近年来，随着全球能源短缺和环境污染越来越受到重视，各国纷纷将能源战略从传统化石能源向清洁能源转移，海上风电也成为能源转型的重要战略支撑。随着大容量机组等关键技术的突破和持续进步，海上风电产业得到迅速发展，装机容量出现跃迁式增长，即使在全球经济衰退的大背景下，海上风电装机增长速度依然遥遥领先^[1-2]。目前，单桩是海上风电场应用较多的基础形式^[3]，然而桩周土体局部冲刷是海上风电迫切需要解决的关键技术，严重危胁海上风电机组安全运行^[4-6]。抛石防护与土工袋充填物防护是应用较为广泛的2种单桩防冲刷措施，国内外学者对其也进行了大量的研究^[7-9]。

水下自护混凝土是一种新型的水下混凝土，其工作原理是将水溶性高分子聚合物水下保护剂添加至施工部位水域水体，对水体进行改性，改性水体抑制混凝土中的水泥扩散，实现水下混凝土的清澈浇筑^[10]。水下自护混凝土相比传统水下混凝土，抗分散性能更好，流动能更高^[11]，在水下具有很好的填充性能。据统计，水下胶结块石技术已经应用于野三河水电站工程坝肩溶洞封堵工程、龙背湾水电站溢洪道应急抢修工程、深茂大桥水下封底工程、都江堰修复工程和汕头防波堤修复加固工程等13个工程项目^[10]。

工程实践表明这2种防护方式防护效果不佳，存在防护失效现象。针对该问题，本文提出一种基于水下胶结抛石体的海上风电单桩基础新型防冲刷措施，这种措施是基于一种水下胶结块石技术^{[10, 12]}，利用高性能水下自护混凝土将单桩桩周抛石散粒体胶结固化为水下胶结抛石体护底结构。这种防冲刷措施的优点在于充分利用单桩抛石防护的施工便捷、材料丰富等优点，通过水下胶结形成胶结抛石体，以提高抛石体稳定性和抗冲刷性。通过大比尺波浪水槽试验论证了单桩胶结抛石体防护结构的冲刷防护效果，详细介绍了水下胶结抛石体防护措施试验前期工作与浇筑流程，研究成果为海上风电单桩基础防护措施和冲刷修复提供了新思路。

1 试验概况 1.1 模型设计

本文以江苏某海上风电场桩径6.5 m的单桩基础及其所处海洋环境为原型，按照重力相似准则进行模型设计。根据模型试验规范要求^[13]，消除水槽边壁对单桩冲刷的影响，水槽宽度与单桩直径之比不小于6。由于水槽宽度5 m，本次模型试验单桩直径设置为0.5 m，长度比尺为1∶13。在实际工程中，抛石防护的厚度为0.08 m，由于该水下胶结抛石体护底具有良好的强度，相对较薄的防护结构也可以起到有效防护的目的，为减少工程预算，抛石体厚度由设计厚度0.08 m减小至0.04 m。按重力相似准则对各物理量之间的比尺关系进行计算，时间和流速比尺近似为1∶3.6。陈国平等^[14]在对模型试验的强度模拟研究中表明，强度比尺与模型长度比尺一致，因此本次试验中强度比尺为1∶13，模型试验具体参数如表 1所示。

现有文献[13, 15]表明，当泥沙中值粒径d₅₀小于D/50时，或当泥沙起动后单桩周围的冲刷情况只与KC数有关，泥沙粒径大小不会影响单桩局部冲刷深度。KC数是描述黏性力和惯性力的相对关系，其计算公式为

$ \mathrm{KC}=\frac{T u_{\mathrm{w}}}{D}. $

其中：u_w为波浪近低层最大流速，T为波周期。

本次试验采用的泥沙中值粒径为0.1 mm，远小于D/50(10 mm)，且根据张瑞瑾^[16]泥沙起动流速公式计算，试验中泥沙的起动流速为0.36 m/s，试验水流流速为0.37 m/s，泥沙可起动。

1.2 水下自护砂浆配合比设计

为满足6 h时水下胶结抛石体强度要求，本次试验水下自护砂浆中的胶凝材料选用P.O 42.5的普通硅酸盐水泥和P.O 42.5的硫铝酸盐水泥，两种水泥混掺。骨料选用河砂，细度模数为2.8，密度2.63×10³ kg/m³。文[17]表明，砂的最大颗粒粒径越小，自密实砂浆在堆石中的填充效果越好。为了保证水下自护砂浆较好地填充桩周抛石体，试验前对河砂进行了筛分，筛分出1.18 mm及以下的细砂。外加剂选用聚羧酸减水剂和保塑剂，质量等比例混掺，并选用硼砂作为缓凝剂。水下自护砂浆组成成分为：普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、水、砂、减水剂、保塑剂和硼砂，质量比为158∶40∶108∶198∶1∶1∶0.6。

试验中，对砂浆的水下质量损失、在空气中的流动性和6 h时水陆砂浆试块强度进行了试验检测。砂浆在水下的质量损失较小，质量损失小于1%。砂浆在空气中的坍落扩展度为(320±10) mm，并在空气中的流动性可维持30 min，因此试验过程中有足够的时间可以运送砂浆以及完成砂浆浇筑试验。材料性能是影响水下胶结抛石护底防冲刷长期性能的一个重要的因素，在实际工程中，为了防止水下自护混凝土在未固化前受到较大的波流冲击，施工一般会在波流条件较小的窗口期进行，且要求水下自护混凝土具有早强的性能，因此，本试验中，对砂浆配合比进行了早强设计，水下自护砂浆在水下3 h时达到终凝，砂浆在空气中6 h时的强度达到了3 MPa，在水下6 h时强度可达到2.5 MPa。水下自护砂浆胶结抛石散粒体形成水下胶结抛石体，水下胶结抛石体在6 h时水下强度达到了1.3 MPa，原型值达到16.9 MPa。

1.3 试验方案

水下自护砂浆浇筑采用多点浇筑方式。考虑到砂浆浇筑后随机的流动扩散过程，先理论计算每个浇筑点的填充范围及其达到密实所需的砂浆量，在此基础上增加一定比例的裕量作为砂浆浇筑总量，本次试验浇筑量为7.3 L，理论计算得到的砂浆扩散半径为0.34 m。由于内圈浇筑扩散效果受外圈浇筑的影响，略微降低了裕量比例。表 2为每一浇筑点砂浆用量表，图 1和2分别为现场浇筑方案和水下自护砂浆浇筑块石试验图。

本次试验利用大型波流水槽开展了波流作用下的冲刷试验，研究单桩胶结抛石体结构防冲刷性能，论证胶结抛石体防冲刷措施的可行性。波流水槽尺寸为456 m×5 m×12 m，能够产生规则波和不规则波，造波的有效周期2~10 s，最大造浪能力为3.5 m，波流水槽配有循环式造流系统，最大流量15 m³/s。所有控制系统均采用计算机自动调节控制。本次试验波高测量采用量程5 m的大型动态电容式波高测量系统，流速测量采用NORTEK声学Doppler点式流速仪，试验过程中波高测量系统和流速仪实时监测波流。冲刷试验后，地形测量采用TRIMBLE CX三维激光扫描仪，最后将数据进行处理生成三维地形图。图 3为大比尺波浪水槽实景。

1.4 试验流程

图 4为试验流程图，主要包括以下步骤：

步骤1  用试验砂填满沉砂池，单桩周围铺设10~20 mm粒径范围内的块石，防护半径1.15 m、高度4 cm；在进行每一次的冲刷试验前，需补充沉砂池中损失的砂，并整平砂床。

步骤2  将试验水槽提水至0.3 m，在提水过程中为避免水流影响试验结果，要保证提水速度足够小，水流流速小于砂的起动流速。

步骤3  在静水条件下，将预先稀释好的水下保护剂水体投放在单桩周围，其中水下保护剂初始的质量分数2 %、入水时的质量分数0.2 %，在水槽的投放范围为5 m×5 m，水与水下保护剂的质量比例为1∶100。

步骤4  投放水下保护剂15 min后，向预定的浇筑点用砂浆浇筑漏斗浇筑定量水下自护砂浆，在浇筑过程中保持漏斗口距护底表面1~2 cm，其中砂浆浇筑漏斗为下端口径15 mm，容积21 L的大型漏斗(为了使水下自护砂浆的损失量进一步减少，达到更好的浇筑效果，在向浇筑点浇筑水下自护砂浆时，可在浇筑点附近持续投放水下保护剂水体)。

步骤5  浇筑完成后3 h左右胶结料已达到终凝，试验水槽排水，记录初始胶结抛石体整体胶结形态并整平胶结结构周围砂床。

步骤6  向试验水槽内提水至设计水深进行冲刷试验。

步骤7  到达预定的冲刷时间后，打开排水装置，待水槽内水排干观察胶结抛石体护底结构形态和稳定性，并利用TRIMBLE CX三维激光扫描仪对地形进行扫描。

步骤8   冲刷试验全部进行后，用水泥切割机将护底沿半径切割，观察胶结抛石体护底结构的内部形态。

2 试验结果与分析 2.1 水下胶结抛石体结构形态

图 5为水下胶结形成的胶结抛石体护底结构。可以看出，单桩周围抛石散粒体基本被水下自护砂浆胶结，形成整体防护结构，仅在胶结抛石体护底结构边缘存在块石散粒体，其表面虽然没有被砂浆完全覆盖，但抛石散粒已经部分胶结。胶结抛石体护底结构在开始浇筑3 h后已完全凝结固化，水下抗压强度达到了1.3 MPa。胶结抛石体护底结构表面存在多处凹陷，这是由于在浇筑过程中砂浆冲击抛石体表面颗粒形成的冲坑。

冲刷试验完成后，用混凝土切割机沿胶结抛石体护底结构半径进行切割，护底结构纵向截面如图 6所示。经测量，砂浆在抛石体中的流动深度达到4 cm，

垂向抛石散粒体已完全胶结，胶结抛石体防护结构表层砂浆厚度约为0~2 cm。

试验表明，采用水下胶结块石技术可将单桩桩周抛石基本胶结成具有整体性和一定结构强度的胶结抛石体防冲刷结构。

2.2 胶结抛石体护底防冲刷性能

为了研究胶结抛石体护底结构在波流条件下的稳定性和防护效果，本次试验在重现期50和100 a波流条件进行了物理模型试验研究。本次试验共设置了4组工况，其中单桩无防护和单桩胶结抛石体护底各2组，具体冲刷试验工况如表 3所示。

2.2.1 无防护冲刷试验结果

图 7为单桩无防护冲刷后的地形图，其中单桩中心位于x和y轴原点上。可以看出，第1种工况下，最大冲深点位于单桩上游侧，最大冲刷深度为4.00 m，冲刷坑宽度6.50 m；第2种工况下，最大冲深点位于下游侧，深度达到6.24 m，冲刷坑宽度13.75 m。

2.2.2 胶结抛石体护底冲刷试验结果

在完成水下自护砂浆胶结抛石6 h后，进行第3种工况冲刷试验。图 8为胶结抛石体护底冲刷后的地形图。由图 8a可知，最大冲深点位于胶结抛石体护底结构下游边缘侧，最大冲刷深度约为1.04 m，冲刷坑宽度2.65 m。此次冲刷试验完成后，发现胶结抛石体护底结构边缘个别区域存在破碎的砂浆块体，如图 8b所示。据统计，破碎砂浆块体约占胶结抛石体护底结构整体质量的0.002%。分析其原因，可能是在进行水下自护砂浆浇筑的过程中，由于水下自护砂浆浇筑量较大，部分浆液流到抛石体外侧的砂床，凝结固化形成5~10 mm的砂浆固化层，砂浆固化层与胶结抛石体护底结构连接，在较强的波流作用下，强度较低的砂浆固化层发生破碎。需要说明的是，砂浆固化层的破坏并不影响胶结抛石体防护效果(胶结抛石体护底结构主体未出现胶结颗粒脱落与破裂)。与相同波流条件的工况1相比，在胶结抛石体防护下，单桩桩周最大冲刷深度减少了2.96 m，冲刷坑宽度减少3.85 m。

为了进一步研究波流作用是否会破坏胶结抛石体护底结构，又采用重现期100 a的波流条件继续对胶结抛石体护底防护结构进行冲刷(工况4)，试验结果如图 8c和8d所示。由图 8c可以看出，最大冲深点位于胶结抛石体护底结构下游边缘侧，冲刷深度约为1.82 m，冲刷坑宽度4.55 m。同时，由图 8d可以看出，在胶结抛石体护底结构的边缘位置，砂浆固化层继续破碎，极少数抛石发生脱落，据统计，破碎的砂浆固化层块体和脱落的抛石的总质量占胶结抛石体护底结构的比例约为0.003%，整体防护结构仍保持稳定。

综上所述，单桩桩周的胶结防护抛石体护底可以有效抵御波流作用，保存整体结构的完整性，并且显著降低单桩桩周土体冲刷深度和冲刷坑宽度。

3 结论

本文首次将水下胶结块石技术应用到单桩基础冲刷防护领域，通过水下灌浆胶结固化单桩桩周抛石得到一种具有较高强度和较好整体性的水下胶结抛石体护底结构，并采用大比尺波流水槽试验对其防冲刷性进行了验证，主要结论如下：

1) 水下胶结抛石体护底结构整体性优良，可以有效抵抗较强波流作用且不发生结构性破坏。边缘砂浆固化层的破碎并不对胶结抛石体护底结构整体的防护效果产生影响。

2) 单桩胶结抛石体护底结构能够显著减小单桩桩周土体冲刷深度。在重现期为50 a的波流条件下(有效波高9.01 m、平均周期10.3 s的不规则波和1.34 m/s的水流)，相比无防护的单桩桩周最大冲刷深度，水下胶结抛石体护底结构的单桩桩周最大冲刷深度减小了2.96 m，冲刷坑宽度减少3.85 m；在重现期为100 a的波流条件下(有效波高11.44 m、平均周期13.1 s的不规则波和1.34 m/s的水流)，具有水下胶结抛石体护底防护的单桩桩周最大冲刷深度减小了4.42 m，冲刷坑宽度减少9.20 m。

本次试验主要研究了完整胶结后的水下胶结抛石体护底的防冲刷效果。为得到更为经济可行的水下胶结防冲刷结构，下一步将开展波流影响下非均匀部分胶结的试验研究，并探究抛石粒径大小、不同海洋波流作用等对于胶结抛石体防冲刷的影响规律。