海上风电基础流态固化土抗冲刷特性试验研究.pdf

第 卷第 期 年 月东 南 大 学 学 报(自 然 科 学 版)().:./.海上风电基础流态固化土抗冲刷特性试验研究李志越戴国亮杜 硕李忠伟欧阳浩然龚维明(东南大学土木工程学院 南京)(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室 南京)摘要:由于海上风电基础冲刷保护方式不足且固化土抗冲刷特性评估指标较少提出流态固化土保护方法并通过侵蚀系数与起动切应力的关系研究固化土抗冲刷特性.进行固化土起动试验和冲刷率试验研究不同制备条件下固化土的抗冲刷特性并通过起动切应力和冲刷率参数反演拟合起动切应力和侵蚀系数的关系.结果表明:随固化土养护时长、水泥质量分数增大固化土起动切应力增大同一切应力条件下冲刷率随养护时长增长而减小随水泥质量分数增大而减小当水流切应力为 时养护时长 、水泥质量分数 的固化土冲刷率为./推荐此为最佳制备配合比.同样侵蚀系数下固化土起动切应力远大于黏土具有较好的抗冲刷特性.关键词:海上风电固化土冲刷防护侵蚀系数中图分类号:文献标志码:文章编号:()()():./.:收稿日期:.作者简介:李志越()男硕士生戴国亮(联系人)男博士教授博士生导师.基金项目:国家自然科学基金资助项目().引用本文:李志越戴国亮杜硕等.海上风电基础流态固化土抗冲刷特性试验研究.东南大学学报(自然科学版)():.:./.海上风力发电具有高效、清洁、潜力大等特点已成为全球新能源发展的重要方向之一.因海上风:/.机基础直径较大桩周会出现严重冲刷现象.这会降低海床的承载能力削弱基础结构的稳定性并且会 影 响 风 电 机 组 结 构 的 共 振 特 性.研究发现海上风力发电站所花费总成本的/是用于海上风机的基础建设和保护.因此改进冲刷保护技术可以提高基础承载力、结构稳定性更能减少海上风电基础维护成本.国内外学者对海上风电桩基冲刷防护措施进行了大量研究并取得了显著的成果.认为冲刷保护的方法可分为主动保护和被动保护.主动保护是减少基础海床上水流动力被动保护是提高海床自身抗冲刷能力.典型的主动保护是牺牲桩保护 等首次报道了牺牲桩在单向流码头冲刷保护中的应用但发现该方法的保护效果极其不佳甚至失效.等认为设置挡板和使用螺旋扰流板也是主动保护方法但工程昂贵且在波流联合条件时此方法保护效果不佳.抛石保护是当前使用较为广泛的被动保护方法.等测试了抛石防护深度对防护效果的影响发现抛石放置在河床水平以下可以有效降低防护失效风险进而减少所需抛石的大小降低成本.等分别使用静态和动态方法确定在波流组合下单桩周围所需石材尺寸的计算公式.等研究了抛石保护下的速度分布和临界海床剪应力.等将马蹄涡描述为破坏抛石和海床交汇处岩石的主要机制.此外等研究表明抛石冲刷保护会导致邻近冲刷孔的形成从而对桩或邻近结构造成危害.与抛石保护类似砂袋 和 混 凝 土 铰 链 排 也 是 被 动 保 护 方 法 但 等认为此方法价格昂贵且砂袋和混凝土铰链排很难在深水中定位.本质上冲刷涉及土壤颗粒在水动力的作用下悬浮、分散和冲走.上述传统的冲刷保护方法在很大程度上依赖于工程经验并未考虑到提高海床土体的抗冲刷能力导致其反复失效.流态固化土是近年快速发展的一项新技术固化土是将外加剂、固化剂与土体加水搅拌形成混合物.其短时间内具有一定流动性凝固后又具备一定强度并且具有一定的抗侵蚀性.固化土制备可以充分利用海底淤泥大大减少砂石用量避免开山取石其使用无毒、无害、无污染拌和与浇筑过程为液态全程不会产生扬尘与生态环境融为一体.和庆冬等汇总了当前实际工程中常用的各类冲刷防护措施的特性在此基础上介绍了异位淤泥固化土在风电基础防冲刷中的应用.丁健等在异位流态固化土施工的基础上提出了原位淤泥固化防护方案并通过室内配合比试验确定了固化剂掺量.国内现有流态固化土研究较少属于起步阶段现有研究对流态固化土抗冲刷特性阐述较为单一缺少流态固化土抗冲刷特性评估指标亟需引入更多参数更全面地评估流态固化土的抗冲刷特性.本文基于流态固化土冲刷试验和单桩模型水槽试验通过侵蚀系数与起动切应力的关系研究固化土抗冲刷特性.进行了固化土起动试验和冲刷率试验设置不同水泥质量分数、不同养护时长进行正交试验得到不同条件下固化土的起动速度、起动切应力和冲刷率研究水泥质量分数、养护时长对起动速度、起动切应力和冲刷率的影响.建立侵蚀系数和起动切应力间函数关系为研究流态固化土抗冲刷特性提供了一种新的评估方法.固化土抗冲刷特性试验.试验目的流态固化土是为提高水环境下可施工性和抗冲刷性能而设计.其以淤泥黏土作为基土加入一定比例水泥及固化剂进行固化.流态固化土是处于高流动状态的混合物可以在重力作用下自动充填冲刷坑无需振动即可达到良好的压实效果.流态固化土通过泵送施工施工方式便捷无需在桩基上或桩基附件安装其他设施且可以用作任何桩基形状的预防或补救措施.其制备时先进行海床取泥、运泥等准备工作加水调匀制备标准淤泥浆再加入适量固化剂搅拌调匀后采用固化土输出管泵送系统精准吹填.流态固化土能依靠其高流动性自主扩散流至所需防护范围形成密贴型、大缓坡、与海床面小角度搭接的冲刷坑护底结构如图 所示.图 固化土防护近几年国内外学者认为土体抗冲刷特性和其自身的土体性质有直接关系.对于流态固化土其在黏土基础上加入了固化剂、外加剂导致土东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.体特性改变很大因此固化土的抗冲刷特性亟待研究.本文进行单桩模型水槽流态固化土冲刷试验在不同水泥质量分数、不同养护龄期下分别进行起动速度试验和冲刷率试验以期得到不同条件下固化土的起动速度、起动切应力和冲刷率研究水泥质量分数、养护龄期对起动速度、起动切应力和冲刷率的影响.此外建立侵蚀系数和起动切应力函数关系以此分析固化土抗冲刷特性.试验土样制备试验所用土为江苏省连云港市灌云海域淤泥质黏土土体参数见表.试验使用的水泥为河北省冀东水泥集团有限责任公司生产.级普通硅酸盐水泥质量符合国家标准硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥().采用中国青岛生产的粉末硅酸钠作为第二添加剂其由二氧化硅、氧化钠组成.表 淤泥质黏土基本物理力学指标相对密度容重/()天然含水率/孔隙比液限/塑限/塑性指数液性指数内摩擦角/()黏聚力/.制备流态固化土步骤如下:将试验所需剂量的水泥、硅酸钠合并成固化剂由于固化剂具有吸湿性需将其储存在干燥的环境中将适量的水和淤泥混合 根据水泥土配合比设计规程(/)计算水泥固化剂掺入比 内缓慢加入固化剂之后高速搅拌 进行振动等过程 将固化土装入模具浸泡在海水中进行海水常温养护.试验所用海水离子质量浓度分别如下:为./为./为./为./.试验装置为测定固化土起动速度和冲刷率进行室内水槽试验.如图 所示水槽宽为 固化土土样槽直径为.试验水槽管道断面高为.试验装置包括有机材料管道、供水系统、升降活塞等装置.流速测量采用 通道 型多普勒流速仪()可精确测量./范围内水流速度精度达./结合流速采集仪和采集系统可同步测量多处流速.图 水槽试验示意图(单位:).试验方案进行固化土抗冲刷特性试验包含起动试验和冲刷率试验.因水泥质量分数过高或养护时长过长会导致固化土流动性差严重影响固化土泵送过程所以水泥质量分数上限设为 养护时长上限设为 .试验工况如表 所示设置 种水泥质量分数(、)和 种养护时长(、)进行正交试验得到不同条件下固化土的起动速度、起动切应力和冲刷率.将试验结果汇总并进行对比进而得到水泥质量分数、养护龄期对起动速度、起动切应力和冲刷率的影响.通过起动切应力和冲刷率建立侵蚀系数和起动切应力之间函数关系并用以评估不同条件下土样的抗冲刷特性.表 试验工况表工况养护时长/水泥质量分数/.起动速度试验如图 所示根据试验观察到的起动状态将固化土的起动分为 种状态:微动、大量动.微动是指随着水流的冲刷水流内逐渐出现一丝固化土烟状物同时固化土表面迎流侧出现小直径凹坑大量动是指固化土表面出现较为持续的变化水流中出现大量烟状物固化土表面出现微团的连续起动或固化土出现整体破坏.在某一水流速度下土第 期李志越等:海上风电基础流态固化土抗冲刷特性试验研究:/.样达到微动并在短时间后变为大量动状态此流速为土样起动速度.()土样提升()土样固定()泵送水流()土样微动()土样大量动()土样表面冲毁图 起动速度试验步骤及现象将固化土土样放置于样土土槽中通过手摇杆手动调整升降活塞控制土样槽升高或降低.土体槽和上部水槽衔接处存在一道刻度线.保持视线和样土表面相平观察土面与刻度线的相对高低.开启阀门前需使土样顶端与刻度线齐平以保证土样齐平于水槽底面.启动供水系统打开阀门增大流速.流速增大过程中持续关注土样情况直至固化土土样出现微动的情况暂停增大水流流速维持当前流速进行观察若短时间后土样出现大量起动的现象则记录流速仪数据可得到试验土样起动速度若一段时间后并未出现大量起动现象则略微增大水流流速后观察土样情况直至出现大量起动现象.冲刷率试验土样冲刷率定义为单位时间内土样被冲刷厚度 /为冲刷率/为被冲刷厚度为冲刷时间.将固化土土样放置于样土土槽中通过手摇杆调整升降活塞控制土样槽升高或降低使土样表面与水槽底部齐平记录此时活塞高度启动供水系统打开阀门将流速稳定在固定等级记录固定时间 后活塞上升高度 测算当前流速等级下的冲刷率.试验过程中需注意随着冲刷的进行土样表面逐渐下降无法与水槽底面齐平.为确保流速仪读数为土体表面流速随着冲刷的进行需持续平视土样表面中心处和刻度线的相对位置.升高土样槽使土样表面中心处齐平于水槽底面.试验结果分析.起动切应力试验水槽底部的固化土起动切应力可根据水力学知识计算得到公式如下:()式中 为水流切应力 为水流密度取 /为摩阻流速/.因试验中的水流雷诺数 远大于 判断为紊流故摩阻流速 可由紊流条件下对数型公式计算得到:.()式中 为距水槽底部距离 处的水流时均流速/取 .为水流运动黏滞系数取 /.算例将固化土土样放置于土槽中通过手摇杆调整升降活塞控制土样槽升高或降低启动供水系统打开阀门增大流速持续关注土样情况固化土土样开始微动暂停增大水流流速维持当前流速一段时间后土样出现大量起动的现象记录流速仪数据.已知流速仪示数为./水流密度 取/水流运动黏滞系数 取 /测算距离水槽底部距离 .处的起动切应力.将水流时均流速、水流的运动黏滞系数、测算点与水槽底部距离 .代入式()可得摩阻流速./将摩阻流速 和水流密度 代入式()可算得水流切应力为 .结果分析试验结果如图 所示.采用指数函数对 种水泥质量分数下的起动切应力结果进行拟合拟合曲线相关系数 皆为.以上曲线拟合良好.由拟合曲线可以看出固化土起动切应力受水泥质量分数和养护时长影响较大.随养护时长的增长流态固化土样的起动切应力逐渐增大增长曲线斜率在养护初期时最大后逐渐变小趋于变缓固化土试样制备完成初期养护时长对应为零其不同水泥质量分数下的起动切应力相同为.说明水泥对淤泥的固化作用是在养护期间逐渐形成且随着固化时间增加其作用逐渐明显不同水泥质量分数下起动切应力的增长速率明显不同水泥质量分数越大土样起动切应力的增长速率越东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.大试验中固化土水泥质量分数为 时其起动切应力增长速率最快.图 起动切应力和养护时长之间关系.冲刷率试验图 为各种水泥质量分数下不同的水流切应力和土样冲刷率的关系.用指数函数对 种水泥质量分数下的试验结果进行拟合拟合曲线相关系数大于.曲线拟合良好冲刷率与水流切应力呈正相关指数关系.由图可知在同一水泥质量分数、不同养护时长的工况下养护时长越长同一冲刷率对应的水流切应力越大即达到相同冲刷率所需要的水流要求更高养护时长越长土样冲刷率的增长速率越低.在 种水泥质量分数下养护时长达到 的水泥土其冲刷率最小且增长速率越慢.这与起动切应力试验结果分析相似固化土养护时长对其抗冲刷性能影响较大在合理范围内养护时长越长越有利于水泥土和淤泥相互作用即提高流态固化土抗冲刷性能.由图 可知在同一养护时长、不同水泥质量分数下水泥质量分数越大对应的冲刷率越小即达到相同冲刷率所需要的水流要求更高.如由图()和()对比可知在养护时长为 的条件下当水流切应力同为 时水泥质量分数为的固化土冲刷率达到./而水泥质量分数为 的固化土冲刷率仅为./.这与起动切应力试验结果分析相似固化水泥土的水泥质量分数对抗冲刷性能影响较大在一定范围内增加水泥的含量有利于淤泥固化作用即提高固化土抗冲刷性能.对于水泥质量分数为 的固化土土样养护 后在 /的水流流速下不会发生冲刷现象而在过高的水泥质量分数情况下固化土流动性较差影响泵送施工.因此固化土制备建议养护 选用水泥质量分数.()水泥质量分数()水泥质量分数()水泥质量分数()水泥质量分数 图 不同水泥质量分数下土样冲刷率和水流切应力关系.侵蚀系数土体的冲刷主要由外部水流条件和土体自身第 期李志越等:海上风电基础流态固化土抗冲刷特性试验研究:/.抗冲刷特性决定水流条件对应水流切应力土体的抗冲刷特性则对应土体自身起动切应力和侵蚀系数.水流条件和土体的冲刷率 关系式如下:()()式中 为侵蚀系数/()为土体起动切应力.从式()可以发现当水流切应力 大于土体的起动切应力 时土体会发生冲刷现象.土体的冲刷率除受水流作用影响外也与土体起动切应力和侵蚀系数有关.与起动切应力相比较而言侵蚀系数在影响土体冲刷情况时占主要作用且二者之间具有一定的关系.等进行了 组土体冲刷现场试验发现侵蚀系数和土体起动切应力密切相关通过试验数据进行拟合建立两者之间关系式为 .其土样起动切应力小于 宗全利等通过室内水槽进行了土体冲刷试验依据试验数据建立了重塑土侵蚀系数与起动切应力之间的关系.其土样起动切应力范围为.赵万杰等采用黄河下游黏土体进行抗冲刷特性水槽试验得到两者的关系为.测得土样起动切应力范围为.此外、等同样构建了侵蚀系数和起动切应力之间的关系式形式类似.从以上研究可以发现土体侵蚀系数与起动切应力二者之间有着明确的关系关系式可表示为 ()式中、为无量纲系数、值大小由固化土土体性质决定根据本文试验结果对土体侵蚀系数与起动切应力的关系进行拟合得.()式()拟合相关系数.拟合精度较高可以用于固化土冲刷计算.侵蚀系数大小与起动切应力呈负相关的关系曲线下降速率逐渐变慢趋于平缓.本文试验得到的流态固化土起动切应力范围为 计算得到的侵蚀系数范围为./()起动切应力范围远大于文献、文献、文献黏土试验的范围说明固化土可承受的水流条件范围远大于黏土.如图 所示当侵蚀系数为 /()时依照拟合曲线固化土起动切应力为.而文献黏土起动切应力为.这说明流态固化土较黏土更难起动具有更好的抗冲刷特性.图 侵蚀系数 起动切应力关系图 结论)随养护时长增长流态固化土起动切应力逐渐增大两者近似呈指数关系增长曲线斜率在养护初期时最大后逐渐变小趋于变缓养护时长为零时流态固化土在不同水泥质量分数下的起动切应力相同为.同一养护时长、不同水泥质量分数工况下水泥质量分数越大土样起动切应力越大其增长曲线斜率越大增长越快.)流态固化土的冲刷率与水流切应力呈正相关指数关系.在同一切应力的条件下冲刷率随养护时长的增长而减小随水泥质量分数的增大而减小.在同一冲刷率条件下固化土养护时长越长水泥质量分数越大达到相同冲刷率所需要的水流切应力更大.随养护时长增长曲线斜率越低直至趋于平缓.固化土养护时长 、水泥质量分数 为最佳制备配合比.)建立了流态固化土侵蚀系数和起动切应力之间函数关系 .比较固化土与黏土基于二者侵蚀系数、起动切应力的范围差异发现固化土抗冲刷性能优于黏土.为评估流态固化土抗冲刷特性提供了新方法.)流态固化土在海洋工程的防冲刷、冲刷修复方面处于初步阶段.可从更多角度评价其抗冲刷特性优化固化土配比使其大范围、宽海域、高效益应用于海上风电单桩基础冲刷防护.参考文献().:.:./.东南大学学报(自然科学版)第 卷:/.():.:./()():().:.():.:./.().():.:./.():.:./()():().():.:./.():.:./.():.:./()():()./.:.:././.:.和庆冬 戚建功.一种新技术在海上风机基础冲刷防护的应用研究.南方能源建设 ():.:./.():.:./.()丁健 谢锦波 王菁 等.原位淤泥固化技术在海上风电单桩基础防冲刷中的研究与应用.中国港湾建设 ():.:./.():.:./.().:.():.:./()():().():.:./.肖辉 曹祖德 赵群 等.波、流作用下粘性淤泥的起动试验研究.泥沙研究():.:./.():.:./.()宗全利 夏军强 张翼 等.荆江段河岸粘性土体抗冲特性试验.水科学进展 ():.:./.():.:./.()范力阳 陈国平 马洪蛟 等.水压力对黏性原状土起动流速影响的试验研究.长江科学院院报 ():.:./.():.:./.()王秋生 苏瑞林 高晓静.重塑黏性土及不同砂砾含量土体的起动试验研究.水利学报 ():.:././.():.:./.()赵万杰 许琳娟 李军华 等.黄河下游重塑黏性土抗冲特性试验.南水北调与水利科技 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