海上测风塔基础设计：海流力计算方法及影响因素

海流观测资料表明，海流流速随着水深深度的增加呈现逐渐减小的趋势，但其变化较为缓慢。由于海流对海上测风塔基础结构产生的海流力相对于结构所受到的其他环境荷载而言，所占比重较小，因此可近似认为同一垂线上海流流速相等，这样可视作用在结构物上的海流力将不随深度而改变。但若需要精确地确定海流力沿水深的变化规律得出海流力的详细计算结果，可根据第3章3.3节来确定海流的分布规律。无论海流的分布规律如何，均可根据下文所述方法来计算基础结构所受到的海流力。

1.计算方法

深度z处，作用于结构物单位高度范围内的海流力标准值fw（单位为k N）计算为

式中 V——某一深度z处水流设计流速，m/s；

ρ——水的密度，t/m3，无实测资料时，对于海水取1.025；

A——计算构件在与水流垂直平面上的投影面积，m2；

Cw——水流阻力系数。

基于式（5-70），作用于整个结构物上的海流力可沿杆件高度进行积分来求解，即

式（5-71）中的竖向积分下限为海床泥面标高或结构物底端高程，上限为结构物顶端高程或结构物与水面交点高度，应根据具体情况来确定。在海上测风塔基础结构计算时，水流力通常以分布力的作用方式来施加，水流力的作用方向与水流方向一致。

当需要近似确定结构物总体水流力合力作用点的位置时，对于上部构件，迎水面和背水面间的水压力差分布呈矩形，上部构件合力作用点位于阻水面积形心处。对于淹没或部分淹没的下部构件，迎水面与背水面间的水压力差呈倒梯形或倒三角形分布，故结构物顶面在水面以下时，合力作用点位于顶面以下1/3高度处；结构物顶面在水面以上时，合力作用点位于水面以下1/3水深处。

不同规范对水流阻力系数Cw有不同的规定取值，《海上固定平台入级与建造规范》指出对圆形构件可取Cw=0.6～1.0[15]；《港口工程荷载规范》（JTS 144—1—2010）规定对圆形墩柱构件，取Cw=0.73，同时应根据以下规定予以修正[14]：

（1）遮流影响系数。当计算作用于沿水流方向排列的墩、柱构件上的水流力时应将各构件的水流阻力系数Cw乘以相应的遮流影响系数m1。遮流影响系数m1可按表5-22选用。

表5-22　遮流影响系数m1

（2）淹没深度影响系数。需要考虑构件淹没深度对水流力的影响时，应根据构件淹没深度将水流阻力系数Cw乘以相应的淹没深度影响系数n1，n1可按表5-23选用。

表5-23　淹没深度影响系数n1(www.xing528.com)

（3）水深影响系数。当需要考虑水深对水流力的影响时，应根据构件水深将水流阻力系数Cw乘以相应的水深影响系数n2，n2可按表5-24选用。

表5-24　墩柱相对水深影响系数n2

注：D为墩柱迎水面宽度。

2.流速剖面竖向修正

当海面上出现波浪时，由于波浪的波动使得海面不再为一平面，而是呈现波动起伏变化状态，波峰与波谷交替出现。相对于静水面位置下的海流分布模式，当处于波面起伏状态时，应对无波浪时的流速垂向分布进行修正，以使瞬时波面处的流速保持不变。当波面高于平均水位时应进行拉伸修正，当波面低于平均水位时应进行压缩修正。

对于如图5-9所示的坐标系，整体坐标系的零点位于平均水面处，并定义向上为正，同时以变量x表示波面相对于静水位的高差，水深为h，风生流的参照水深为h0，当波面位置处于x时，对应的风生流参照水深变为超过此深度则不进行修正，小于此深度则基于线性方式进行修正[15]。

当z≥时，此范围内流速修正为

图5-9　流速剖面修正坐标系[15]

式中 V——设计海流流速；

Vt——潮流流速；

Vs——风暴涌流速；

Vw——风生流流速；

h0——风生流的参考水深，DNV标准中取h0=50m，IEC标准中取h0=20m；

z——水质点相对于静水面的位置。