fēng)電塔基的最大局部沖刷深度。其具有以下幾個優(yōu)點(1)由于樁柱的局部沖刷深度與底沙粒徑有著密切的關(guān)系，許多公式均是建立在粗砂的基礎(chǔ)上，對淤泥質(zhì)粉砂海岸并不適用。本發(fā)明選取了適用于底沙為細沙顆粒的Jones和Sheppard公式及韓海騫公式作為估算淤泥質(zhì)海岸近海風(fēng)電場風(fēng)電塔基局部沖刷深度的基本公式。(2)本發(fā)明利用規(guī)范中介紹的公式將波浪作用下產(chǎn)生的水質(zhì)點的流速與純潮流下水質(zhì)點的流速進行疊加，得到波流混合流速，并用此波流混合流速來代替原基本公式中的純潮流下的流速。得到的局部沖刷深度與實際偏差較小，更為合理。(3)本發(fā)明建立的二維潮流數(shù)學(xué)模型和二維波浪數(shù)學(xué)模型范圍覆蓋了整個工程海域，且模型經(jīng)過實測資料驗證，計算結(jié)果合理可信，能較好的反映原體潮流及波浪的運動規(guī)律，可以為風(fēng)電塔基的局部沖刷深度計算提供可靠的海洋動力參數(shù)。圖1工程海域的二維潮流數(shù)學(xué)模型；圖2二維波浪數(shù)學(xué)模型；圖3-1響水氣象站累年平均風(fēng)速年變化直方圖1980-2005年；圖3-2響水氣象站歷年年平均風(fēng)速年際變化直方圖；圖3-3響水近海風(fēng)電場一期示范工程初步布置圖。具體實施例方式下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明自然狀況響水近海風(fēng)電場一期示范工程位置在東經(jīng)121°29'，北緯30°20'，位于灌河口以南，中山河口以北海域，與在建的總裝機容量為201麗的響水風(fēng)電場隔岸相望。響水氣象站現(xiàn)址位于響水縣外向型農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)區(qū)響水港社區(qū)3組的農(nóng)村，北緯34°12'，東經(jīng)119°34'，觀測場海拔高度3.7m，位于風(fēng)電場場址西南方約30km處。氣象站設(shè)立于1965年5月，1999年搬遷至現(xiàn)址。2003年之前，氣象站測風(fēng)儀器采用EL型電接風(fēng)向風(fēng)速儀，2003年2004年采用EL型電接風(fēng)向風(fēng)速儀和EC9-1高動態(tài)性能測風(fēng)儀并軌運行，2005年起完全采用EC9-1高動態(tài)性能測風(fēng)儀觀測。氣象站基本情況見表2-1表2-1響水氣象站基本情況一覽表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表2-2響水氣象觀測站歷年逐月平均風(fēng)速統(tǒng)計成果表(m/s)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>響水氣象站1966年2005年多年平均風(fēng)速為2.9m/s,從響水氣象站歷年風(fēng)速變化情況看，I960年代設(shè)站后風(fēng)速變化較平穩(wěn)，1970年代開始有所下降，1980、1990年代明顯下降，直到1999年遷址后風(fēng)速才有所回復(fù)。從風(fēng)速年內(nèi)變化直方圖可以看出，春季風(fēng)速較大，4月為大風(fēng)月，秋季風(fēng)速較小，810月為小風(fēng)月。響水氣象觀測站歷年逐月平均風(fēng)速統(tǒng)計成果見表2-2。累年平均風(fēng)速年變化直方圖見圖3-1，歷年平均風(fēng)速年際變化直方圖見圖3-2。響水海上測風(fēng)塔正在籌建之中，目前沒有現(xiàn)場實測資料，借鑒江蘇省海岸線走勢相似地區(qū)海上測風(fēng)成果分析，離岸5km，70m高度風(fēng)資源較海岸高0.3m/s,60m高度風(fēng)資源較海岸高約0.4m/s?？傮w分析，海上下墊面粗糙度很小，因此風(fēng)速隨高度變化很小，風(fēng)切變指數(shù)小于0.1，則響水地區(qū)海上5km左右，80m和65m高度風(fēng)速約為7.lm/s和7.Om/s，詳見表2-3。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2-4響水氣象觀測站主要氣象要素特征值<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>注統(tǒng)計年份19662005年江蘇北部沿海海區(qū)受南黃海旋轉(zhuǎn)性駐波系統(tǒng)的控制，屬非規(guī)則半日潮型。在響水附近海域的某測點(北緯34°45'東經(jīng)119°25')，收集了2007年5月1日5月31日潮汐資料，見表2-5。由表2-5可知，該測點2007年5月最高潮高537cm，最低潮高21cm，最大潮差516cm。表2-52007年5月北緯34°45'東經(jīng)119°25'潮汐資料表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>注1·潮高基準面在平均海平面下290cm;2.潮時中前兩位代表時，后兩位代表分，如0046表示0時46分。雖然上表測點不在響水近海風(fēng)電場建設(shè)區(qū)域內(nèi)(位于響水近海風(fēng)電場的西北部約60km內(nèi))，測點所在區(qū)域水深較深，約為1520m，但是該測點的數(shù)據(jù)具有一定的代表性。響水近海風(fēng)電場海區(qū)為江蘇沿海潮流強度較弱區(qū)域，平均大潮流速約為0.64m/s,主流方向為NNW-SSE，最大漲潮流可達1.3m/s，最大落潮流可達1.4m/s。該海區(qū)高潮前Ih或高潮時開始轉(zhuǎn)為落潮流，高潮后2h3h落潮流場最強，高潮后5h6h又轉(zhuǎn)為漲潮流。響水沿岸缺少長期的波浪觀測資料，考慮到其距連云港海洋站較近，所以，連云港海洋站的長期實測資料具有一定的參考價值。連云港波浪觀測站位于東西連島西北側(cè)，測波浮筒的水深為理論深度基準面-5.6m,根據(jù)附近海底地形，該站觀測結(jié)果可代表5m水深處的波要素。該站觀測結(jié)果表明，波浪以風(fēng)浪為主，涌浪為輔，其出現(xiàn)頻率分別為63%、28%，常浪向為NE、NNE向，強浪向為NE、N和NNE向，多年平均波高(Hl7ici)為0.6m,實測最大波高為5.0m，各級波高多年出現(xiàn)頻率為=Hvitl彡2.Om頻率為2.06%，Hl7l0彡3.5m頻率為0.009%，平均周期為3s，實測最大周期為8.3s。根據(jù)響水近海海岸的自然背景和擬建海上風(fēng)電場的位置，布置了兩個近?？碧娇?，分別位于東經(jīng)119°53'03.8"、北緯34°33'37.1〃(1#勘探孔)和東經(jīng)120°07'11.5〃(2#勘探孔)。根據(jù)鉆孔揭露，地層分布如下，詳見表2-6和表2-7:(1)1#勘探孔①層淤泥質(zhì)粘土灰色，流塑，夾粉土薄層，頂層0.8m粉砂，層底深度17.60m,厚17.60m。②層粉砂灰色，中密，分選較好，底部含少量礫石，直徑0.5-1.Ocm，亞圓形為主，層底深度21.50m，厚3.90m。③層粉砂灰色，密實，分選較好，23.0-23.5m夾較多粉質(zhì)粘土薄層。未揭穿，厚度大于8.60m。表2-61#勘探孔抗壓極限側(cè)阻力標準值qsik和極限端阻力標準值qpk層號123巖土名稱淤泥質(zhì)粘土粉砂粉砂抗壓極限側(cè)阻力標準值qsik205576極限端阻力標準值qpk3500(2)2#勘探孔①層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土灰色，流塑，夾粉土薄層，頂部0.3m為粉砂。層底深度12.20m，厚度12.20m。②層粉砂灰色，中密-密實，分選一般，夾細砂，含少量貝殼碎片，土層頂部及底部混粘性土，底部少量礫石，直徑l_2cm，亞圓形為主，層底深度28.00m，厚度15.80cm。③層淤泥質(zhì)粘土灰色，流塑，含貝殼碎片，底部夾粉土，層底深度31.80，厚度3.80m。④層粉砂灰色，中密-密實，含沙量貝殼碎片，底部局部夾亞粘土，未揭穿，厚度大于6.35m。表2-72#勘孔探抗壓極限側(cè)阻力標準值qsik和極限端阻力標準值qpk<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>據(jù)江蘇省地震局1994年資料，江蘇沿海區(qū)域位于華北地震區(qū)的長江中下游至南黃海地震帶內(nèi)，該帶是一個強震活動帶。但該地震帶的地震活動的空間分布是不均勻的。地震活動具有中等水平。根據(jù)國家地震局《中國地震動反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》(1400萬)和《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(1400萬)，該區(qū)域未來50年超越概率10%的地震動峰值加速度在0.05-0.Ig范圍之間，相當(dāng)于地震基本烈度VIVII度，地震反應(yīng)譜特征周期在0.450.55s范圍之間。地震地質(zhì)環(huán)境總體有利于建設(shè)大型風(fēng)電場?？傮w來說，首先響水近海地區(qū)的地質(zhì)條件良好，區(qū)域地質(zhì)相對穩(wěn)定，有利于大型風(fēng)電場的建設(shè)。其次，風(fēng)電場風(fēng)機為高聳建筑物，天然地基不能滿足建筑物抗壓、抗拔和抗傾覆等要求，不宜采用天然地基，可采用樁基。工程方案風(fēng)機布置原則為(1)首先應(yīng)充分考慮可使用海域周邊環(huán)境限制條件，再考慮場址內(nèi)盛行風(fēng)向、風(fēng)速等風(fēng)況條件。(2)布置時，既要盡量避免風(fēng)電機組之間的尾流影響，又要充分減小分機之間的海纜長度，以降低配套工程投資。(3)對不同的布置方案，要按整個風(fēng)電場發(fā)電量最大，兼顧各單機發(fā)電量的原則進行優(yōu)化選擇。(4)為了便于施工、運行維護和降低工程投資，同一風(fēng)電場內(nèi)的同期工程，盡量選用單機容量與型號相同的風(fēng)電機組。參考響水陸上風(fēng)電場相關(guān)測風(fēng)資料，區(qū)域內(nèi)風(fēng)能分布較為分散，N、NNE、NE、ENE、E、ESE、及SW等風(fēng)向均有較大比例分布，因此，風(fēng)機布置時要求風(fēng)機間距較大，根據(jù)海岸線走向，初步考慮將風(fēng)電場11臺機組垂直海岸線方向雙排布置，一排布置6臺機組，另一排布置5臺機組，風(fēng)機排內(nèi)間距取700m，排間距取700m。風(fēng)機布置見圖2_3風(fēng)機基礎(chǔ)形式選擇基于國外海上風(fēng)電的建設(shè)經(jīng)驗，國外海上風(fēng)電的風(fēng)機基礎(chǔ)一般以單樁為主，在水深和地質(zhì)條件較好的海上風(fēng)電場也有少量采用重力式基礎(chǔ)的，吸力式基礎(chǔ)尚處于試驗階段。目前在研究中的可用于海上風(fēng)機的基礎(chǔ)形式主要有單樁基礎(chǔ)、多樁基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、吸力式基礎(chǔ)、沉箱式基礎(chǔ)等類型。結(jié)合本工程的實際情況，國內(nèi)施工技術(shù)水平，本工程重點考察樁基礎(chǔ)(包括單樁基礎(chǔ)和多樁基礎(chǔ))、吸力式基礎(chǔ)。(1)樁基礎(chǔ)單樁基礎(chǔ)目前在已建成的海上風(fēng)電場中得到廣泛應(yīng)用，單樁基礎(chǔ)特別適用于淺水及中等水深水域。單樁基礎(chǔ)的優(yōu)點是施工簡便、快捷，基礎(chǔ)費用較小，并且基礎(chǔ)的適應(yīng)性強。在許多建成的風(fēng)電場中均采用此種基礎(chǔ)形式。多樁基礎(chǔ)與單樁基礎(chǔ)相似，采用3根以上的鋼管樁，鋼管樁頂部采用鋼桁架與基礎(chǔ)段相連，基礎(chǔ)段頂部設(shè)法蘭與塔筒相連。多樁基礎(chǔ)在國外已有少量的應(yīng)用，主要用于單機容量較大、水深較深的風(fēng)電場。本工程水深約5m，海底土質(zhì)以淤泥質(zhì)粘土、粉砂為主，表層土為流塑或軟塑、高壓縮性土，承載能力低，變形大，無天然地基條件，需采用樁基礎(chǔ)。(2)吸力式基礎(chǔ)吸力式基礎(chǔ)是靠水壓力使基礎(chǔ)穩(wěn)定，這種基礎(chǔ)支腳上帶有吸盤，吸盤與其下面的地面止水后抽水和抽氣，吸盤上面就產(chǎn)生一向下的水壓力的大氣壓，此壓力用以平穩(wěn)風(fēng)荷載、浪荷載等水平荷載。這種基礎(chǔ)由于省卻了樁基，也不用笨重的重力墩，所以基礎(chǔ)投資較省，但這種基礎(chǔ)對止水、密封等技術(shù)要求較高，目前除在丹麥的Frederikshaven風(fēng)電場用于試驗外，還沒有大規(guī)模用于實際工程。由于本工程吸力式基礎(chǔ)時吸盤底部止水、密封困難，并且這種基礎(chǔ)尚處于試驗階段，技術(shù)不成熟，故本工程不采用吸力式基礎(chǔ)。根據(jù)設(shè)計，響水海上風(fēng)電試驗工程風(fēng)機基礎(chǔ)形式擬采用樁基。樁型選擇根據(jù)目前樁基設(shè)計，施工水平和施工經(jīng)驗，海港工程樁基一般采用鋼管樁、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和灌注樁三類。鋼管樁在海港工程領(lǐng)域已廣泛使用，國內(nèi)跨海大橋主要樁型即為鋼管樁，國內(nèi)港航施工單位已有較多數(shù)量的大型打樁船，鋼管樁施工設(shè)備和施工技術(shù)已較為成熟。對于本工程3MW的風(fēng)機基礎(chǔ)，擬采用3根2.5m直徑的鋼管樁；預(yù)應(yīng)力混凝土管樁在海港工程中也得到了大量的應(yīng)用，對于本工程3MW的風(fēng)機基礎(chǔ)，若采用預(yù)應(yīng)力管樁方案，需采用高強預(yù)應(yīng)力混凝土管樁10根，管樁露出水面后采用混凝土承臺與基礎(chǔ)段相連；灌注樁在海港工程中也有應(yīng)用，鉆孔灌注樁的樁徑主要受鉆孔機具的限制，一般目前最大直徑不超過3.5m，根據(jù)本工程的地質(zhì)條件，擬采用4根直徑2.2m灌注樁，樁露出水面后采用混凝土承臺與基礎(chǔ)段相連接。從施工角度考慮，鋼管樁方案施工簡便，速度快，施工質(zhì)量有保證，費用少，為最優(yōu)方案。預(yù)應(yīng)力管樁方案采用打樁船打樁，現(xiàn)澆混凝土承臺，施工較復(fù)雜，此方案次于鋼管樁方案。灌注樁方案需搭建海上施工平臺，現(xiàn)澆混凝土，所用設(shè)備較多，工序復(fù)雜，費用較多，此方案最差。從結(jié)構(gòu)安全角度和防腐角度考慮，三者區(qū)別不大。從結(jié)構(gòu)疲勞角度考慮，鋼管樁最優(yōu)，預(yù)應(yīng)力管樁最差。所以本工程樁型選擇鋼管樁。樁數(shù)選擇鋼管樁方案根據(jù)樁數(shù)多少，可分為單樁、三樁、群樁方案。單樁基礎(chǔ)目前國外海上風(fēng)電場中已得到廣泛應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)相對簡單，主要由一根鋼管樁及連接段組成，在已建成的海上風(fēng)電場中單樁基礎(chǔ)形式約占85%以上，本工程3MW風(fēng)機基礎(chǔ)單樁方案樁徑4.8m；三根鋼管樁基礎(chǔ)即三腳架組合形式基礎(chǔ)，該基礎(chǔ)主要在海上石油平臺、海上燈塔建設(shè)中得到廣泛的運用，用3根中等直徑的鋼管樁定位于海底，3根樁呈等邊三角形均勻布設(shè)，樁頂通過鋼套管支撐上部三腳桁架結(jié)構(gòu)，構(gòu)成組合式基礎(chǔ)，本工程三樁方案樁徑2.5m；群樁式高樁承臺為海岸碼頭和橋墩基礎(chǔ)的常見結(jié)構(gòu)，有基樁和承臺組成，承臺為現(xiàn)澆混凝土，本工程群樁方案采用8樁布置，樁徑為1.5m。綜上所述，在樁數(shù)選擇上可以分為三個方案，由此產(chǎn)生了三種不同樁徑的鋼管樁分別為(3)方案一單樁方案，樁徑為4.8m；(4)方案二三樁方案，樁徑為2.5m；(5)方案三群樁方案，樁徑為1.5m；由于，樁徑的大小對樁基周圍的局部沖刷深度有著較大的影響，因此，需要對三種方案分別進行局部沖刷深度的計算以選擇最為合適的工程方案。下面針對響水近海風(fēng)電場風(fēng)電機組的運行、維護的技術(shù)開發(fā)給出本發(fā)明提出的淤泥質(zhì)海岸近海風(fēng)電場風(fēng)電塔基局部沖刷計算方法的實施方案(1)建立數(shù)學(xué)模型。響水縣位于江蘇省鹽城、淮陰、連云港三市交匯處，東臨黃海，全縣總面積1378km2。本次響水近海風(fēng)電場選擇在以響水陸上風(fēng)電場變電站為中心的外側(cè)6km左右的近海區(qū)域，區(qū)域水深在5m左右。根據(jù)響水近海風(fēng)電場的位置，分別建立工程海域的二維潮流數(shù)學(xué)模型(見圖1)及二維波浪數(shù)學(xué)模型(見圖2)，并以此來分析工程海域的水動力條件，為確定風(fēng)電塔基局部沖刷的最大深度提供可靠的海洋動力參數(shù)；由圖1及圖2可見本發(fā)明建立的二維潮流數(shù)學(xué)模型和二維波浪數(shù)學(xué)模型范圍覆蓋了整個工程海域，且模型經(jīng)過實測資料驗證，計算結(jié)果合理可信，能較好的反映原體潮流及波浪的運動規(guī)律，可以為風(fēng)電塔基的局部沖刷深度計算提供可靠的海洋動力參數(shù)。(2)確定基本公式。由于響水附近海域地質(zhì)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉砂。本發(fā)明選取了適用于底沙為細沙顆粒的Jones和Sheppard公式及韓海騫公式作為估算淤泥質(zhì)海岸近海風(fēng)電場風(fēng)電塔基局部沖刷深度的基本公式。(3)公式修正。由于Jones和Sheppard公式以及韓海騫公式只考慮了潮流的影響，忽略了波浪作用，而響水縣附近海域所處區(qū)域還是有較強的波浪作用，因此波浪作用必須加以考慮。為了使波浪的作用在公式中得以反應(yīng)，本發(fā)明根據(jù)《海港水文規(guī)范》(JTJ213-98)中波浪水質(zhì)點的平均流速公式，來求得波浪作用下水質(zhì)點的平均流速，然后將其與純潮流下的流速進行疊加，得到更為合理的波流混合流速，并用此波流混合流速來代替原基本公式中的純潮流下的流速，最后得到合適的計算模式，見公式(10)及公式(12)。(4)分析計算。根據(jù)(1)中的數(shù)學(xué)模型得出響水近海風(fēng)電場工程海域的潮流場和波浪場，帶入公式(10)及(12)，并將兩個結(jié)果分別與已知的實測數(shù)據(jù)驗證，選取計算結(jié)果誤差最小的公式。本次得出公式(12)的計算結(jié)果與實際誤差最小。因此運用考慮波浪作用后的韓海騫公式對響水近海風(fēng)電場風(fēng)電塔基局部沖刷深度進行計算。針對樁徑2.5m的方案來說，當(dāng)?shù)咨持兄盗綇?.05mm變化至0.Ilmm時，運用公式(12)計算所得的局部沖刷深度為5.24m至5.97m。權(quán)利要求一種淤泥質(zhì)海岸近海風(fēng)電塔基局部沖刷預(yù)報方法，其特征在于包括如下步驟(1)建立數(shù)學(xué)模型分別建立工程海域的二維潮流數(shù)學(xué)模型及二維波浪數(shù)學(xué)模型，并以二維潮流數(shù)學(xué)模型及二維波浪數(shù)學(xué)模型來分析工程海域的水動力條件，為確定風(fēng)電塔基局部沖刷的最大深度提供海洋動力參數(shù)；(2)確定基本公式Jones和Sheppard公式<mrow><mfrac><msub><mi>D</mi><mi>s</mi></msub><msub><mi>d</mi><mi>p</mi></msub></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>V</mi><mi>d</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mi>cr</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>c</mi><mn>3</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow><msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mi>cr</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>2.4</mn><mi>tanh</mi><mo>[</mo><mn>2.18</mn><msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><mi>D</mi><msub><mi>d</mi><mi>p</mi></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow></msup><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mi>tanh</mi><mo>[</mo><mn>2.18</mn><msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><mi>D</mi><msub><mi>d</mi><mi>p</mi></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow></msup><mo>]</mo><msup><mrow><mo>[</mo><mo>-</mo><mn>0.279</mn><mo>+</mo><mn>0.049</mn><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mi>lg</mi><mfrac><msub><mi>d</mi><mi>p</mi></msub><msub><mi>d</mi><mn>50</mn></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>0.78</mn><msup><mrow><mo>(</mo><mi>lg</mi><mfrac><msub><mi>d</mi><mi>p</mi></msub><msub><mi>d</mi><mn>50</mn></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>]</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>韓海騫公式Ds＝8.48k1k2B0.326Vd(1)0.628D0.193d500.167(5)波浪水質(zhì)點的平均流速公式<mrow><msub><mi>V</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mn>0.2</mn><mfrac><mi>H</mi><mi>D</mi></mfrac><mi>C</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>gT</mi><mrow><mn>2</mn><mi>&pi;</mi></mrow></mfrac><mi>thkD</mi><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>&pi;</mi></mrow><mi>L</mi></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>8</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>波流混合流速公式Vi(3)＝Vi(1)+Vi(2)(9)考慮波浪作用后的Jones和Sheppard公式<mrow><mfrac><msub><mi>D</mi><mi>s</mi></msub><msub><mi>d</mi><mi>p</mi></msub></mfrac><mo>=</mo><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><msub><mi>V</mi><mi>d</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><msub><mi>V</mi><mrow><mi>cr</mi><mn>3</mn></mrow></msub></mfrac><mo>]</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>10</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><msub><mi>c</mi><mn>3</mn></msub><mo>-</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><mo>)</mo></mrow><msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>V</mi><mi>cr</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>11</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>2.4</mn><mi>tanh</mi><mo>[</mo><mn>2.18</mn><msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><mi>D</mi><msub><mi>d</mi><mi>p</mi></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow></msup><mo>]</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mi>c</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mi>tanh</mi><mo>[</mo><mn>2.18</mn><msup><mrow><mo>(</mo><mfrac><mi>D</mi><msub><mi>d</mi><mi>p</mi></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mrow><mn>2</mn><mo>/</mo><mn>3</mn></mrow></msup><mo>]</mo><msup><mrow><mo>[</mo><mo>-</mo><mn>0.279</mn><mo>+</mo><mn>0.049</mn><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mi>lg</mi><mfrac><msub><mi>d</mi><mi>p</mi></msub><msub><mi>d</mi><mn>50</mn></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mn>0.78</mn><msup><mrow><mo>(</mo><mi>lg</mi><mfrac><msub><mi>d</mi><mi>p</mi></msub><msub><mi>d</mi><mn>50</mn></msub></mfrac><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>]</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>考慮波浪作用后的韓海騫公式Ds＝8.48k1k2B0.326Vd(3)0.628D0.193d500.167(12)以上各符號所代表的含義為Ds為樁基極限沖刷深度；dp為樁徑；D為最大水深；Vi(1)為純潮流下的流速；Vi(2)為波浪水質(zhì)點的平均流速；Vi(3)為波流混合流速；Vd(j)為底部最大平均流速；Vcr(j)為泥沙臨界起動流速；Vm(j)為垂線平均流速；d50為泥沙顆粒中值粒徑；k1為基礎(chǔ)樁平面布置系數(shù)，條形取1.0，梅花形取0.862；k2為基礎(chǔ)樁垂直布置系數(shù)，直樁取1.0，斜樁取1.176；B為最大水深條件下平均阻水寬度；H為波高；C為波速；k為波數(shù)；L為波長；(3)公式修正根據(jù)《海港水文規(guī)范》(JTJ213-98)中波浪水質(zhì)點的平均流速公式，來求得波浪作用下水質(zhì)點的平均流速，然后將其與純潮流下的流速進行疊加，得到波流混合流速，并用此波流混合流速來代替步驟(2)中純潮流下的流速Vi(1)，得到合適的計算模式；(4)分析計算選取步驟(3)所述的合適的計算模式，預(yù)報淤泥質(zhì)海岸近海風(fēng)電場風(fēng)電塔基局部沖刷的最大深度。全文摘要本發(fā)明公布了一種淤泥質(zhì)海岸近海風(fēng)電塔基局部沖刷預(yù)報方法，分別建立工程海域的二維潮流數(shù)學(xué)模型及二維波浪數(shù)學(xué)模型，并以二維潮流數(shù)學(xué)模型及二維波浪數(shù)學(xué)模型來分析工程海域的水動力條件，為確定風(fēng)電塔基局部沖刷的最大深度提供海洋動力參數(shù)；選取了適用于底沙為細沙顆粒的Jones和Sheppard公式及韓海騫公式作為估算淤泥質(zhì)海岸近海風(fēng)電場風(fēng)電塔基局部沖刷深度的基本公式；采用修正后的公式預(yù)報淤泥質(zhì)海岸近海風(fēng)電場風(fēng)電塔基局部沖刷的最大深度。本發(fā)明能較好的反映原體潮流及波浪的運動規(guī)律，可以為風(fēng)電塔基的局部沖刷深度計算提供可靠的海洋動力參數(shù)，其計算結(jié)果合理可信。文檔編號E02D27/42GK101798821SQ20101011879公開日2010年8月11日申請日期2010年3月5日優(yōu)先權(quán)日2010年3月5日發(fā)明者夏麗敏,廖迎娣,張瑋,楊星,濮勛,韓菲菲申請人:河海大學(xué);南京河?？萍加邢薰?