专利名称：：淤泥质海岸近海风电塔基局部冲刷预报方法
技术领域：
：本发明涉及一种淤泥质海岸近海风电塔基局部冲刷预报方法。
背景技术：
：对于近海风电场，由于波浪和潮流的共同作用，在风电塔基周围将产生局部冲刷，可能影响到风电塔基的稳定性。研究分析波流共同作用下风电塔基的局部冲刷问题，对于近海风电场风机塔基的基础设计，具有重要的理论和实践意义。目前，我国海上风电刚起步，国内还没有计算海上桩基冲刷这方面的公式，而风电塔基冲刷深度对风电塔基的设计起到至关重要的作用，而冲刷深度需要从技术、经济、安全等方面综合考虑，冲刷深度设计小了，影响风机塔基的稳定，冲刷深度大了，工程量加大，投资增多。因此，合理确定风机塔基的冲刷深度不仅具有理论意义，而且也具有重要的经济意义。目前对于桩基局部冲刷的研究主要通过现场观测和模型试验来进行，且以后者为主。波流共同作用下建筑物周围基底产生局部冲刷其实是水动力条件和地质特性类型相互作用的结果。建筑物对于波流的反作用使建筑物附近的局部地区水流得到加强或是产生漩涡，这种局部强化或出现漩涡的水流改变了圆柱周围的底切应力场和流场，使原本静止的泥沙起动并输移(波浪掀沙，潮流输沙)，即产生了局部冲刷，形成了冲刷坑。在波浪和水流的作用下，一般应根据圆柱直径D与波长L比值的大小来分别加以讨论。当D/L<0.1-0.15时为小直径情况，圆柱对波浪场几乎没有影响，造成局部冲刷的原因是波浪水流经过圆柱时出现的漩涡。当D/L>0.1-0.15时，为大直径情况，这时波浪会发生折射和绕射，造成局部冲刷的原因是各种合成波的水质点运动引起的底切力。海上风力发电机组的基础当属于小直径一类，造成局部冲刷的原因是圆柱周围出现的漩涡。由于冲刷坑的深度对建筑物的稳定性影响最大，因而是局部冲刷问题的关键从前面的阐述中可以看出，小直径圆柱的局部冲刷研究已经取得的了许多成果，但是由于桩柱局部冲刷涉及水、沙、桩径等多种因素，问题极其复杂，现在的研究成果还是存在一定的问题首先，河流上的桩柱局部冲刷研究成果较多，而由于海洋里潮流、波浪等的作用要比河道中水流作用复杂的多，因此海洋里的桩柱局部冲刷研究成果较少；其次，大多数的模型研究只考虑粗砂的情况，由于对淤泥质粉砂海岸桩柱局部冲刷研究较少，没有一个完全适合此类海岸的桩柱局部冲刷计算模式。第三，许多研究只考虑了潮流对桩柱局部冲刷深度的影响，公式中往往没有将波浪作用加以体现，忽略了波浪的作用，而又没有对公式进行这一方面的修正，因此使得公式的计算结果与实际情况有较大的差距。
发明内容本发明的目的是预报淤泥质海岸近海风电场风电塔基的最大局部冲刷深度，以期寻求在此类海岸具有较强适应性的计算模式。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案本发明淤泥质海岸近海风电塔基局部冲刷预报方法，包括如下步骤(1)建立数学模型分别建立工程海域的二维潮流数学模型及二维波浪数学模型，并以二维潮流数学模型及二维波浪数学模型来分析工程海域的水动力条件，为确定风电塔基局部冲刷的最大深度提供海洋动力参数；(2)确定基本公式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__d50一韩海骞公式Ds=8.326Vd(I)0'628D0'193d500·167(5)波浪水质点的平均流速公式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)考虑波浪作用后的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_考虑波浪作用后的韩海骞公式Ds=8.ASk1Ic2Ba326Vd⑶tl628Dtll93CC167(U)以上各符号所代表的含义为Ds为桩基极限冲刷深度；dp为桩径；D为最大水深Ji(I)为纯潮流下的流速；Vi(2)为波浪水质点的平均流速Wi(3)为波流混合流速；Vd(j)为底部最大平均流速；V(j)为泥沙临界起动流速；Vm(j)为垂线平均流速；d5(l为泥沙颗粒中值粒径；ki为基础桩平面布置系数，条形取1.0，梅花形取0.862;k2为基础桩垂直布置系数，直桩取1.0，斜桩取1.176；B为最大水深条件下平均阻水宽度；H为波高；C为波速；k为波数；L为波长；(3)公式修正根据《海港水文规范》(JTJ213-98)中波浪水质点的平均流速公式，来求得波浪作用下水质点的平均流速，然后将其与纯潮流下的流速进行叠加，得到波流混合流速，并用此波流混合流速来代替步骤(2)中纯潮流下的流速Vi(I),得到合适的计算模式；(4)分析计算选取步骤(3)所述的合适的计算模式，预报淤泥质海岸近海风电场风电塔基局部冲刷的最大深度。本发明能够预报淤泥质海岸近海风电场风电塔基的最大局部冲刷深度。其具有以下几个优点(1)由于桩柱的局部冲刷深度与底沙粒径有着密切的关系，许多公式均是建立在粗砂的基础上，对淤泥质粉砂海岸并不适用。本发明选取了适用于底沙为细沙颗粒的Jones和Sheppard公式及韩海骞公式作为估算淤泥质海岸近海风电场风电塔基局部冲刷深度的基本公式。(2)本发明利用规范中介绍的公式将波浪作用下产生的水质点的流速与纯潮流下水质点的流速进行叠加，得到波流混合流速，并用此波流混合流速来代替原基本公式中的纯潮流下的流速。得到的局部冲刷深度与实际偏差较小，更为合理。(3)本发明建立的二维潮流数学模型和二维波浪数学模型范围覆盖了整个工程海域，且模型经过实测资料验证，计算结果合理可信，能较好的反映原体潮流及波浪的运动规律，可以为风电塔基的局部冲刷深度计算提供可靠的海洋动力参数。图1工程海域的二维潮流数学模型；图2二维波浪数学模型；图3-1响水气象站累年平均风速年变化直方图1980-2005年；图3-2响水气象站历年年平均风速年际变化直方图；图3-3响水近海风电场一期示范工程初步布置图。具体实施例方式下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明自然状况响水近海风电场一期示范工程位置在东经121°29'，北纬30°20'，位于灌河口以南，中山河口以北海域，与在建的总装机容量为201丽的响水风电场隔岸相望。响水气象站现址位于响水县外向型农业综合开发区响水港社区3组的农村，北纬34°12'，东经119°34'，观测场海拔高度3.7m，位于风电场场址西南方约30km处。气象站设立于1965年5月，1999年搬迁至现址。2003年之前，气象站测风仪器采用EL型电接风向风速仪，2003年2004年采用EL型电接风向风速仪和EC9-1高动态性能测风仪并轨运行，2005年起完全采用EC9-1高动态性能测风仪观测。气象站基本情况见表2-1表2-1响水气象站基本情况一览表<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表2-2响水气象观测站历年逐月平均风速统计成果表(m/s)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>响水气象站1966年2005年多年平均风速为2.9m/s,从响水气象站历年风速变化情况看，I960年代设站后风速变化较平稳，1970年代开始有所下降，1980、1990年代明显下降，直到1999年迁址后风速才有所回复。从风速年内变化直方图可以看出，春季风速较大，4月为大风月，秋季风速较小，810月为小风月。响水气象观测站历年逐月平均风速统计成果见表2-2。累年平均风速年变化直方图见图3-1，历年平均风速年际变化直方图见图3-2。响水海上测风塔正在筹建之中，目前没有现场实测资料，借鉴江苏省海岸线走势相似地区海上测风成果分析，离岸5km，70m高度风资源较海岸高0.3m/s,60m高度风资源较海岸高约0.4m/s。总体分析，海上下垫面粗糙度很小，因此风速随高度变化很小，风切变指数小于0.1，则响水地区海上5km左右，80m和65m高度风速约为7.lm/s和7.Om/s，详见表2-3。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2-4响水气象观测站主要气象要素特征值<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>注统计年份19662005年江苏北部沿海海区受南黄海旋转性驻波系统的控制，属非规则半日潮型。在响水附近海域的某测点(北纬34°45'东经119°25')，收集了2007年5月1日5月31日潮汐资料，见表2-5。由表2-5可知，该测点2007年5月最高潮高537cm，最低潮高21cm，最大潮差516cm。表2-52007年5月北纬34°45'东经119°25'潮汐资料表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>注1·潮高基准面在平均海平面下290cm;2.潮时中前两位代表时，后两位代表分，如0046表示0时46分。虽然上表测点不在响水近海风电场建设区域内(位于响水近海风电场的西北部约60km内)，测点所在区域水深较深，约为1520m，但是该测点的数据具有一定的代表性。响水近海风电场海区为江苏沿海潮流强度较弱区域，平均大潮流速约为0.64m/s,主流方向为NNW-SSE，最大涨潮流可达1.3m/s，最大落潮流可达1.4m/s。该海区高潮前Ih或高潮时开始转为落潮流，高潮后2h3h落潮流场最强，高潮后5h6h又转为涨潮流。响水沿岸缺少长期的波浪观测资料，考虑到其距连云港海洋站较近，所以，连云港海洋站的长期实测资料具有一定的参考价值。连云港波浪观测站位于东西连岛西北侧，测波浮筒的水深为理论深度基准面-5.6m,根据附近海底地形，该站观测结果可代表5m水深处的波要素。该站观测结果表明，波浪以风浪为主，涌浪为辅，其出现频率分别为63%、28%，常浪向为NE、NNE向，强浪向为NE、N和NNE向，多年平均波高(Hl7ici)为0.6m,实测最大波高为5.0m，各级波高多年出现频率为=Hvitl彡2.Om频率为2.06%，Hl7l0彡3.5m频率为0.009%，平均周期为3s，实测最大周期为8.3s。根据响水近海海岸的自然背景和拟建海上风电场的位置，布置了两个近海勘探孔，分别位于东经119°53'03.8"、北纬34°33'37.1〃(1#勘探孔)和东经120°07'11.5〃(2#勘探孔)。根据钻孔揭露，地层分布如下，详见表2-6和表2-7:(1)1#勘探孔①层淤泥质粘土灰色，流塑，夹粉土薄层，顶层0.8m粉砂，层底深度17.60m,厚17.60m。②层粉砂灰色，中密，分选较好，底部含少量砾石，直径0.5-1.Ocm，亚圆形为主，层底深度21.50m，厚3.90m。③层粉砂灰色，密实，分选较好，23.0-23.5m夹较多粉质粘土薄层。未揭穿，厚度大于8.60m。表2-61#勘探孔抗压极限侧阻力标准值qsik和极限端阻力标准值qpk层号123岩土名称淤泥质粘土粉砂粉砂抗压极限侧阻力标准值qsik205576极限端阻力标准值qpk3500(2)2#勘探孔①层淤泥质粉质粘土灰色，流塑，夹粉土薄层，顶部0.3m为粉砂。层底深度12.20m，厚度12.20m。②层粉砂灰色，中密-密实，分选一般，夹细砂，含少量贝壳碎片，土层顶部及底部混粘性土，底部少量砾石，直径l_2cm，亚圆形为主，层底深度28.00m，厚度15.80cm。③层淤泥质粘土灰色，流塑，含贝壳碎片，底部夹粉土，层底深度31.80，厚度3.80m。④层粉砂灰色，中密-密实，含沙量贝壳碎片，底部局部夹亚粘土，未揭穿，厚度大于6.35m。表2-72#勘孔探抗压极限侧阻力标准值qsik和极限端阻力标准值qpk<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>据江苏省地震局1994年资料，江苏沿海区域位于华北地震区的长江中下游至南黄海地震带内，该带是一个强震活动带。但该地震带的地震活动的空间分布是不均勻的。地震活动具有中等水平。根据国家地震局《中国地震动反应谱特征周期区划图》(1400万)和《中国地震动参数区划图》(1400万)，该区域未来50年超越概率10%的地震动峰值加速度在0.05-0.Ig范围之间，相当于地震基本烈度VIVII度，地震反应谱特征周期在0.450.55s范围之间。地震地质环境总体有利于建设大型风电场。总体来说，首先响水近海地区的地质条件良好，区域地质相对稳定，有利于大型风电场的建设。其次，风电场风机为高耸建筑物，天然地基不能满足建筑物抗压、抗拔和抗倾覆等要求，不宜采用天然地基，可采用桩基。工程方案风机布置原则为(1)首先应充分考虑可使用海域周边环境限制条件，再考虑场址内盛行风向、风速等风况条件。(2)布置时，既要尽量避免风电机组之间的尾流影响，又要充分减小分机之间的海缆长度，以降低配套工程投资。(3)对不同的布置方案，要按整个风电场发电量最大，兼顾各单机发电量的原则进行优化选择。(4)为了便于施工、运行维护和降低工程投资，同一风电场内的同期工程，尽量选用单机容量与型号相同的风电机组。参考响水陆上风电场相关测风资料，区域内风能分布较为分散，N、NNE、NE、ENE、E、ESE、及SW等风向均有较大比例分布，因此，风机布置时要求风机间距较大，根据海岸线走向，初步考虑将风电场11台机组垂直海岸线方向双排布置，一排布置6台机组，另一排布置5台机组，风机排内间距取700m，排间距取700m。风机布置见图2_3风机基础形式选择基于国外海上风电的建设经验，国外海上风电的风机基础一般以单桩为主，在水深和地质条件较好的海上风电场也有少量采用重力式基础的，吸力式基础尚处于试验阶段。目前在研究中的可用于海上风机的基础形式主要有单桩基础、多桩基础、重力式基础、吸力式基础、沉箱式基础等类型。结合本工程的实际情况，国内施工技术水平，本工程重点考察桩基础(包括单桩基础和多桩基础)、吸力式基础。(1)桩基础单桩基础目前在已建成的海上风电场中得到广泛应用，单桩基础特别适用于浅水及中等水深水域。单桩基础的优点是施工简便、快捷，基础费用较小，并且基础的适应性强。在许多建成的风电场中均采用此种基础形式。多桩基础与单桩基础相似，采用3根以上的钢管桩，钢管桩顶部采用钢桁架与基础段相连，基础段顶部设法兰与塔筒相连。多桩基础在国外已有少量的应用，主要用于单机容量较大、水深较深的风电场。本工程水深约5m，海底土质以淤泥质粘土、粉砂为主，表层土为流塑或软塑、高压缩性土，承载能力低，变形大，无天然地基条件，需采用桩基础。(2)吸力式基础吸力式基础是靠水压力使基础稳定，这种基础支脚上带有吸盘，吸盘与其下面的地面止水后抽水和抽气，吸盘上面就产生一向下的水压力的大气压，此压力用以平稳风荷载、浪荷载等水平荷载。这种基础由于省却了桩基，也不用笨重的重力墩，所以基础投资较省，但这种基础对止水、密封等技术要求较高，目前除在丹麦的Frederikshaven风电场用于试验外，还没有大规模用于实际工程。由于本工程吸力式基础时吸盘底部止水、密封困难，并且这种基础尚处于试验阶段，技术不成熟，故本工程不采用吸力式基础。根据设计，响水海上风电试验工程风机基础形式拟采用桩基。桩型选择根据目前桩基设计，施工水平和施工经验，海港工程桩基一般采用钢管桩、预应力混凝土管桩和灌注桩三类。钢管桩在海港工程领域已广泛使用，国内跨海大桥主要桩型即为钢管桩，国内港航施工单位已有较多数量的大型打桩船，钢管桩施工设备和施工技术已较为成熟。对于本工程3MW的风机基础，拟采用3根2.5m直径的钢管桩；预应力混凝土管桩在海港工程中也得到了大量的应用，对于本工程3MW的风机基础，若采用预应力管桩方案，需采用高强预应力混凝土管桩10根，管桩露出水面后采用混凝土承台与基础段相连；灌注桩在海港工程中也有应用，钻孔灌注桩的桩径主要受钻孔机具的限制，一般目前最大直径不超过3.5m，根据本工程的地质条件，拟采用4根直径2.2m灌注桩，桩露出水面后采用混凝土承台与基础段相连接。从施工角度考虑，钢管桩方案施工简便，速度快，施工质量有保证，费用少，为最优方案。预应力管桩方案采用打桩船打桩，现浇混凝土承台，施工较复杂，此方案次于钢管桩方案。灌注桩方案需搭建海上施工平台，现浇混凝土，所用设备较多，工序复杂，费用较多，此方案最差。从结构安全角度和防腐角度考虑，三者区别不大。从结构疲劳角度考虑，钢管桩最优，预应力管桩最差。所以本工程桩型选择钢管桩。桩数选择钢管桩方案根据桩数多少，可分为单桩、三桩、群桩方案。单桩基础目前国外海上风电场中已得到广泛应用，其结构相对简单，主要由一根钢管桩及连接段组成，在已建成的海上风电场中单桩基础形式约占85%以上，本工程3MW风机基础单桩方案桩径4.8m；三根钢管桩基础即三脚架组合形式基础，该基础主要在海上石油平台、海上灯塔建设中得到广泛的运用，用3根中等直径的钢管桩定位于海底，3根桩呈等边三角形均勻布设，桩顶通过钢套管支撑上部三脚桁架结构，构成组合式基础，本工程三桩方案桩径2.5m；群桩式高桩承台为海岸码头和桥墩基础的常见结构，有基桩和承台组成，承台为现浇混凝土，本工程群桩方案采用8桩布置，桩径为1.5m。综上所述，在桩数选择上可以分为三个方案，由此产生了三种不同桩径的钢管桩分别为(3)方案一单桩方案，桩径为4.8m；(4)方案二三桩方案，桩径为2.5m；(5)方案三群桩方案，桩径为1.5m；由于，桩径的大小对桩基周围的局部冲刷深度有着较大的影响，因此，需要对三种方案分别进行局部冲刷深度的计算以选择最为合适的工程方案。下面针对响水近海风电场风电机组的运行、维护的技术开发给出本发明提出的淤泥质海岸近海风电场风电塔基局部冲刷计算方法的实施方案(1)建立数学模型。响水县位于江苏省盐城、淮阴、连云港三市交汇处，东临黄海，全县总面积1378km2。本次响水近海风电场选择在以响水陆上风电场变电站为中心的外侧6km左右的近海区域，区域水深在5m左右。根据响水近海风电场的位置，分别建立工程海域的二维潮流数学模型(见图1)及二维波浪数学模型(见图2)，并以此来分析工程海域的水动力条件，为确定风电塔基局部冲刷的最大深度提供可靠的海洋动力参数；由图1及图2可见本发明建立的二维潮流数学模型和二维波浪数学模型范围覆盖了整个工程海域，且模型经过实测资料验证，计算结果合理可信，能较好的反映原体潮流及波浪的运动规律，可以为风电塔基的局部冲刷深度计算提供可靠的海洋动力参数。(2)确定基本公式。由于响水附近海域地质为淤泥质粉质粘土和淤泥质粉砂。本发明选取了适用于底沙为细沙颗粒的Jones和Sheppard公式及韩海骞公式作为估算淤泥质海岸近海风电场风电塔基局部冲刷深度的基本公式。(3)公式修正。由于Jones和Sheppard公式以及韩海骞公式只考虑了潮流的影响，忽略了波浪作用，而响水县附近海域所处区域还是有较强的波浪作用，因此波浪作用必须加以考虑。为了使波浪的作用在公式中得以反应，本发明根据《海港水文规范》(JTJ213-98)中波浪水质点的平均流速公式，来求得波浪作用下水质点的平均流速，然后将其与纯潮流下的流速进行叠加，得到更为合理的波流混合流速，并用此波流混合流速来代替原基本公式中的纯潮流下的流速，最后得到合适的计算模式，见公式(10)及公式(12)。(4)分析计算。根据(1)中的数学模型得出响水近海风电场工程海域的潮流场和波浪场，带入公式(10)及(12)，并将两个结果分别与已知的实测数据验证，选取计算结果误差最小的公式。本次得出公式(12)的计算结果与实际误差最小。因此运用考虑波浪作用后的韩海骞公式对响水近海风电场风电塔基局部冲刷深度进行计算。针对桩径2.5m的方案来说，当底沙中值粒径从0.05mm变化至0.Ilmm时，运用公式(12)计算所得的局部冲刷深度为5.24m至5.97m。权利要求一种淤泥质海岸近海风电塔基局部冲刷预报方法，其特征在于包括如下步骤(1)建立数学模型分别建立工程海域的二维潮流数学模型及二维波浪数学模型，并以二维潮流数学模型及二维波浪数学模型来分析工程海域的水动力条件，为确定风电塔基局部冲刷的最大深度提供海洋动力参数；(2)确定基本公式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>韩海骞公式Ds＝8.48k1k2B0.326Vd(1)0.628D0.193d500.167(5)波浪水质点的平均流速公式<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>π</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>π</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)考虑波浪作用后的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>考虑波浪作用后的韩海骞公式Ds＝8.48k1k2B0.326Vd(3)0.628D0.193d500.167(12)以上各符号所代表的含义为Ds为桩基极限冲刷深度；dp为桩径；D为最大水深；Vi(1)为纯潮流下的流速；Vi(2)为波浪水质点的平均流速；Vi(3)为波流混合流速；Vd(j)为底部最大平均流速；Vcr(j)为泥沙临界起动流速；Vm(j)为垂线平均流速；d50为泥沙颗粒中值粒径；k1为基础桩平面布置系数，条形取1.0，梅花形取0.862；k2为基础桩垂直布置系数，直桩取1.0，斜桩取1.176；B为最大水深条件下平均阻水宽度；H为波高；C为波速；k为波数；L为波长；(3)公式修正根据《海港水文规范》(JTJ213-98)中波浪水质点的平均流速公式，来求得波浪作用下水质点的平均流速，然后将其与纯潮流下的流速进行叠加，得到波流混合流速，并用此波流混合流速来代替步骤(2)中纯潮流下的流速Vi(1)，得到合适的计算模式；(4)分析计算选取步骤(3)所述的合适的计算模式，预报淤泥质海岸近海风电场风电塔基局部冲刷的最大深度。全文摘要本发明公布了一种淤泥质海岸近海风电塔基局部冲刷预报方法，分别建立工程海域的二维潮流数学模型及二维波浪数学模型，并以二维潮流数学模型及二维波浪数学模型来分析工程海域的水动力条件，为确定风电塔基局部冲刷的最大深度提供海洋动力参数；选取了适用于底沙为细沙颗粒的Jones和Sheppard公式及韩海骞公式作为估算淤泥质海岸近海风电场风电塔基局部冲刷深度的基本公式；采用修正后的公式预报淤泥质海岸近海风电场风电塔基局部冲刷的最大深度。本发明能较好的反映原体潮流及波浪的运动规律，可以为风电塔基的局部冲刷深度计算提供可靠的海洋动力参数，其计算结果合理可信。文档编号E02D27/42GK101798821SQ20101011879公开日2010年8月11日申请日期2010年3月5日优先权日2010年3月5日发明者夏丽敏,廖迎娣,张玮,杨星,濮勋,韩菲菲申请人:河海大学;南京河海科技有限公司