陳 兵, 胡 濤, 蘇 宗 周

( 1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部 港口與近海工程研究所, 遼寧 大連 116024；2.佛羅里達(dá)大西洋大學(xué) 海洋與機(jī)械工程學(xué)院, 美國(guó) 佛羅里達(dá) 33431 )

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圓柱基礎(chǔ)擾流環(huán)沖刷防護(hù)實(shí)驗(yàn)研究

陳 兵*1, 胡 濤1, 蘇 宗 周2

( 1.大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部 港口與近海工程研究所, 遼寧 大連 116024；2.佛羅里達(dá)大西洋大學(xué) 海洋與機(jī)械工程學(xué)院, 美國(guó) 佛羅里達(dá) 33431 )

馬蹄渦對(duì)圓柱基礎(chǔ)局部沖刷有重要影響．通過模型實(shí)驗(yàn),研究了利用擾流環(huán)影響馬蹄渦的發(fā)展,從而減弱局部沖刷的效果．實(shí)驗(yàn)中,擾流環(huán)安放在圓柱底部距離沙面不同位置處．實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果表明:在均勻來(lái)流作用下,擾流環(huán)能不同程度地抑制馬蹄渦,減小立柱基礎(chǔ)的局部沖刷,效果最佳時(shí)泥沙沖刷量能減小40%．這種新的沖刷防護(hù)措施簡(jiǎn)單、實(shí)用、適應(yīng)性強(qiáng),為樁柱基礎(chǔ)的沖刷防護(hù)提供了有用的參考依據(jù)．

局部沖刷；馬蹄渦；圓柱基礎(chǔ)；擾流環(huán)；沖刷防護(hù)

0 引 言

樁柱是港口工程和海洋工程中常見的構(gòu)件,廣泛用于高樁碼頭、海洋平臺(tái)等建筑結(jié)構(gòu)．樁柱基礎(chǔ)在海流作用下產(chǎn)生局部沖刷,從而減小了樁柱的入土深度,降低了樁的承載力,影響了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,工程中必須正視這個(gè)問題并采取相應(yīng)的措施．馬蹄渦對(duì)樁柱基礎(chǔ)前的局部沖刷有重要影響[1],研究馬蹄渦及削弱它的方法具有重要工程意義．

減小馬蹄渦對(duì)樁柱基礎(chǔ)局部沖刷影響的本質(zhì)是通過改變局部流動(dòng)來(lái)控制流體動(dòng)力的作用,以達(dá)到防護(hù)樁柱基礎(chǔ)局部沖刷的目的．為控制樁柱前的水流擾動(dòng),人們采用了許多方法．

Chiew[2]提出開縫防沖刷的保護(hù)方法,樁柱上開縫使得下沖水流轉(zhuǎn)向離開沙床或減小下沖水流對(duì)沙床的沖擊,開縫的寬度、長(zhǎng)度和位置是其非常重要的參數(shù)．例如開縫的位置有靠近沙床和靠近水面兩種,這兩種位置的開縫造成的水流特性有所不同．當(dāng)然,若水流中有碎石,就會(huì)導(dǎo)致開的縫被碎石部分阻塞甚至全部阻塞,而降低其防護(hù)的效率．Singh等[3]指出可以把馬蹄渦遏制在形成階段,采取填補(bǔ)板或者在墩外圍加套筒的方法,此方法的原理也是改變樁柱前的水流,改變下沖水流流向或削弱下沖水流對(duì)泥沙床面的沖擊．Wang等[4]針對(duì)橋墩的沖刷防護(hù)問題,提出一種環(huán)形塔器裝置,放在橋墩來(lái)流方向前面的一段距離處擾流以防沖刷,這種方法效果顯著,但是適應(yīng)性不強(qiáng),水流流向稍微改變,效率就會(huì)明顯降低．Tang等[5]在研究橋墩沖刷防護(hù)時(shí)提出四面體框架方法．Dey等[6]研究了分流板和纜線纏繞方法防沖刷．這些方法的基本原理都是使用不同的措施削弱樁柱前的馬蹄渦,達(dá)到對(duì)樁柱基礎(chǔ)的沖刷防護(hù)效果．

本文根據(jù)這些措施的思路及實(shí)際問題,提出一種新型的沖刷防護(hù)裝置,嘗試?yán)脭_流環(huán)來(lái)抑制馬蹄渦,并在均勻來(lái)流作用下進(jìn)行物理模型實(shí)驗(yàn),研究此方法的可行性,并對(duì)此法進(jìn)行初步研究．

1 物理模型實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)研究水槽中圓柱周圍的局部沖刷防護(hù),沖刷實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng),為節(jié)省時(shí)間盡快得到結(jié)果,查看有、無(wú)擾流環(huán)情況下立柱前后起動(dòng)渦的狀態(tài)及沖刷效果,18 min組次實(shí)驗(yàn)并沒有達(dá)到?jīng)_刷平衡,目的是研究各種擾流環(huán)在沖刷中間狀態(tài)達(dá)到的防護(hù)效果,更重要的是選擇最佳防護(hù)效果時(shí)擾流環(huán)的位置參數(shù),進(jìn)而選擇防護(hù)效果最佳的工況參數(shù)有針對(duì)性地進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間沖刷實(shí)驗(yàn),沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)后,進(jìn)一步研究此擾流環(huán)裝置的沖刷防護(hù)效果．

實(shí)驗(yàn)采取單向均勻流作用模擬樁柱基礎(chǔ)沖刷,圓立柱模型采用表面光滑的有機(jī)玻璃,立柱直徑80 mm,實(shí)驗(yàn)使用的擾流環(huán)有兩種:圓截面擾流環(huán)的截面為圓形,環(huán)內(nèi)徑140 mm,外徑160 mm；扁截面擾流環(huán)的截面是扁的,環(huán)內(nèi)徑140 mm,外徑160 mm,圖1所示為扁截面擾流環(huán)的截面形狀及實(shí)驗(yàn)中所使用的兩種形式,外形為圓形和方形．

實(shí)驗(yàn)在大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院港工實(shí)驗(yàn)室的波浪水流實(shí)驗(yàn)水槽中進(jìn)行．實(shí)驗(yàn)水槽的主要尺寸:長(zhǎng)47 m、寬1 m、深1.3 m．在實(shí)驗(yàn)水槽中段設(shè)有1.5 m長(zhǎng)、1.0 m寬的實(shí)驗(yàn)段,模型區(qū)是深度為0.30 m的沙盤,盤內(nèi)填滿實(shí)驗(yàn)用沙,實(shí)驗(yàn)用沙的中值粒徑d50=0.32 mm．實(shí)驗(yàn)段中央埋置用有機(jī)玻璃制作的直立圓柱體,立柱大概位于水槽寬度方向中央位置,圓柱體底端設(shè)有支座,使得圓柱體在水流作用下不致發(fā)生移動(dòng)和搖晃．實(shí)驗(yàn)段及圓柱體的布置如圖1所示．實(shí)驗(yàn)中主要的測(cè)量和控制項(xiàng)目有流速、沖淤地形、沖深監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大沖刷深度、擾流環(huán)的形狀和安放位置．測(cè)量流速采用的是LGY-Ⅱ型智能流速儀,實(shí)驗(yàn)中要求流速控制在預(yù)定要求值,而且在模型區(qū)域內(nèi)無(wú)建筑物模型時(shí)的橫斷面上均勻分布,流速取的是平均流速,實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)．沖淤地形用日本生產(chǎn)的淤厚儀測(cè)量,某點(diǎn)的地形沖淤值是實(shí)驗(yàn)開始前該測(cè)點(diǎn)的高程讀數(shù)與測(cè)定時(shí)該點(diǎn)的高程讀數(shù)之差．

圖1 實(shí)驗(yàn)布置及擾流環(huán)截面示意圖

為測(cè)量立柱周圍沖刷前后的地形,布置了幾套測(cè)點(diǎn):

(1)如圖2所示,測(cè)區(qū)范圍800 mm×600 mm；沖刷范圍邊沿部分基本測(cè)點(diǎn)間距為50 mm,其他部分測(cè)點(diǎn)加密1倍,測(cè)點(diǎn)間距為25 mm,共計(jì)588個(gè)地形測(cè)點(diǎn)．

(2)為了觀察沖刷發(fā)展過程,在立柱周圍設(shè)置了4個(gè)沖深監(jiān)測(cè)點(diǎn),如圖2所示．在施加流的過程中每隔20 min測(cè)量一次,計(jì)算沖淤值,得到4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沖刷深度隨時(shí)間的歷程曲線．

(3)每個(gè)組次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,水放干,確定最大沖深點(diǎn)并用鋼尺測(cè)量最大沖深值及沖坑范圍．

根據(jù)上面測(cè)得的離散點(diǎn)數(shù)據(jù),計(jì)算出每組次實(shí)驗(yàn)立柱周圍的泥沙沖刷量,作為重要的比較指標(biāo)．

圖2 地形測(cè)點(diǎn)分布圖及最大沖深監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

Fig.2 Distribution of inspection points for topography and positions of inspection points for maximum scour depth

正式實(shí)驗(yàn)開始時(shí),首先安放模型,將泥沙整平,然后加水至指定深度,用淤厚儀測(cè)量原始床面的標(biāo)高,按實(shí)驗(yàn)要求造流,當(dāng)沖刷達(dá)到時(shí)間要求實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),再次用淤厚儀測(cè)量床面的標(biāo)高．長(zhǎng)時(shí)間沖刷實(shí)驗(yàn)過程中,為了監(jiān)測(cè)沖刷發(fā)展過程,還要求每隔20 min測(cè)量特征點(diǎn)的床面高程．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 18 min實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)分3個(gè)大組次,基本參數(shù)如表1所示,主要研究?jī)煞N不同截面擾流環(huán)的沖刷防護(hù)效果,以及防護(hù)效果最佳時(shí)環(huán)的安裝位置參數(shù)．

表1 18 min實(shí)驗(yàn)組次及基本參數(shù)

表2是圓截面擾流環(huán)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以看出,1-2組泥沙沖刷量比1-1組大,表明圓截面擾流環(huán)沒有防護(hù)效果,而且造成泥沙沖刷量反而比立柱沒有防護(hù)時(shí)更大．這是由于圓截面擾流環(huán)的圓形截面導(dǎo)致水質(zhì)點(diǎn)的擾動(dòng)更加強(qiáng)烈,不能起到削弱馬蹄渦的作用．

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示扁截面擾流環(huán)具有明顯的沖刷防護(hù)效果,因而將各組次實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的立柱(直徑為D)周圍沖坑范圍內(nèi)的沖刷量繪制成圖加以比較．從圖3可以看出,安置扁截面擾流環(huán),與沒有任何防護(hù)措施的單一立柱沖刷相比,立柱周圍沖坑的泥沙沖刷量都不同程度減小,實(shí)驗(yàn)中的實(shí)測(cè)結(jié)果也表明安置扁截面擾流環(huán)組次的沖深監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沖刷深度基本都有減小的趨勢(shì),沖坑范圍基本有變小趨勢(shì)．與表2圓截面擾流環(huán)組次實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,表明擾流環(huán)的截面形狀對(duì)沖刷防護(hù)的效果影響顯著,原因如下:圓截面擾流環(huán)的圓形截面增大了馬蹄渦的波動(dòng)；扁截面擾流環(huán)扁截面的翼形抑制了馬蹄渦運(yùn)動(dòng),吸引了馬蹄渦繞環(huán)運(yùn)動(dòng),削弱了馬蹄渦的分離、生長(zhǎng),進(jìn)而減小了下沖水流對(duì)立柱基礎(chǔ)沙床的沖擊,從而減小了對(duì)立柱基礎(chǔ)的沖刷．翼形截面吸引馬蹄渦的原理可以參考Su等[7]的研究成果,這種抑制馬蹄渦的控制方法靈活實(shí)用,對(duì)樁柱基礎(chǔ)沖刷防護(hù)的研究有重要啟示．

表2 18 min圓截面擾流環(huán)的效果

圖3 18 min各組次沖刷量隨環(huán)距離床面高度變化關(guān)系

Fig.3 The relationship between the erosion mass quantity and mounting height of ring in 18 min model test

進(jìn)一步分析圖3的數(shù)據(jù)可以看出,擾流環(huán)的安放位置不同,沖刷防護(hù)的效果也不同:環(huán)離沙床面距離e為柱徑1.5倍左右時(shí),對(duì)沖刷防護(hù)效果很弱,由渦融合原理[8]可知,這是因?yàn)閿_流環(huán)離床面過高,已經(jīng)遠(yuǎn)離了馬蹄渦運(yùn)動(dòng)的渦核位置,對(duì)馬蹄渦起不到很強(qiáng)的抑制作用．當(dāng)擾流環(huán)離沙面距離是柱徑的0～0.75倍時(shí),防護(hù)效果相對(duì)比較好．?dāng)_流環(huán)安放位置高度e是柱徑的0.375倍時(shí),其沖刷形態(tài)圖見圖4(b)、4(c),由圖明顯可以看出與單一立柱的沖刷形態(tài)圖4(a)相比,沖刷深度明顯減小,沖坑的范圍也減小,由圖3知沖刷量也明顯減少,比同等條件下無(wú)任何防護(hù)措施的立柱的沖刷量分別能減少70%、40%．

(a) 1-3組

(b) 2-4組

(c) 3-4組

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明扁截面擾流環(huán)窄口朝上時(shí)防護(hù)效果較好,原因可能是在這個(gè)固定位置,窄口向上時(shí),環(huán)的截面更容易抑制馬蹄渦,從而沖刷防護(hù)效果更好一些．從圖3可以看出,這兩種安裝方式的防護(hù)效果有一定差別,但總體都比單一立柱的沖刷程度?。?/p>

18 min沖刷并沒達(dá)到平衡,擾流環(huán)與立柱同心固定在立柱靠近沙床的位置上,通過沿立柱上下移動(dòng)擾流環(huán)的位置,分別進(jìn)行不同組次的實(shí)驗(yàn),并與同等條件下沒有任何防護(hù)措施的立柱實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,觀察分析了立柱周圍的沖刷情況,以此確定扁截面擾流環(huán)對(duì)立柱局部沖刷防護(hù)有效果,扁截面擾流環(huán)改變了柱前的流態(tài),達(dá)到了減小沖刷的效果．

2.2 長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)

由18 min實(shí)驗(yàn)可知扁截面擾流環(huán)有沖刷防護(hù)效果,擾流環(huán)距沙面位置e與柱徑比值在0～0.75、環(huán)窄口朝上安裝時(shí)效果較好,針對(duì)這些結(jié)論選取參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間沖刷實(shí)驗(yàn):扁截面擾流環(huán)的窄口朝上安裝,實(shí)驗(yàn)組次設(shè)計(jì)及其參數(shù)見表3,每組實(shí)驗(yàn)都達(dá)到?jīng)_刷平衡,為增加擾流環(huán)的抑制馬蹄渦效果,選取的扁截面擾流環(huán)外形為方形,具體尺寸和截面見圖1右下．

表3 實(shí)驗(yàn)組次及基本參數(shù)

由表3中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,在不同流速下,擾流環(huán)都能起到減小沖刷的作用,裝有擾流環(huán)的實(shí)驗(yàn)組次監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大沖深有不同程度減小,沖刷量也有減小,并且沖刷防護(hù)效果最佳時(shí)能減少40%的沖刷量．

通過對(duì)圖5與6,圖7與8的沖刷地形和沖深監(jiān)測(cè)點(diǎn)沖深歷時(shí)曲線進(jìn)行分析,可以得到1-1組與1-3組、2-1組與2-3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比．在水深、流速相同條件下,帶擾流環(huán)的組次達(dá)到平衡時(shí)間短,沖刷穩(wěn)定時(shí)間短,最大沖深減小,沖刷坑范圍減小,沖刷量也降低．這是因?yàn)閿_流環(huán)使得馬蹄渦運(yùn)動(dòng)變?nèi)?、柱前下沖水流沖擊作用減小,直接起到?jīng)_刷防護(hù)的作用．在沖刷開始短時(shí)間內(nèi)擾流環(huán)加速了沖刷達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),從圖5、6來(lái)看,相同條件下,單一立柱沖刷平衡時(shí)間明顯長(zhǎng)于帶擾流環(huán)的立柱,原因可能是在擾流環(huán)作用下,只是總體降低了沖向沙床的水流速度,保持在穩(wěn)定大小狀態(tài),但是開始階段的速度并不比單一立柱開始階段速度低．

(a) 沖刷地形

(b) 沖刷深度

Fig.5 Scour pattern in equilibrium and scour depth at scour depth monitoring points versus time curves (Test 1-1, 14 cm/s, single column)

(a) 沖刷地形

(b) 沖刷深度

Fig.6 Scour pattern and scour depth at scour depth monitoring points versus time curves (Test 1-3, 14 cm/s,e/D=0.375)

(a) 沖刷地形

(b) 沖刷深度

Fig.7 Scour pattern in equilibrium and scour depth at scour depth monitoring points versus time curves (Test 2-1, 20 cm/s, single column)

由表3可知,在有擾流環(huán)的立柱沖刷達(dá)到平衡時(shí),擾流環(huán)距沙面的距離與柱徑比值為0.250和0.375時(shí),防護(hù)效果均較好,這是因?yàn)榇朔秶侵榜R蹄渦的運(yùn)動(dòng)范圍[10],擾流環(huán)在此范圍內(nèi)才能抑制削弱馬蹄渦的運(yùn)動(dòng),故當(dāng)柱徑比選為0.250、0.375時(shí),防護(hù)效果很明顯,由18 min實(shí)驗(yàn)也可看出,當(dāng)柱徑比超出一定范圍,對(duì)立柱基礎(chǔ)沖刷防護(hù)的效果明顯降低．

(a) 沖刷地形

(b) 沖刷深度

圖8 平衡狀態(tài)沖刷地形及沖深監(jiān)測(cè)點(diǎn)沖刷深度歷時(shí)曲線(2-3組,流速20 cm/s,e/D=0.375)

Fig.8 Scour pattern in equilibrium and scour depth at scour depth monitoring points versus time curves (Test 2-3, 20 cm/s,e/D=0.375)

當(dāng)擾流環(huán)與沙面距離e是柱徑的0.250、0.375 倍時(shí),從18 min時(shí)的防護(hù)效果來(lái)看,是有一些差距的,從達(dá)到?jīng)_刷平衡狀態(tài)的最后結(jié)果來(lái)看,防護(hù)效果差別不大,這實(shí)際反映了擾流環(huán)在沖刷開始階段對(duì)沖刷速度的影響,總體來(lái)看,在達(dá)到?jīng)_刷平衡的整個(gè)沖刷狀態(tài)下擾流環(huán)對(duì)柱基礎(chǔ)的沖刷起到的是防護(hù)作用．

不同流速下,沖深監(jiān)測(cè)點(diǎn)4沖刷深度歷時(shí)曲線的走勢(shì)差異很明顯,圖5、6中顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)4處地形先淤積后沖刷,圖7、8中顯示一直處于沖刷狀態(tài),這是因?yàn)榱魉贋?4 cm/s時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)4開始處于淤積區(qū),隨著沖刷的發(fā)展,沖坑逐漸變大,監(jiān)測(cè)點(diǎn)4變?yōu)闆_刷區(qū)；當(dāng)流速增大至20 cm/s時(shí),開始沖刷狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)就處于沖刷區(qū)．

本次實(shí)驗(yàn)研究樁柱基礎(chǔ)的沖刷防護(hù),關(guān)注的是擾流環(huán)的防護(hù)效果,所以對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中樁柱基礎(chǔ)的局部沖刷的發(fā)展過程及沖刷形態(tài)不再贅述,詳細(xì)見文獻(xiàn)[10]．

3 結(jié) 論

(1)設(shè)置擾流環(huán)后,無(wú)論是沖刷未達(dá)到平衡狀態(tài)還是沖刷達(dá)到平衡狀態(tài),在一定范圍內(nèi)擾流環(huán)可以有效減小立柱局部沖刷沖坑深度、范圍與泥沙沖刷量．

(2)在本次實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),扁截面擾流環(huán)窄口朝上時(shí)防沖刷效果較好,通過調(diào)整擾流環(huán)與沙面距離,實(shí)驗(yàn)中沖刷防護(hù)效果最佳時(shí)能減小40%的沖刷量．

(3)本文提出的擾流環(huán)防沖刷方法適用于各個(gè)方向的來(lái)流,也不改變樁柱本身的結(jié)構(gòu),擾流環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造和安裝成本低,有著廣泛的應(yīng)用前景．

本文實(shí)驗(yàn)研究單向流作用下圓柱基礎(chǔ)的沖刷,鑒于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有限及實(shí)驗(yàn)本身的探索性質(zhì),還不能定量地給出最佳防護(hù)效果下擾流環(huán)尺寸與柱徑的關(guān)系式．進(jìn)一步地,還應(yīng)考慮擾流環(huán)在波流共存狀態(tài)、水深等因素變化下的圓柱、方柱、橢圓截面立柱等樁柱基礎(chǔ)的沖刷防護(hù)效果,更復(fù)雜的研究工作,作者將在下一步研究中完成．

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Researchonscourprotectionaroundpilefoundationwithcontrollingring

CHEN Bing*1, HU Tao1, Su Tsung-chow2

( 1.Institute of Habor and Offshore Engineering, Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China；2.Department of Ocean & Mechanical Engineering, Florida Atlantic University, Florida, 33431, the United States of America )

Horseshoe vortex plays an important role in the problem of local scour around the foundation of a pile. A controlling ring is attached to the lower part of a circular pile to weaken the horseshoe vortex so as to reduce the local scour around the pile. The effects of the controlling ring are investigated through laboratory experiments. Uniform flow is used in experiments and the controlling ring′s vertical positions are varied to adjust its distance from the sea bed. The experimental data show that the controlling ring can weaken the horseshoe vortex, and reduce the seabed material removal up to 40%. This scour protection measure is simple and practicable, and is adaptable to uncertain flow direction, and can provide valid reference for scour protection of pile foundation.

local scour; horseshoe vortex; pile foundation; controlling ring; scour protection

1000-8608(2014)01-0071-07

2012-12-09；

: 2013-09-25．

陳 兵*(1970-),男,博士,副教授,E-mail:chenbing@dlut.edu.cn.

U169.65

：A

10.7511/dllgxb201401012