一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法与流程

1.本发明涉及海上风电工程技术领域，具体为一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法。


背景技术：

2.近年来，海上风电因体量大、资源量丰富、占地面积少的优势得到迅猛发展。我国近海海域的风电场，风电机组主要采用固定式桩基础固定在海床上，而近海海域海床多为沉积的深厚软弱土，此类土体具有高含水量、高压缩性、高灵敏度等特性，在桩周围的此类软土体，容易因水流的作用而产生冲刷现象，若不及时采取防护措施，将严重影响桩基的承载力和风机运行安全。
3.根据海上风电桩基础的形式不同、所处海域地质条件和历史冲刷情况不同，可以将冲刷情况大致分类为整体冲刷和局部冲刷。工程上对局部冲刷的扫测范围一般在桩周2～5倍直径范围内，该范围内的冲刷对桩基础的稳定性影响较大；对整体冲刷的扫测范围一般在桩周10～20倍直径范围内。
4.桩基冲刷防护是应对冲刷现象采取的措施，保障风机在长期海洋环境下安全稳定运行。根据防护原理的不同，防冲刷措施主要可分为主动防护和被动防护。实际工程多用被动防护措施，其原理是在桩基础周围铺设加固层，提高桩周泥沙的抗冲刷性能。常用的被动防护措施主要有抛石/石笼防护、砂被/砂袋防护、固化土防护、海藻/仿生草防护、沉排/铰链排防护等。现有的防护措施选择，一般是根据探测的冲刷深度，计算各种防护措施的工程量和耗材，进而得到工程造价，依据方案的成本择低选择，或者根据工程经验或现有条件选择易于施工的方案，尚未有具体化的选型方法，且仅从经济性角度选择冲刷防护措施可能会造成防护效果不佳的后果。同时，不同的冲刷防护措施有不同的特点，现有的冲刷防护方法未考虑各个方案对于两种冲刷情况的适用性，缺乏有针对性的冲刷防护措施选型方案。因此，有必要从冲刷分类的角度去考虑冲刷防护选型问题。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，以解决现有冲刷防护选型方案无法从冲刷分类的角度考虑冲刷防护选型以及对桩基的防护效果不佳的技术问题。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：
7.一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，包括如下步骤：
8.步骤1，确定海上风电桩基础型式及预留桩基础冲刷深度；
9.步骤2，测量初始海床面平均高程、整体冲刷后的海床面平均高程，并根据所确定的海上风电桩基础型式对应的具体监测范围，测算局部冲刷后的海床面平均高程得到整体冲刷深度和局部冲刷深度，并计算得到总体冲刷深度；
10.步骤3，比较预留桩基础冲刷深度与总体冲刷深度确定是否对海上风电桩基础进
行防护；若对海上风电桩基础进行防护时，比较预留桩基础冲刷深度与整体冲刷深度确定冲刷类型；
11.步骤4，根据所确定的冲刷类型选用防护措施，完成海上风电桩基础冲刷防护措施选型的工作。
12.优选的，步骤2中，所述整体冲刷深度为初始平均海床面与以海上风电桩基础中心为起点，半径在10～20倍海上风电桩周直径的圆形监测范围所确定的整体冲刷后的平均海床面之间的高程差。
13.优选的，步骤2中，所述局部冲刷深度为整体冲刷后的平均海床面与以海上风电桩基础为起点，半径在2～5倍海上风电桩周直径监测范围所确定的局部冲刷后的平均海床面之间的高程差。
14.进一步的，在基础局部冲刷的海上风电桩周直径监测范围为2～5倍时，以海上风电桩基础的中心为起点，所述不同海上风电桩基础所确定的具体监测范围包括如下：当海上风电桩为单桩时，监测范围半径为单桩直径的4倍；
15.当海上风电桩为高桩承台风电桩时，监测范围半径为高桩承台风电桩直径的2倍；
16.当海上风电桩为重力式基础或吸力筒型基础风电桩时，监测范围半径为到重力式基础底部直径或吸力筒筒体直径的2倍；
17.当海上风电桩为导管架基础风电桩时，监测范围半径为导管架基础风电桩直径的2倍；
18.当海上风电桩为吸力筒导管架基础风电桩时，监测范围半径为吸力筒导管架基础风电桩直径的2.5倍。
19.优选的，步骤2中，总体冲刷深度的计算公式如下：
20.整体冲刷深度+局部冲刷深度＝总体冲刷深度。
21.优选的，步骤3中，比较预留桩基础冲刷深度与整体冲刷深度确定冲刷类型的具体过程如下：
22.当整体冲刷深度大于预留桩基础冲刷深度时，确定的冲刷类型为整体冲刷与局部冲刷共同存在，反之则比较整体冲刷深度和局部冲刷深度比值与1的大小，当整体冲刷深度和局部冲刷深度比值大于1时，冲刷类型为整体冲刷；反之冲刷类型为局部冲刷。
23.进一步的，步骤4中，当冲刷类型为整体冲刷与局部冲刷共同存在时，防护措施采用抛石、石笼、砂被、砂袋和固化土结合的任意一种。
24.进一步的，步骤4中，当冲刷类型为整体冲刷时，防护措施采用抛石、石笼、沉排或者铰链排。
25.进一步的，步骤4中，当冲刷类型为局部冲刷时，防护措施采用抛石、石笼、砂被、砂袋或者固化土。
26.更进一步的，当防护措施采用砂被或砂袋时适用于低至中等的海水流速，当防护措施采用固化土时适用于低至中等的海水流速，细砂质、淤泥质的海床土质。
27.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
28.本发明提供了一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，首先确定海上风电桩基础，并根据所确定的海上风电桩基础预留桩基础冲刷深度，针对不同的海上风电桩基础型式，对局部冲刷深度进行具体测算，然后对预留桩基础冲刷深度与整体冲刷深度、局部冲
刷深度与整体冲刷深度作比较分别得到冲刷类型；根据不同的冲刷类型选用适合的冲刷防护措施。本发明以冲刷类型作为选择防护措施的依据，结合工程、环境的影响因素，得到有针对性的冲刷防护措施，易于提高桩基防护效果。本发明从冲刷方式的角度对于冲刷方式进行判断，真正地从冲刷深度的角度严谨的判断，无需采用太多的数值计算和工程试验，有针对性的冲刷防护方案，易于提高防护效果。
附图说明
29.图1为本发明中海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法的流程图；
30.图2为本发明实施例中海上风电桩基础的结构示意图。
具体实施方式
31.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
32.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
33.本发明的目的在于提供一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，以解决现有冲刷防护选型方案无法从冲刷分类的角度考虑冲刷防护选型以及对桩基的防护效果不佳的技术问题。
34.具体的，如图1所示，该海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，包括如下步骤：
35.步骤1，确定海上风电桩基础型式及预留桩基础冲刷深度；步骤2，测量初始海床面平均高程、整体冲刷后的海床面平均高程，并根据所确定的海上风电桩基础型式对应的具体监测范围，测算局部冲刷后的海床面平均高程得到整体冲刷深度和局部冲刷深度，并计算得到总体冲刷深度；
36.具体的，整体冲刷深度为初始平均海床面与以海上风电桩基础中心为起点，半径在10～20倍海上风电桩周直径的圆形监测范围所确定的整体冲刷后的平均海床面之间的高程差。具体的，局部冲刷深度为整体冲刷后的平均海床面与以海上风电桩基础为起点，半径在2～5倍海上风电桩周直径监测范围所确定的局部冲刷后的平均海床面之间的高程差。其中，在基础局部冲刷的海上风电桩周直径监测范围为2～5倍时，以海上风电桩基础的中心为起点，所述不同海上风电桩基础所确定的具体监测范围包括如下：
37.当海上风电桩为单桩时，监测范围半径为单桩直径的4倍；
38.当海上风电桩为高桩承台风电桩时，监测范围半径为高桩承台风电桩直径的2倍；
39.当海上风电桩为重力式基础或吸力筒型基础风电桩时，监测范围半径为到重力式基础底部直径或吸力筒筒体直径的2倍；
40.当海上风电桩为导管架基础风电桩时，监测范围半径为导管架基础风电桩直径的2倍；
41.当海上风电桩为吸力筒导管架基础风电桩时，监测范围半径为吸力筒导管架基础风电桩直径的2.5倍。
42.具体的，步骤1中，总体冲刷深度的计算公式如下：
43.整体冲刷深度+局部冲刷深度＝总体冲刷深度。
44.步骤3，比较预留桩基础冲刷深度与总体冲刷深度确定是否对海上风电桩基础进行防护；若对海上风电桩基础进行防护时，比较预留桩基础冲刷深度与整体冲刷深度确定冲刷类型；
45.具体的，比较预留桩基础冲刷深度与整体冲刷深度确定冲刷类型的具体过程如下：
46.当整体冲刷深度大于预留桩基础冲刷深度时，确定的冲刷类型为整体冲刷与局部冲刷共同存在，反之则比较整体冲刷深度和局部冲刷深度比值与1的大小，当整体冲刷深度和局部冲刷深度比值大于1时，冲刷类型为整体冲刷；反之冲刷类型为局部冲刷。
47.步骤4，根据所确定的冲刷类型选用防护措施，完成海上风电桩基础冲刷防护措施选型的工作。
48.具体的，当冲刷类型为整体冲刷与局部冲刷共同存在时，防护措施采用抛石、石笼、砂被、砂袋和固化土结合的任意一种。
49.具体的，当冲刷类型为整体冲刷时，防护措施采用抛石、石笼、沉排或者铰链排。
50.具体的，当冲刷类型为局部冲刷时，防护措施采用抛石、石笼、砂被、砂袋或者固化土。
51.其中，当防护措施采用砂被或砂袋时适用于低至中等的海水流速，当防护措施采用固化土时适用于低至中等的海水流速，细砂质、淤泥质的海床土质。
52.实施例
53.本实施例提供了一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，假设初期海床为水平面，在海洋动力作用下，桩基周围产生冲坑。
54.根据图2所示，柱体代表海上风电桩基础；s1代表海面高程；s2代表初始海床面平均高程；s3表示整体冲刷后的海床面平均高程，其监测范围为以以基础中心为起点，半径在10～20倍桩周直径的圆形范围内；s4表示局部冲刷后的海床面平均高程，其监测范围为基础中心为起点，半径在2～5倍桩周直径圆形范围内；h1为s2距离s3的高度；h2为s3距离s4的高度，则h1+h2为总体冲刷深度，记为h。
55.具体过程如下：
56.s1，确定海上风电桩基础型式及预留桩基础冲刷深度x；
57.s2，测量初始海床面平均高程s2、整体冲刷后的海床面平均高程s3，并根据所确定的海上风电桩基础型式对应的具体监测范围，测算局部冲刷后的海床面平均高程；计算得到整体冲刷深度h1、局部冲刷深度h2和总体冲刷深度h；
58.其中工程设计过程中预留的桩基础冲刷深度x的取值一般为1.5～3米。
59.s3，比较预留桩基础冲刷深度x与总体冲刷深度h确定是否对海上风电桩基础进行防护；若h≤x，则可不进行冲刷防护；反之对海上风电桩基础进行防护时，比较预留桩基础冲刷深度与整体冲刷深度确定冲刷类型；
60.若h1≤x
61.(1)h1/h2≤1，冲刷集中于桩周附近，判断冲刷以局部冲刷为主；
62.(2)h1/h2》1，判断以整体冲刷为主。
63.若h1》x，则整体冲刷与局部冲刷共同存在，采用整体与局部冲刷防护相结合的措施。
64.s4，根据所确定的冲刷类型选用防护措施，完成海上风电桩基础冲刷防护措施选型的工作。
65.其中根据不同的冲刷方式，选择适宜的冲刷防护措施，参见表1。
[0066][0067]
表1不同桩基础冲刷防护措施适应性分析
[0068]
(1)对于整体冲刷的情况，由于整体冲刷涉及到大范围海床的迁移，难以采用工程手段防止海床迁移，且成本高昂，因此需要以施工成本为主要限制条件，根据海上风电场所处海域海水流速、水深、桩径、海床材质等因素综合考虑设计冲刷防护方案。推荐采用抛石/石笼、沉排/铰链排等方案。
[0069]
(2)对于局部冲刷的情况，则可以在成本允许的范围内，根据海上风电场所处海域海水流速、水深、桩径、海床材质等因素综合考虑设计冲刷防护方案。推荐采用抛石/石笼、砂被/砂袋、固化土等方案。其中，砂被/砂袋防护方案适用于低至中等的海水流速，固化土防护方案适用于低至中等的海水流速，细砂质、淤泥质的海床土质。
[0070]
综上所述，本发明提供了一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，首先确定海上风电桩基础，并根据所确定的海上风电桩基础预留桩基础冲刷深度，针对不同的海上风电桩基础型式，对局部冲刷深度进行具体测算，然后对预留桩基础冲刷深度与整体冲刷深度、局部冲刷深度与整体冲刷深度作比较分别得到冲刷类型；根据不同的冲刷类型选用适合的冲刷防护措施。本发明以冲刷类型作为选择防护措施的依据，结合工程、环境的影响因素，得到有针对性的冲刷防护措施，易于提高桩基防护效果。本发明从冲刷方式的角度对于冲刷方式进行判断，真正地从冲刷深度的角度严谨的判断，无需采用太多的数值计算和工程试验，有针对性的冲刷防护方案，易于提高防护效果。
[0071]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，确定海上风电桩基础型式及预留桩基础冲刷深度；步骤2，测量初始海床面平均高程、整体冲刷后的海床面平均高程，并根据所确定的海上风电桩基础型式对应的具体监测范围，测算局部冲刷后的海床面平均高程得到整体冲刷深度和局部冲刷深度，并计算得到总体冲刷深度；步骤3，比较预留桩基础冲刷深度与总体冲刷深度确定是否对海上风电桩基础进行防护；若对海上风电桩基础进行防护时，比较预留桩基础冲刷深度与整体冲刷深度确定冲刷类型；步骤4，根据所确定的冲刷类型选用防护措施，完成海上风电桩基础冲刷防护措施选型的工作。2.根据权利要求1所述的一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，其特征在于，步骤2中，所述整体冲刷深度为初始平均海床面与以海上风电桩基础中心为起点，半径在10～20倍海上风电桩周直径的圆形监测范围所确定的整体冲刷后的平均海床面之间的高程差。3.根据权利要求1所述的一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，其特征在于，步骤2中，所述局部冲刷深度为整体冲刷后的平均海床面与以海上风电桩基础为起点，半径在2～5倍海上风电桩周直径监测范围所确定的局部冲刷后的平均海床面之间的高程差。4.根据权利要求3所述的一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，其特征在于，在基础局部冲刷的海上风电桩周直径监测范围为2～5倍时，以海上风电桩基础的中心为起点，所述不同海上风电桩基础所确定的具体监测范围包括如下：当海上风电桩为单桩时，监测范围半径为单桩直径的4倍；当海上风电桩为高桩承台风电桩时，监测范围半径为高桩承台风电桩直径的2倍；当海上风电桩为重力式基础或吸力筒型基础风电桩时，监测范围半径为到重力式基础底部直径或吸力筒筒体直径的2倍；当海上风电桩为导管架基础风电桩时，监测范围半径为导管架基础风电桩直径的2倍；当海上风电桩为吸力筒导管架基础风电桩时，监测范围半径为吸力筒导管架基础风电桩直径的2.5倍。5.根据权利要求1所述的一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，其特征在于，步骤2中，总体冲刷深度的计算公式如下：整体冲刷深度+局部冲刷深度＝总体冲刷深度。6.根据权利要求1所述的一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，其特征在于，步骤3中，比较预留桩基础冲刷深度与整体冲刷深度确定冲刷类型的具体过程如下：当整体冲刷深度大于预留桩基础冲刷深度时，确定的冲刷类型为整体冲刷与局部冲刷共同存在，反之则比较整体冲刷深度和局部冲刷深度比值与1的大小，当整体冲刷深度和局部冲刷深度比值大于1时，冲刷类型为整体冲刷；反之冲刷类型为局部冲刷。7.根据权利要求6所述的一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，其特征在于，步骤4中，当冲刷类型为整体冲刷与局部冲刷共同存在时，防护措施采用抛石、石笼、砂被、砂袋和固化土结合的任意一种。8.根据权利要求6所述的一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，其特征在于，步骤4中，当冲刷类型为整体冲刷时，防护措施采用抛石、石笼、沉排或者铰链排。
9.根据权利要求6所述的一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，其特征在于，步骤4中，当冲刷类型为局部冲刷时，防护措施采用抛石、石笼、砂被、砂袋或者固化土。10.根据权利要求9所述的一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，其特征在于，当防护措施采用砂被或砂袋时适用于低至中等的海水流速，当防护措施采用固化土时适用于低至中等的海水流速，细砂质、淤泥质的海床土质。

技术总结
本发明涉及海上风电工程技术领域，具体为一种海上风电桩基础冲刷防护措施选型方法，首先确定海上风电桩基础型式及预留桩基础冲刷深度，针对不同的海上风电桩基础型式，对局部冲刷深度进行具体测算，然后对预留桩基础冲刷深度与总体冲刷深度、整体冲刷深度，局部冲刷深度与整体冲刷深度分别作比较得到冲刷类型；根据不同的冲刷类型选用适合的冲刷防护措施。以冲刷类型作为选择防护措施的依据，结合工程、环境的影响因素，得到有针对性的冲刷防护措施，易于提高桩基防护效果。从冲刷方式的角度对于冲刷方式进行判断，真正地从冲刷深度的角度严谨的判断，无需采用太多的数值计算和工程试验，有针对性的冲刷防护方案，易于提高防护效果。护效果。护效果。


技术研发人员：张铭 张波 郭小江 刘鑫 闫姝
受保护的技术使用者：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/7/20