波流共同作用下反斜樁局部沖刷特性試驗(yàn)研究

程永舟，程海洋，王曉光，黃筱云，呂 行

(1. 長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2. 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410114)

隨著海洋資源的進(jìn)一步開發(fā)，各類海工建筑物的穩(wěn)定與設(shè)計(jì)問題成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，樁基礎(chǔ)作為海工結(jié)構(gòu)的主要支撐形式，在波浪、水流等荷載長期作用下形成的局部沖刷坑嚴(yán)重威脅著樁身安全[1- 2]，國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)純流、純波及波流共同作用下的垂直樁柱局部沖刷問題[3- 7]開展了大量研究工作并取得了豐富的成果。伴隨著海洋工程對(duì)建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及水平承載力更高的要求，斜樁基礎(chǔ)也逐漸成為重要的結(jié)構(gòu)支撐類型之一[8- 10]，在相關(guān)的科學(xué)研究及工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域，通常將樁軸線與鉛垂線的夾角(α)作為斜樁傾角進(jìn)行分類，當(dāng)α=0°時(shí)為垂直樁；當(dāng)樁向下游傾斜時(shí)為正斜樁，α>0°；當(dāng)樁向上游傾斜時(shí)為反斜樁，α<0°。

區(qū)別于垂直樁柱情形，斜樁基礎(chǔ)下降水流的分離點(diǎn)位置通常因傾斜程度差異而出現(xiàn)不同程度的偏移，從而直接影響到基礎(chǔ)近壁側(cè)的渦流強(qiáng)度及泥沙輸運(yùn)特性。Najafi等[11]通過粒子圖像測速技術(shù)(PIV)對(duì)0～40°正斜樁的流場特征進(jìn)行了可視化分析，發(fā)現(xiàn)斜樁與垂直樁周邊流場差異較大。Kitsikoudis等[12]通過水槽中的動(dòng)床和清水沖刷試驗(yàn)，分析了正斜樁在不同傾斜角度下樁周沖刷形態(tài)及沖刷坑附近的流場特性，發(fā)現(xiàn)由于基礎(chǔ)傾斜導(dǎo)致的流線變化直接影響局部沖刷進(jìn)程，隨著傾角的增加，泥沙沖刷量持續(xù)減少。Du等[13]基于Flow3D對(duì)比了斜樁與垂直樁的沖刷差異，模擬結(jié)果同樣表明純流作用下斜樁樁周沖刷深度會(huì)顯著減少。王浩等[14]采用PIV及運(yùn)動(dòng)攝像恢復(fù)結(jié)構(gòu)技術(shù)(Structure from Motion，SFM)探索了不同角度正斜樁的沖刷地形結(jié)構(gòu)及流場特性，對(duì)純流作用下正斜樁紊流結(jié)構(gòu)- 泥沙運(yùn)動(dòng)的作用機(jī)制得出了較為細(xì)致的研究結(jié)論。相較于垂直樁，斜樁由于具有較大的水平剛度而被海上工程應(yīng)用于抵抗更大的水平荷載[15]，但當(dāng)傾斜方向不同或與外界荷載作用方向相反時(shí)，正斜樁與反斜樁的工作性能會(huì)產(chǎn)生較大差異[9，16- 17]，且相比于正斜樁向下游傾斜的“順流線”特征，反斜樁也可能會(huì)由于波浪提前破碎而對(duì)樁周泥沙沖刷進(jìn)程造成不同的影響[18]，這意味著樁身的水平承載能力可能因傾斜方向產(chǎn)生的沖深差異導(dǎo)致不同程度的弱化[1]。

綜上可知，斜樁周圍流動(dòng)特性及渦流結(jié)構(gòu)與垂直樁存在明顯差異，且受傾角變化影響顯著，基礎(chǔ)附近的水流- 泥沙輸運(yùn)機(jī)制也更為復(fù)雜，但目前的研究主要集中于正斜樁局部沖刷規(guī)律及作用機(jī)理，忽略了實(shí)際海洋環(huán)境中波流傳播方向與基礎(chǔ)傾角相反的情況。本文基于波流水槽開展反斜樁局部沖刷試驗(yàn)，對(duì)反斜樁周圍沖刷特性及影響因素進(jìn)行分析和對(duì)比，為今后實(shí)際工程中斜樁的設(shè)計(jì)、防護(hù)及承載能力評(píng)估提供更完善的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)布置及試驗(yàn)工況

1.1 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)在長沙理工大學(xué)水利實(shí)驗(yàn)中心波流水槽中進(jìn)行，試驗(yàn)布置情況如圖1所示。波流水槽具體尺寸長×寬×高為45.0 m×0.8 m×1.0 m，水槽首端安裝推板式造波機(jī)，末端布設(shè)消能網(wǎng)防止波浪反射，同時(shí)配備循環(huán)造流系統(tǒng)及泥沙沉淀池，保證水流持續(xù)供應(yīng)。試驗(yàn)沙槽位于水槽中部，長×寬×高為3.0 m×0.8 m×0.6 m，內(nèi)部鋪滿中值粒徑d50=0.403 mm的無黏性均勻沙，試驗(yàn)斜樁模型采用直徑D=0.05 m的不銹鋼圓管，小于0.1倍的水槽寬度，可以忽略邊壁效應(yīng)影響[19]，水深為h=0.4 m，遠(yuǎn)大于樁徑，與實(shí)際海洋水深環(huán)境相似，可以忽略水深對(duì)沖刷造成的影響[20]。本試驗(yàn)定義樁軸線與鉛垂線的夾角為反斜樁傾角，規(guī)定水流方向?yàn)檎謩e針對(duì)α=0°、α=-10°、α=-20°、α=-30°等4種傾角的樁開展沖刷試驗(yàn)研究，其中α=0°的垂直樁作為反斜樁的對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)采用規(guī)則波與恒定流作為環(huán)境荷載，波高測量采用WG- 50型浪高儀，最大量程為40 cm，采樣頻率為50 Hz，精度可達(dá)0.4%；流速測量采用Nortek公司生產(chǎn)的三維剖面流速儀(ADV)，采集頻率為50 Hz，精度可達(dá)0.5%。每個(gè)點(diǎn)采樣時(shí)間為120 s，采集過程中數(shù)據(jù)相關(guān)度始終維持在90以上。沖刷平衡后的地形測量采用加拿大2GRobotics公司生產(chǎn)的ULS- 100型三維水下激光掃描儀，分辨率0.018°，可以精確測量床面形態(tài)特征。

圖1 試驗(yàn)布置Fig.1 Experimental layout

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)對(duì)波流共同作用下反斜樁周圍局部沖刷特性進(jìn)行研究，探討不同傾角(α=0°、α=-10°、α=-20°、α=-30°)反斜樁在0～360 min內(nèi)的沖刷歷時(shí)特性、沖刷坑形態(tài)特征以及局部沖深的影響因素。試驗(yàn)工況如表1所示，采用周期T=1 s、3種入射波高(H=0.04 m、H=0.07 m、H=0.10 m)的規(guī)則波作為試驗(yàn)波浪參數(shù)，采用入射流速(Uc，距離床面1D處參考點(diǎn)流速)分別為0.180 m/s、0.206 m/s、0.240 m/s的3種恒定流作為水流參數(shù)，泥沙的臨界希爾茲數(shù)Θcr=0.033，經(jīng)測量計(jì)算，本研究中所有波高H=0 m、H=0.04 m、H=0.07 m的純流和波流試驗(yàn)工況均為清水沖刷，波高H=0.10 m時(shí)均為動(dòng)床沖刷。

表1 試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 沖刷歷時(shí)特性

2.1.1 沖刷坑演變特征

圖2為高清攝像機(jī)記錄下Uc=0.180 m/s、H=7 cm、α=-20°時(shí)反斜樁典型時(shí)刻的沖刷地形照片。前20 min沖刷發(fā)展迅速，局部輸沙率較大，位于反斜樁側(cè)前方的泥沙首先起動(dòng)，樁周泥沙在馬蹄渦和尾渦的作用下搬運(yùn)至樁后落淤下來，形成波浪狀的沙紋。斜樁與床面間的樁前角區(qū)空間較垂直樁有所減小，樁前由于沖刷形成“半環(huán)狀”沖刷坑，樁后泥沙形成沙丘和規(guī)則的沙紋，沖刷坑對(duì)稱分布。沖刷時(shí)間t=60 min時(shí)沖刷深度進(jìn)一步加大，沙丘高度進(jìn)一步增加，“半環(huán)狀”沖刷坑的尺度繼續(xù)增大，最大沖刷深度由側(cè)前方已轉(zhuǎn)移至正前方；t=180 min時(shí)沖刷基本達(dá)到平衡，沖刷坑形態(tài)發(fā)展基本成熟，樁周形成前后連通的“環(huán)狀”沖刷坑，樁后沙丘為平緩的單峰；在沖刷時(shí)間180～360 min階段，沖刷發(fā)展緩慢，沖刷坑尺度逐漸增大，樁前后最大沖刷深度差值較大，樁后呈“倒勺狀”，沖刷達(dá)到準(zhǔn)平衡狀態(tài)。但由圖2(d)可以觀察到?jīng)_刷坑及沙丘并不完全對(duì)稱，這可能是由于波浪提前破碎導(dǎo)致的樁基底部紊動(dòng)增強(qiáng)所引起。

圖2 沖刷坑演變過程Fig.2 Evolution of scour

2.1.2 局部沖深歷時(shí)變化

圖3為Uc=0.206 m/s，H分別為0 cm、4 cm、7 cm的-20°反斜樁與0°垂直樁的前360 min局部沖深歷時(shí)曲線。通過沖深曲線可以觀察到反斜樁在不同波高下的沖深發(fā)展規(guī)律與垂直樁較為相似，仍然可以分為快速發(fā)展階段、緩慢發(fā)展階段及準(zhǔn)平衡階段，沖刷深度隨著波高的增大而增大。但由于樁身傾斜特征導(dǎo)致的樁周渦流結(jié)構(gòu)差異，導(dǎo)致在同樣的波流環(huán)境中，反斜樁沖刷深度始終小于垂直樁柱，這一特征與Kitsikoudis等[12]關(guān)于正斜樁清水沖刷試驗(yàn)結(jié)果具有一定相似性，結(jié)構(gòu)在一定程度的傾斜會(huì)減緩樁基附近的泥沙侵蝕現(xiàn)象。在前人關(guān)于傾斜圓柱的相關(guān)研究中，通常將正斜樁局部沖深低于垂直樁的主要原因歸功于正斜樁的“順流線”特征，但此處關(guān)于反斜樁的試驗(yàn)結(jié)果中仍出現(xiàn)了局部沖深小于垂直樁的現(xiàn)象，這主要是由于向上游的傾角導(dǎo)致樁前下降水流的分離點(diǎn)位置發(fā)生變化[21]，馬蹄渦未在沖刷坑內(nèi)充分發(fā)展或強(qiáng)度降低，使得最終的沖刷深度得到了一定程度減小。

2.1.3 傾角與相對(duì)時(shí)間尺度關(guān)系

(1)

式中：g為重力加速度；s為泥沙相對(duì)密度，此處為2.65。

圖3 沖深歷時(shí)曲線Fig.3 Time development of relative scour depth

圖4 傾角與相對(duì)時(shí)間尺度關(guān)系Fig.4 Correlation between inclination angle and relative time scale

2.2 沖刷坑形態(tài)特征

2.2.1 沖刷坑平衡形態(tài)對(duì)比

圖5為Uc=0.180 m/s、H=7 cm條件下-20°反斜樁、0°垂直樁清水沖刷的地形照片。圖6為圖5所對(duì)應(yīng)工況的等高線地形圖，由水下地形儀掃描處理獲得。從圖5中可以觀察到，反斜樁和垂直樁周圍均由“環(huán)狀”沖刷坑和尾后沙丘組成，由圖6的等高線可以發(fā)現(xiàn)反斜樁沖刷寬度及最大沖刷深度皆小于垂直樁，但沖刷坑尾部區(qū)域略有拉長，俯視形態(tài)呈現(xiàn)出“水滴狀”特征。此外，反斜樁的樁后沙丘淤積面積及高度都明顯大于垂直樁，同時(shí)呈現(xiàn)尾部更長的單峰“帶狀”結(jié)構(gòu)，這是由于反斜樁的“逆流線”特征導(dǎo)致波浪提前破碎，使樁后尾流區(qū)域呈現(xiàn)更強(qiáng)的紊動(dòng)特性，進(jìn)而影響了沙丘的淤積進(jìn)程。由圖例色階可以觀察到，兩者樁前最大沖刷深度存在0.5 cm的深度差，這也與實(shí)測數(shù)據(jù)基本保持一致。

圖5 試驗(yàn)地形照片F(xiàn)ig.5 Scour topography

2.2.2 波高對(duì)沖刷坑剖面影響

為定量分析波流作用下反斜樁與垂直樁的沖刷坑尺度差異，本研究分別選取Uc=0.180 m/s、傾角α=-20°時(shí)，純流和波流作用下反斜樁沖刷坑的典型剖面形態(tài)圖(圖7)，剖面位置代表過沖刷坑軸線的縱剖面(圖7(a))和過樁前最大沖刷深度點(diǎn)的橫剖面(圖7(b))。由圖7(a)和圖7(b)可以發(fā)現(xiàn)波流與純流環(huán)境的沖刷坑橫縱剖面明顯不同，主要差異體現(xiàn)在沖刷尺寸方面，尤其在近壁面處的最大沖深處，波高對(duì)沖深大小起著較為明顯的作用，即使疊加較小的波高，局部沖刷深度也會(huì)明顯增大。由圖7(a)可知，波流疊加導(dǎo)致的泥沙輸移能力增強(qiáng)顯著影響了沖刷坑寬度及樁后沙丘的堆積進(jìn)程，當(dāng)波高增加時(shí)，橫剖面的沖刷寬度及坡度變化較小，但沿波流正向的縱剖面變化明顯，沙丘距最大沖深點(diǎn)距離變遠(yuǎn)且高度更大。值得注意的是，當(dāng)波高由4 cm增大到7 cm時(shí)，沖刷坑的剖面尺度并未如波高由0 cm增加到4 cm時(shí)變化顯著，這是因?yàn)榇藭r(shí)流速比大概維持在0.7左右，水流占主導(dǎo)地位，波高在小范圍內(nèi)的變化并不會(huì)對(duì)樁周水動(dòng)力產(chǎn)生很大的影響。

圖6 沖刷坑等高線Fig.6 Contour map of scour holes

圖7 反斜樁沖刷坑剖面形態(tài)Fig.7 Lateral and longitudinal profile of scour holes

2.3 局部沖深影響因素分析

2.3.1 傾角及波高對(duì)最大沖刷深度影響

圖8為Uc=0.206 m/s且在不同波高條件下反斜樁傾角與沖刷深度的關(guān)系圖。其中，H=0為純流環(huán)境下的清水沖刷情況，H=4 cm、H=7 cm表示波流作用下的清水沖刷，H=10 cm表示波流作用下的動(dòng)床沖刷。由圖可以發(fā)現(xiàn)清水沖刷下沖刷深度與傾角的關(guān)系與動(dòng)床沖刷具有較大差異，在清水沖刷條件下，沖刷深度隨著傾角增大而減小，隨波高增大而增大，而當(dāng)波高逐漸增加直至到動(dòng)床沖刷條件時(shí)，沖刷深度反而變小，這是由于此時(shí)床面整體輸沙能力雖然較強(qiáng)，但上游的泥沙不斷被輸運(yùn)到?jīng)_刷坑內(nèi)，導(dǎo)致樁周局部區(qū)域的波流凈輸沙量相對(duì)較低，從而減小了樁周局部沖深。

圖8 傾角及波高對(duì)相對(duì)沖刷深度影響Fig.8 Influence of α and H on S/D

2.3.2 弗勞德數(shù)對(duì)沖刷深度影響

圖9 Fra對(duì)相對(duì)沖刷深度影響Fig.9 Influence of Fra on S/D

2.3.3 Keulegan- Carpenter數(shù)及Ucw對(duì)沖刷深度影響

Keulegan- Carpenter數(shù)和流速比是在波流環(huán)境中對(duì)樁基沖刷發(fā)展影響最大的2個(gè)參數(shù)[5]，兩者的大小直接關(guān)系到床面的渦流結(jié)構(gòu)與輸沙能力。在本試驗(yàn)中KC的范圍為0.95～2.39，而Ucw=0與Ucw=1分別代表波浪沖刷與純流沖刷的情況，0

由圖10可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于-20°反斜樁，在Ucw=0.6±0.1、Ucw=0.775±0.075范圍內(nèi)的所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均位于各自對(duì)應(yīng)垂直樁擬合曲線的上方，S/D隨KC的變化趨勢(shì)與垂直樁具有一定的相似性，而在圖11中關(guān)于Ucw與沖刷深度關(guān)系的對(duì)比中，同樣可以觀察到-20°反斜樁數(shù)據(jù)點(diǎn)位于擬合曲線的上部，造成這一現(xiàn)象的主要原因是由于本試驗(yàn)沖刷時(shí)間360 min大于擬合曲線對(duì)應(yīng)的大多數(shù)對(duì)比試驗(yàn)，因此，-20°反斜樁的數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于擬合曲線上方的現(xiàn)象與前文反斜樁小于垂直樁局部沖深的結(jié)論并不矛盾。結(jié)合圖10和圖11可知，KC、Ucw與S/D之間的關(guān)系雖與垂直樁存在一定的相似性，但由于布置形式的差異，若考慮樁周波浪傳播變形及破碎效應(yīng)的影響[27]，具體的函數(shù)關(guān)系更難以確定，值得進(jìn)一步探索。

圖10 KC與相對(duì)沖刷深度關(guān)系Fig.10 Variation of S/D with KC

圖11 流速比與相對(duì)沖刷深度關(guān)系Fig.11 Variation of S/D with Ucw

3 結(jié) 論

本文基于水槽試驗(yàn)開展了波流共同作用下反斜樁局部沖刷特性研究，對(duì)沖刷深度歷時(shí)特性、沖刷坑形態(tài)特征、局部沖深影響因素等進(jìn)行了分析，通過與垂直樁及純流環(huán)境下的部分沖刷試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：

(1) 反斜樁的沖刷發(fā)展特性與垂直樁具有一定相似性，在清水沖刷條件下，沖刷深度隨波高增大而增大，且沖深發(fā)展速率隨時(shí)間越來越慢。受樁身向上游傾角的“逆流線”特征影響，在相同的波流條件下，反斜樁局部沖刷深度始終低于垂直樁，相對(duì)沖刷深度隨樁身傾角增大而減小，相對(duì)時(shí)間尺度隨傾角增大而增大。在動(dòng)床條件下，上游泥沙不斷填充到?jīng)_刷坑內(nèi)，降低了樁周局部輸沙率，導(dǎo)致最終沖刷深度變小。

(2) 反斜樁和垂直樁周圍均由“環(huán)狀”沖刷坑和尾后沙丘組成，但反斜樁沖刷坑寬度相對(duì)較小，長度略大，尾后區(qū)域呈現(xiàn)“水滴狀”形態(tài)。反斜樁向上游傾角加劇了波浪在樁前的傳播變形過程，導(dǎo)致反斜樁的樁后沙丘淤積面積及高度都明顯大于垂直樁，呈現(xiàn)出更長的單峰“帶狀”結(jié)構(gòu)。

(3) 波高對(duì)沖深大小起著較為明顯的作用，即使疊加較小的波高，局部沖刷深度也會(huì)明顯增大，且隨著波高增加，沿波流正向的沖刷坑縱剖面變化明顯，沙丘距最大沖深點(diǎn)的距離和高度變化較大。在波流條件下，相對(duì)沖刷深度與弗勞德數(shù)之間存在較高的相關(guān)性，整體隨Keulegan- Carpenter數(shù)、弗勞德數(shù)及流速比的增大而增大，但具體的函數(shù)變化關(guān)系有待研究。