殷啟帥 龍洋 馬永奇 薛倩玲 楊進(jìn) 李俐

摘要：為了評(píng)估自升式平臺(tái)插樁后樁靴周圍土體受波流-海流作用局部沖刷的安全性，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)通過數(shù)值模擬建立波流作用下的樁靴周圍土體局部沖刷的三維有限元數(shù)值模型，通過求解Navier-Stokes方程，準(zhǔn)確模擬樁靴周圍流場(chǎng)變化情況；基于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)場(chǎng)址參數(shù)和實(shí)際海況條件下建立適用于自升式平臺(tái)樁靴周圍土體局部沖刷的工程分析方法，將數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；討論自升式平臺(tái)在不同入泥深度和作業(yè)周期下樁靴周圍土體局部沖刷問題。結(jié)果表明：波流共同作用下自升式平臺(tái)樁靴入泥深度對(duì)樁靴周圍土體局部沖刷深度具有較大影響，當(dāng)樁靴入泥深度越小時(shí)，樁靴周圍越容易發(fā)生局部沖刷；基于樁靴不同入泥深度工況針對(duì)性地制定沖刷防護(hù)措施，降低樁靴周圍土體局部沖刷深度，有效降低工程作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬； 自升式平臺(tái)； 插樁； 沖刷機(jī)制

中圖分類號(hào)：TE 22?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-5005（2024）03-0154-08?? doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2024.03.017

Scouring mechanism and numerical simulation of seabed soil around jack-up rig spudcans

YIN Qishuai1，2， LONG Yang1， MA Yongqi3， XUE Qianling1， YANG Jin1， LI Li1，2

（1.College of Safety and Ocean Engineering， China University of Petroleum（Beijing）， Beijing 102249， China;2.Key Laboratory of Oil and Gas Safety and Emergency Technology， Ministry of Emergency Management， Beijing 102249， China;3.School of Marine Science and Engineering， Hainan University， Haikou 570228， China）

Abstract：In order to evaluate the safety after pile penetration related to the soil around the jack-up rig locally scoured by wave flow， a three-dimensional finite element model for local scour was developed utilizing numerical simulations based on the computational fluid dynamics. The flow field variations around the spudcans were accurately simulated by solving the Navier-Stokes equations. Based on actual geological site parameters and sea conditions， an engineering analysis method applicable to the local scour problem of the soil around the spudcans was developed. The numerical results were compared with the experimental results. The local scouring effects on soil around the spudcans of the jack-up rig were discussed at different penetration depths and operational cycles. The results show that the penetration depth of the jack-up rig spudcans under the joint action of wave current and sea current has a significant effect on the local scour depth of the soil around the spudcans. Shallower penetration depth makes the spudcans more susceptible to local scour. Targeted scour protection measures were developed to reduce the local scour depth around the spudcans according to varying penetration conditions， which can effectively reduce the operational risks.

Keywords：numerical simulation; jack-up rig; spudcan penetration; scouring mechanism

自升式平臺(tái)憑借造價(jià)低、移動(dòng)性強(qiáng)和工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，成為海洋油氣勘探開發(fā)最重要的鉆完井裝備，是目前全世界應(yīng)用最廣泛的移動(dòng)式平臺(tái)［1］。為保證自升式平臺(tái)具有足夠的承載力，就位過程需要通過壓載將樁腿插進(jìn)海床中（簡(jiǎn)稱“插樁”），樁腿最下部的樁靴是提供平臺(tái)安全承載力的重要設(shè)備［2］。自升式平臺(tái)樁靴在海床上會(huì)時(shí)刻受到海流載荷作用，造成樁靴周圍土體局部沖刷，使其承載力下降，進(jìn)而影響平臺(tái)安全。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)圓柱樁靴周圍土體局部沖刷問題進(jìn)行了大量研究，主要集中在跨海大橋橋墩、海上風(fēng)機(jī)樁基的局部沖刷［3-6］，Zhao等［7］通過將雷諾平均NS方程（RANS）與砂床形態(tài)模型相結(jié)合，研究了僅受海流影響的水下垂直圓筒周圍的局部沖刷問題。Nielsen等［8］采用k-ω湍流模型，用FLOW-3D軟件模擬湍流流場(chǎng)。對(duì)比模型測(cè)試和數(shù)值模擬的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)流體速度分布、剪應(yīng)力分布和刮擦保護(hù)層的沉降是一致的。黎蔚杰等［9］通過數(shù)值模擬研究了孤立波和海流共同作用下單樁靴周圍土體局部沖刷，考慮了泥土夾帶、懸移質(zhì)輸運(yùn)和沉積的泥土沖刷機(jī)制。對(duì)圓柱形樁靴研究較多，但鮮有報(bào)道自升式平臺(tái)樁靴周圍土體局部沖刷等相關(guān)研究，自升式平臺(tái)圓形樁靴為陀螺形，其局部沖刷特性與圓柱形樁基有很大差異。筆者采用數(shù)值模擬方法建立樁靴-海床-波流的實(shí)海全尺寸三維數(shù)值模型；基于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)和實(shí)海條件研究5種不同樁靴入泥深度和16種不同沖刷時(shí)間共80種工況的樁靴周圍土體局部沖刷，揭示自升式平臺(tái)樁靴周圍土體沖刷演化機(jī)制，提出沖刷防控措施。

1 數(shù)值方法

數(shù)值模擬是一種通過數(shù)值計(jì)算來模擬物理過程的方法，由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本高，不可控因素多等，數(shù)值模擬憑借成本低、研究周期短、可重復(fù)等眾多優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用到海洋結(jié)構(gòu)物周圍土體沖刷問題［4］。本文中主要應(yīng)用FLOW-3D軟件對(duì)自升式平臺(tái)樁靴周圍土體沖刷進(jìn)行數(shù)值模擬。該軟件求解樁靴周圍土體沖刷時(shí)主要運(yùn)用的理論模型為流動(dòng)控制方程、湍流模型和泥土輸運(yùn)模型。其中Navier-Stokes（N-S）方程和湍流模型用于模擬流場(chǎng)，揭示局部沖刷機(jī)制。泥土輸運(yùn)模型是結(jié)合前兩種模型對(duì)樁靴周圍土體顆粒的夾帶和輸運(yùn)進(jìn)行精細(xì)化描述。

1.1 理論模型

1.1.1 流動(dòng)控制方程

流體運(yùn)動(dòng)的N-S方程作為自升式平臺(tái)樁靴周圍不可壓縮的黏性流體運(yùn)動(dòng)的控制方程。流體速度矢量

u（u、v和w）在x、y和z三個(gè)坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)方程為

Δ·u=0.（1）

ut+1VFuAxux+vAyuy+wAzuz=-1ρpx+Gx+fx.（2）

vt+1VFuAxvx+vAyvy+wAzvz=-1ρpy+Gy+fy.（3）

wt+1VFuAxwx+vAywy+wAzwz=-1ρpw+Gw+fw.（4）

式中，u、v和w為在x、y和z三個(gè)方向的速度分量，m/s；p為平均水動(dòng)力壓力，Pa；Ai為流動(dòng)流體的面積分?jǐn)?shù)；Gi為體加速度（i=x， y， z），m/s2；fi為黏滯力加速度，m/s2；ρ為流體密度，kg/m3；VF為流動(dòng)流體的體積分?jǐn)?shù)。

1.1.2 湍流模型

采用具有動(dòng)態(tài)計(jì)算最大湍流混合長(zhǎng)度的RNG k-ε模型模擬泥砂沖刷，該模型具有以下優(yōu)點(diǎn)［10］：與需要非常精細(xì)網(wǎng)格的大渦模擬（LES）模型相比，RNG k-ε湍流模型具有更精確的強(qiáng)剪切區(qū)；并且需要更少的計(jì)算時(shí)間［7］，湍流表達(dá)式為

kTT+1VFuAxkTx+vAykTy+wAzkTz=PT+GT+DiffkT-εT.（5）

εTt+1VFuAxεTx+vAyεTy+wAzεTz=C1εTkT（PT+C3GT）+Diffε-C2ε2TkT .（6）

式中，t為時(shí)間，s；GT為由浮力產(chǎn)生的湍流能量，J；

εT為湍流能量耗散速率，m/s；PT為湍流速度梯度引起的動(dòng)能項(xiàng)，J；kT為與湍流速度有關(guān)的湍流動(dòng)能，J；

Diffε和DiffkT為擴(kuò)散項(xiàng)；

C1、C2和C3為無量綱參數(shù)， C1和C3默認(rèn)值分別為1.42和0.2，C2基于RNG k-ε模型下的kT和PT計(jì)算。

1.1.3 泥土輸運(yùn)模型

泥土輸運(yùn)主要通過顆粒的夾帶、輸運(yùn)和沉積模型預(yù)測(cè)平臺(tái)樁靴周圍土體沖刷的過程。泥土啟動(dòng)和沉積方程［9］分別為

ulif，i=αinsd0.3*（θi-θcr，i）1.5gdi（ρi-ρf）ρf .（7）

usettling，i=vfdi［（10.362+1.049d3*）0.5-10.36］.（8）

式中，αi為泥土顆粒啟動(dòng)系數(shù)，推薦取為0.018；d*為顆粒的無量綱直徑；g為重力加速度，m/s2；ns為垂直于泥土顆粒的法向量；θcr，i為臨界希爾茲數(shù)；θi為基于局部剪切應(yīng)力計(jì)算的局部希爾茲數(shù)；di為直徑，m；ρf為流體密度，kg/m3；ρi為沉積物種類i的密度，kg/m3；vf為流體運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。

對(duì)于推移質(zhì)輸移模型，目前使用的模型公式為

Φs=βs（θ-θcr）1.5Cb，s.（9）

式中，βs為推移質(zhì)系數(shù)，一般取8.0；Cb，s為沉積顆粒體積分?jǐn)?shù)；Φs為無量綱的推移質(zhì)輸移速率，該參數(shù)與體積的推移質(zhì)輸移速率qb，s有關(guān)。

qb，s=Φsgρi-ρfρfd3s0.5.（10）

式中，ds為顆粒直徑，m。

臨界希爾茲數(shù)θcr公式為

θcr=0.31+1.2d*，s+0.055［1-exp（-0.02d*，s）］.（11）

θ=τgds（ρi-ρf） .（12）

其中

d*，s=ρwρs-ρwg/μ2f.

式中，τ為海底無量綱剪應(yīng)力；μf為流體動(dòng)力黏度。

泥土懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)控制方程為

Cs，it+·（us，iCs，i）=·（DfCs，i）.（13）

式中，Df為擴(kuò)散率，m2/s；us，i為懸移質(zhì)顆粒運(yùn)輸速度，m/s；Cs，i為懸移質(zhì)顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2 邊界條件

數(shù)值模型的邊界條件如圖1所示，模型進(jìn)口邊界采用了兩步邊界條件。在入口邊界指定一個(gè)速度矢量，模型的頂部邊界被認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，對(duì)于底部邊界，采用墻的邊界條件。在模型的兩邊采用對(duì)稱邊界條件，流體可以沿著邊界自由滑動(dòng)，但不能穿透。出流邊界采用的是輻射邊界條件，以避免流動(dòng)的反射，克服物理尺寸的限制。樁靴表面被視為無滑移邊界，湍流特性由墻體邊界條件法估算出來。

1.3 模型應(yīng)用

基于實(shí)際海況條件使用凱旋號(hào)自升式平臺(tái)（大直徑樁靴，插樁入泥深度淺）作業(yè)實(shí)際開展針對(duì)性研究，評(píng)估凱旋號(hào)自升式平臺(tái)插樁就位后樁靴周圍土體長(zhǎng)時(shí)間受沖刷導(dǎo)致平臺(tái)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，并針對(duì)性提出防控措施，保障達(dá)到既定的地質(zhì)勘探目標(biāo)。凱旋號(hào)自升式鉆井平臺(tái)樁靴如圖2所示，樁靴高為9.65 m，樁靴體積為737 m3，樁尖高度（樁靴最大直徑橫截面下端與樁尖距離）為3.2 m，樁靴最大投影面積為198.91 m2。該平臺(tái)所處海域水深為40 m，海流速度為1.5 m/s，波浪高為2 m，海水密度為1 025 kg/m3。

基于實(shí)際海況和樁靴幾何尺寸建立了三維全尺寸樁靴局部沖刷模型。為了保證波浪出口處不會(huì)引起強(qiáng)烈的波浪反射而影響模擬結(jié)果，計(jì)算區(qū)域適當(dāng)加長(zhǎng)，消波帶增加。如圖3所示，數(shù)值模型尺寸為長(zhǎng)度300 m，寬度70 m，z方向高度為40 m。土質(zhì)建模深度為6.3 m，其中土質(zhì)深度為0～2.5 m，由0.5 mm和0.85 mm兩種不同粒徑的泥土顆粒組成泥土，其密度為1 805.51 kg/m3，彈性模量為300 kPa，泊松比為0.35，內(nèi)聚力為8 000 Pa，摩擦角為7°。土質(zhì)深度為2.5～6.3 m，為中密實(shí)的砂質(zhì)粉土，其密度為1 917.76 kg/m3，彈性模量為10 000 kPa，泊松比為0.25，內(nèi)聚力為8 kPa，摩擦角為20°。臨界希爾茲參數(shù)θcr，i為0.048，泥土顆粒啟動(dòng)系數(shù)αi為0.018，推移質(zhì)系數(shù)為8.0，泥土的休止角為30°。樁靴附近網(wǎng)格尺寸在x和y方向?yàn)?.2 m，其他區(qū)域?yàn)?.5 m，海床的網(wǎng)格尺寸為0.5 m。

1.4 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模型的正確性，對(duì)單圓柱樁周圍沖刷進(jìn)行模擬。根據(jù)Khosronejad等［11］發(fā)表的試驗(yàn)參數(shù)建立了數(shù)值模型，其中圓柱直徑為16.51 cm，來流流速為0.25 m/s，砂床厚度為0.2 m，顆粒粒徑為0.85 mm。圖4為圓柱沖刷深度隨時(shí)間變化與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。從圖4中可以看出，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)擬合較好，驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性與準(zhǔn)確性。

2 數(shù)值結(jié)果

在特定的海況條件、淺層土質(zhì)情況和自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)下，自升式平臺(tái)入泥深度和沖刷時(shí)間（作業(yè)周期）是自升式平臺(tái)樁靴周圍土體沖刷的兩大主控因素。當(dāng)自升式鉆井平臺(tái)進(jìn)行探井作業(yè)時(shí)，高難度井平均作業(yè)周期約為45 d。

對(duì)自升式平臺(tái)樁靴全作業(yè)周期局部沖刷進(jìn)行了數(shù)值模擬，選取作業(yè)周期45 d、每間隔3 d開展一種工況模擬，探究樁靴局部沖刷特性與沖刷時(shí)間的關(guān)系。同時(shí)對(duì)比了樁靴最大直徑橫截面在泥線以上（圖5中入泥深度2、2.5和3 m工況）和樁靴最大直徑橫截面在泥線以下（圖5中入泥深度3.5和4 m），共開展了16種不同沖刷時(shí)間（0、3、6、9、12、15、18、21、24、27、30、33、36、39、42、 45 d）和5種不同樁靴入泥深度，合計(jì)80種工況下的數(shù)值模擬。

2.1 沖刷機(jī)制

自升式平臺(tái)樁靴周圍土體沖刷主要由馬蹄渦、流線收縮和尾渦共同作用下引起的。自升式平臺(tái)樁靴形狀為陀螺形，其圓錐形切面會(huì)對(duì)海流方向有顯著影響，導(dǎo)致樁靴周圍土體沖刷發(fā)生劇烈變化（圖6）：①在樁靴前形成馬蹄形渦流；②樁靴后的渦流脫落；③樁靴兩側(cè)的流線收縮；④在樁靴的下游更遠(yuǎn)處的出流口形成反旋轉(zhuǎn)渦流；⑤陀螺形樁靴形成的上升和下降水流。這些因素導(dǎo)致局部泥土輸送能力增加，并會(huì)造成樁靴周圍土體局部沖刷，這將嚴(yán)重影響自升式平臺(tái)的穩(wěn)定性和安全性。

圖7為不同樁靴入泥深度下樁靴周圍土體沖刷流線圖，如圖7（a）、（b）所示，樁靴最大直徑橫截面位于泥線以上，可以看出，迎流方向海流沿under different penetration depths著樁靴下部形成下降水流，在樁靴兩側(cè)形成流線沖刷，此時(shí)局部沖刷主要由下降水流和流線收縮造成。沿著上圓錐形成上升流后在樁靴背流面形成漩渦，從而造成樁靴背流面泥土堆積。圖7（c）所示為樁靴最大直徑橫截面位于泥線附近，在迎流方向樁靴下降水流逐漸消失，而在樁靴兩側(cè)形成流線沖刷，此時(shí)沖刷最嚴(yán)重的位置位于樁靴兩側(cè)。圖7（d）、（e）所示為樁靴最大直徑橫截面位于泥線以下，樁靴在迎流方向形成上升水流和兩側(cè)形成流線收縮。此時(shí)局部沖刷主要由流線收縮造成，沖刷攜帶的土體主要在樁靴背流面方向堆積。陀螺型樁靴對(duì)海流流線影響較大，隨著樁靴入泥深度越深，海流對(duì)樁靴周圍土體局部沖刷影響越小。

2.2 主控因素敏感性分析

圖8為不同樁靴入泥深度時(shí)樁靴周圍的三維沖刷形態(tài)。由圖8（a）可看出，沖刷形態(tài)沿海流方向軸對(duì)稱分布，深坑主要分布在樁靴四角，與x軸約呈45°。

隨著作業(yè)周期（沖刷時(shí)間）延長(zhǎng)，海床逐漸開始沖刷，樁靴前方來流方向沖刷最為嚴(yán)重（圖中綠色區(qū)域），而在樁靴后方，樁靴附加的泥土進(jìn)一步堆積在下游方向移動(dòng)（圖中背流向紅色區(qū)域）。當(dāng)樁靴沖刷45 d時(shí)，樁靴局部沖刷最大影響面積是樁靴橫截面面積的36%。此時(shí)樁靴的承載力會(huì)大幅減少，嚴(yán)重威脅平臺(tái)作業(yè)安全。

由圖8（b）可看出，樁靴局部沖刷沿樁靴呈對(duì)稱分布。沖刷前期樁靴周圍沖刷深度急劇增大，當(dāng)沖刷天數(shù)為9 d時(shí)，沖刷逐漸減緩。這主要是因?yàn)楹Ａ鳑_刷至一定深度，隨著深度增加，泥土很難從砂坑中再次被攜帶，從而導(dǎo)致沖刷深度增速減緩。當(dāng)樁靴沖刷45 d時(shí)，樁靴局部沖刷最大影響面積是樁靴橫截面面積的30%。隨著樁靴入泥加深，其局部沖刷影響面積明顯減少。

由圖8（c）可看出，該工況樁靴最大直徑橫截面處位于泥線附近，樁靴下部陀螺形幾乎全部處于泥線以下，樁靴局部沖刷相比淺入泥的工況明顯減弱。沖刷形態(tài)沿海流方向軸對(duì)稱分布，深坑主要分布在樁靴兩側(cè)。隨著沖刷時(shí)間增加，樁靴兩測(cè)的深坑演化成對(duì)稱分布的4個(gè)砂坑。當(dāng)沖刷時(shí)間超過24 d時(shí)，樁靴局部沖刷的形狀基本保持不變。隨著沖刷時(shí)間增加，樁靴局部沖刷最大影響面積是樁靴橫截面面積的10%。該樁靴入泥工況下，其局部沖刷區(qū)域面積最小，這主要是因?yàn)楹Ａ髁鹘?jīng)樁靴上部時(shí)會(huì)產(chǎn)生上升水流，減緩了沖刷強(qiáng)度。

由圖8（d）可看出，該工況下樁靴下部陀螺形全部插入泥土中，樁靴上部的倒陀螺形部分插入泥土中，樁靴局部沖刷沿樁靴呈對(duì)稱分布。沖刷前期樁靴周圍沖刷深度急劇增大，當(dāng)沖刷36 d時(shí)，樁靴局部沖刷的形狀基本保持不變，樁靴局部沖刷最大影響面積是樁靴橫截面面積的22%。

由圖8（e）可看出，沖刷形態(tài)沿海流流線方向軸對(duì)稱分布，

與樁靴淺入泥工況時(shí)有所不同，沖刷坑主要分布在樁靴左兩側(cè)。主要是因?yàn)闃堆ド喜康牡雇勇菪吻忻娓淖兞肆鲌?chǎng)方向，造成沖刷坑在樁靴周圍來流兩側(cè)。樁靴局部沖刷最大影響面積是樁靴橫截面面積的26%。由此可以看出，不同樁靴入泥深度對(duì)樁靴周圍沖刷影響非常顯著。

圖9為在樁靴迎流方向樁靴周圍土體最大沖刷深度隨時(shí)間變化。由圖9可以看出，自升式平臺(tái)樁靴入泥深度越淺，樁靴周圍土體的最大沖刷深度越大。主要因?yàn)闃堆バ螤顬橥勇菪?，?dāng)樁靴最大直徑橫截面位于泥土上部時(shí)海流會(huì)沿著底部陀螺進(jìn)行沖刷砂床，陀螺形的切面會(huì)改變海流方向，加速海床泥土的沖刷。當(dāng)樁靴周圍沖刷超過15 d時(shí)局部沖刷深度基本保持不變，主要因?yàn)闆_刷深度增大，馬蹄渦的產(chǎn)生難以將更深的泥土啟動(dòng)和沖刷，從而造成沖刷深度保持不變。

圖10為背流方向5種樁靴入泥深度的樁靴最大沖刷深度隨時(shí)間變化。由圖10可看出，背流的樁靴局部沖刷深度明顯減少，隨著沖刷時(shí)間逐漸增大，樁靴不同入泥深度對(duì)沖刷深度影響越來越小。背流面的樁靴沖刷深度與入泥深度影響不大。

2.3 防控措施

針對(duì)3種不同樁靴插樁位置（圖11）提出針對(duì)性防護(hù)沖刷措施，可分為主動(dòng)防護(hù)與被動(dòng)防護(hù)。主動(dòng)防護(hù)主要改變海流對(duì)泥土沖刷強(qiáng)度來削弱造成沖刷的海流能量，被動(dòng)防護(hù)主要通過改變海底砂床布置來增強(qiáng)抵抗海流沖刷力。

（1）當(dāng)樁靴最大直徑橫截面完全位于海床泥線上部時(shí)（圖11（a）），海流流經(jīng)陀螺形樁靴，流場(chǎng)會(huì)沿著樁靴下部產(chǎn)生沖刷，對(duì)于此類工況樁靴周圍土體局部沖刷比較嚴(yán)重，會(huì)嚴(yán)重影響作業(yè)安全，需要對(duì)海床鋪設(shè)不同規(guī)格尺寸的石塊，可以增大海底海床的粗糙度，大幅減小海流流速，減緩馬蹄渦的生成，起到防護(hù)海床的作用［12］。通過在樁靴周圍鋪設(shè)一定顆粒直徑的石塊進(jìn)行數(shù)值模擬，樁靴周圍最大沖刷深度減小了43%，所以在樁靴迎流方向增加拋石的直徑和厚度，以減緩海流沖刷作用。

（2）當(dāng)樁靴最大直徑橫截面位于海床泥線附近時(shí)（圖11（b）），由數(shù)值結(jié)果表明，樁靴局部沖刷較輕，沖刷主要集中在樁靴兩側(cè)位置，應(yīng)在來流方向設(shè)立圍堰或擋板，改變流場(chǎng)方向用以減少樁靴周圍沖刷，也可通過潛水員觀察真實(shí)沖刷情況，在樁靴來流兩側(cè)拋擲砂袋，減少海流沖刷強(qiáng)度。

圖12為樁靴入泥深度為3.5 m時(shí)在迎流方向安置擋板之后的樁靴周圍的三維沖刷形態(tài)。由圖12可看出，擋板可以有效減小樁靴周圍的沖刷情況。通過對(duì)比沒有擋板時(shí)的工況，樁靴周圍最大沖刷深度減小了56%。在樁靴迎流方向布置擋板或者圍堰可以有效減少樁靴周圍土體的沖刷。

（3）當(dāng)樁靴最大直徑橫截面完全位于海床泥土下部時(shí)（圖11（c）），樁靴上部的陀螺形結(jié)構(gòu)成為海流沖刷的主要作用體。造成局部沖刷的原因是樁靴上部的陀螺體周圍上游處流體的分離和下游處周期性的尾渦釋放造成的。對(duì)于馬蹄渦和下降水流主要通過設(shè)置水平護(hù)圈和環(huán)翼式防沖板進(jìn)行防護(hù)，對(duì)于尾渦主要通過分流板和導(dǎo)流屏等措施進(jìn)行防護(hù)［13-14］。

3 結(jié) 論

（1）基于實(shí)際海況作業(yè)參數(shù)建立的自升式平臺(tái)樁靴-海床-波流的實(shí)海況全尺寸三維數(shù)值模型綜合考慮了泥砂的夾帶、沉積以及懸移質(zhì)輸運(yùn)模型，可以準(zhǔn)確模擬實(shí)際海況下自升式平臺(tái)樁靴周圍土體沖刷。

（2）自升式平臺(tái)陀螺形樁靴對(duì)海流流線影響顯著，當(dāng)樁靴最大直徑橫截面位于泥線以下時(shí)，水流下降和流線的收縮是造成沖刷的主要因素，因而導(dǎo)致樁靴周圍土體沖刷更深;但隨著樁靴入泥深度增大時(shí)，流線收縮是造成沖刷的主要原因，樁靴周圍土體沖刷進(jìn)一步減緩。

（3）在相同的波流和樁靴入泥深度條件下樁靴迎流面沖刷最大深度遠(yuǎn)大于樁靴背流面最大沖刷深度，隨著樁靴入泥深度增加，其局部沖刷程度逐漸減小，在相同沖刷時(shí)間條件下樁靴入泥深度越大，海床周圍最大沖刷深度越小。

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（編輯 沈玉英）

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（52374020）；中國(guó)石油大學(xué)（北京）科研基金項(xiàng)目（2462021BJRC008）

第一作者及通信作者：殷啟帥（1991-），男，副教授，博士，研究方向?yàn)楹Ｑ笥蜌獍踩こ?。E-mail： yinqs@cup.edu.cn。

引用格式：殷啟帥，龍洋，馬永奇，等.自升式平臺(tái)樁靴周圍土體沖刷機(jī)制及數(shù)值模擬［J］.中國(guó)石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，48（3）：154-161.

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