趙寒燕，樂紹林，周 歡，張民曦，喻國良

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240; 2.武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430071)

水下樁墩是橋梁、高樁碼頭、海洋平臺(tái)、海上風(fēng)機(jī)等眾多建筑物的基礎(chǔ)，其局部沖刷可對(duì)這些上部建筑物和結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力響應(yīng)和穩(wěn)定性造成極為不利的影響，常常給人們的生產(chǎn)、生活帶來不便，嚴(yán)重者甚至威脅生命、財(cái)產(chǎn)安全。我國每年因橋墩沖刷導(dǎo)致的損失巨大[1]，因此，開展樁墩局部沖刷防護(hù)措施的研究對(duì)提高橋梁、高樁碼頭、海洋平臺(tái)、海上風(fēng)機(jī)等建筑物的安全生產(chǎn)具有重大意義。

關(guān)于產(chǎn)生橋墩局部沖刷的機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者基于流體力學(xué)和大量的模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)局部沖刷主要由墩前下降水流、墩周馬蹄形漩渦和墩后尾渦3種水流結(jié)構(gòu)引起[2]。Unger和Hager[3]的試驗(yàn)表明，墩前波涌及下潛水流是由墩前駐點(diǎn)射出的2個(gè)垂直射流引起的，且墩前駐點(diǎn)位置、波涌及下潛水流在沖刷坑發(fā)展過程中沒有明顯的變化。Kirkil等[4]利用大渦模擬(LES)精細(xì)地展示了沖刷坑內(nèi)馬蹄渦是由一個(gè)主要的項(xiàng)鏈狀渦以及其他幾個(gè)次生渦組成，且由于墩前渦的反向轉(zhuǎn)動(dòng)，可使沖刷坑的坡度大于泥沙休止角。Shen等[5]認(rèn)為橋墩表面不穩(wěn)定剪切層的卷動(dòng)形成了尾渦系，尾流的強(qiáng)度隨距橋墩距離的增加而迅速減小，從而導(dǎo)致橋墩下游泥沙的淤積。

根據(jù)局部沖刷的機(jī)理，Chiew[6]將防護(hù)方法分為兩種：一種是被動(dòng)防護(hù)，也稱為實(shí)體防護(hù)；另一種是主動(dòng)防護(hù)，也稱為減速不沖防護(hù)。實(shí)體防護(hù)的措施主要有：拋石防護(hù)[7]、擴(kuò)大樁墩基礎(chǔ)防護(hù)[8]、混凝土模袋、連鎖排[9]、四角混凝土塊防護(hù)[10]等。實(shí)踐證明，該類方法雖然具有施工速度快，操作靈活等優(yōu)點(diǎn)，但后期經(jīng)常需要修繕維護(hù)，不僅經(jīng)濟(jì)成本較高，且防護(hù)體容易被洪水沖毀，甚至引發(fā)整個(gè)沖刷防護(hù)工程潰敗。減速不沖防護(hù)主要包括：墩前排樁防護(hù)[11]、橋墩的部分或整體開縫防護(hù)[12]、護(hù)圈防護(hù)[13]等，這些方法均設(shè)法消除引起局部沖刷的流場(chǎng)因素，也在工程實(shí)踐中取得了減少?zèng)_刷的效果，但各自都存在一些缺陷，如改變了承載結(jié)構(gòu)形式、適用條件有限、安裝施工困難、增大了結(jié)構(gòu)上的水動(dòng)力荷載等。隨著新工程材料的應(yīng)用，還出現(xiàn)了局部增阻促淤保護(hù)方法。例如四面體透水框架[14]、三角網(wǎng)促淤防沖裝置[15]、生物及人工水草促淤防沖措施[16]、促淤浮簾裝置[17]等。這類防護(hù)方法不但減少了底床沖刷，而且還具有促淤作用。但這些防護(hù)措施也各有缺陷，例如在水深流急的區(qū)域內(nèi)四面六邊體框架會(huì)發(fā)生位移流失，所以一般不適合用于流速較大水域的防沖保護(hù)；生物促淤措施容易造成生物入侵，同時(shí)植物也受到自身的生長周期和生長環(huán)境的限制；人工水草促淤防沖措施不適用于高流速環(huán)境；促淤浮簾裝置應(yīng)對(duì)流向變化的能力差等。

綜上可知，樁墩局部沖刷防護(hù)技術(shù)尚需進(jìn)一步發(fā)展。為此，本文研究設(shè)計(jì)一種用工程材料制作的中性網(wǎng)格進(jìn)行樁墩局部沖刷的防護(hù)方法，其技術(shù)思路為：用一種相對(duì)密度略大于水的、耐腐蝕、抗紫外線的工程材料(如HDPE)制作具有特殊幾何特征的中性網(wǎng)格，用其將已有的沖刷坑口(或可能出現(xiàn)沖刷坑的部位)完全覆蓋，不但能使覆蓋前后的來水、來沙強(qiáng)度基本不變，而且網(wǎng)格下方?jīng)_刷坑內(nèi)的流速會(huì)毫無疑問地顯著減少；當(dāng)上游來沙到達(dá)網(wǎng)格上時(shí)會(huì)穿過網(wǎng)孔落入沖刷坑內(nèi)，從網(wǎng)孔落下的泥沙不會(huì)被沖刷出坑，而是永久性地淤積在坑內(nèi)；不斷的來沙淤積使沖刷坑不斷減小，直到建立新的沖淤平衡，此時(shí)，樁墩周圍的局部沖刷變得有限，樁墩因此而得到?jīng)_刷防護(hù)的效果。網(wǎng)格的網(wǎng)孔越大，來沙越容易從網(wǎng)孔下落進(jìn)入沖刷坑，但網(wǎng)孔越大時(shí)坑內(nèi)水流強(qiáng)度也越大，泥沙越易被沖刷。因此，中性網(wǎng)格對(duì)樁墩局部沖刷坑內(nèi)的水動(dòng)力弱化機(jī)制與促淤效果是實(shí)現(xiàn)上述樁墩局部沖刷防護(hù)亟待開展的靶向問題，而中性網(wǎng)格的最佳網(wǎng)孔大小是決定其促淤防護(hù)能力的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。為此，將通過數(shù)值模擬、水槽試驗(yàn)和理論分析，研究中性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對(duì)圓樁周圍沖刷坑內(nèi)水動(dòng)力及床面形態(tài)的影響機(jī)理，探明網(wǎng)孔大小對(duì)中性網(wǎng)格防沖促淤效果的影響，試圖為水下樁墩周圍的沖刷防護(hù)提供一種新措施。

1 中性網(wǎng)格對(duì)沖刷坑內(nèi)的水動(dòng)力弱化

1.1 控制方程

不可壓縮黏性流體的運(yùn)動(dòng)應(yīng)遵循連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，其表達(dá)式如式(1)、式(2)所示。

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中：xi、xj為笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)；ui、uj為x,y,z方向的速度分量；Ai為i方向上的流體所占面積分?jǐn)?shù)；t為時(shí)間；VF為流體部分的體積分?jǐn)?shù)；ρ為流體密度；p為壓強(qiáng)；Gi為i方向上的重力加速度；fi為i方向上的黏滯力加速度。

研究采用RNG k-ε湍流模型，能較好地模擬圓柱繞流，k方程和ε方程為：

(3)

(4)

1.2 模型概化

選取水槽試驗(yàn)工況作為數(shù)值模擬的試驗(yàn)工況。在保證模型準(zhǔn)確性的前提下，為減少單元網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)約計(jì)算時(shí)間，數(shù)值試驗(yàn)的計(jì)算域縮小為長150 cm、寬50 cm、高32 cm。模擬的圓樁直徑D=5 cm，將其布置在床面中心，如圖1所示。初始時(shí)刻設(shè)置一個(gè)沖刷坑，依據(jù)水槽試驗(yàn)中測(cè)量的沖刷坑形態(tài)，對(duì)數(shù)值模擬中的沖刷坑進(jìn)行概化，樁前深度6 cm，樁后深度4 cm，上游沖坑面類似圓錐面，沖刷坡角為32°，下游沖刷坡角為24.9°。圓柱的行進(jìn)流速U=38 cm/s，水深20 cm，底床厚度7 cm。

圖1 計(jì)算模型布置

中性網(wǎng)格防護(hù)結(jié)構(gòu)概化為一個(gè)固定在床面的剛性網(wǎng)板，網(wǎng)格厚度為3 mm，其網(wǎng)孔形態(tài)為大小相同、分布均勻的方形。為探究網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的厚度對(duì)沖刷坑內(nèi)水動(dòng)力的影響，選取網(wǎng)孔邊長分別為3 mm、5 mm、7 mm、9 mm、11 mm的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，將其覆蓋在沖刷坑口進(jìn)行水動(dòng)力模擬，如圖2所示。

圖2 中性網(wǎng)格及其防沖刷布置

1.3 網(wǎng)格劃分及邊界條件

由于該圓樁局部沖刷問題具有對(duì)稱性，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，可選沿來流方向包含半個(gè)圓樁的半邊計(jì)算域進(jìn)行計(jì)算。其進(jìn)口邊界為速度邊界，V=0.38 m/s；下游出口邊界條件設(shè)置為壓力邊界，設(shè)置出口水位0.27 m；底面采用壁面邊界條件；其余邊界為對(duì)稱邊界。

網(wǎng)格劃分全部采用結(jié)構(gòu)化正交網(wǎng)格，單元網(wǎng)格尺寸設(shè)置為8 mm×8 mm×8 mm，為了捕捉中性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)確地模擬沖刷坑周圍的紊流形態(tài)，對(duì)沖刷坑和圓樁底床附近區(qū)域進(jìn)行局部加密，加密單元網(wǎng)格的尺寸為1.8 mm×1.8 mm×1.8 mm，驗(yàn)證網(wǎng)格收斂性后確定網(wǎng)格劃分如圖3所示，網(wǎng)格總數(shù)約為133萬。為了保證計(jì)算的穩(wěn)定性，起始時(shí)間步長定為0.01 s，最小時(shí)間步長定為10-8s。

圖3 計(jì)算域的網(wǎng)格劃分

1.4 模擬結(jié)果及分析

1.4.1 網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對(duì)沖刷坑周圍流場(chǎng)的影響

為了探究沖刷坑內(nèi)的流場(chǎng)變化，采用了多個(gè)不同網(wǎng)格尺寸的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。現(xiàn)以網(wǎng)孔尺寸為3 mm×3 mm的中性網(wǎng)格為例進(jìn)行說明，利用Flowsight軟件對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行后處理，得到流速矢量如圖4～6所示，圖中，x方向?yàn)閬砹鞣较?，y方向?yàn)闄M斷面方向，z方向?yàn)榇怪狈较颉?/p>

由3個(gè)剖面的流速云圖可知：1)中性網(wǎng)格的覆蓋作用可以顯著減小整個(gè)沖刷坑內(nèi)的流速和沖坑邊壁的流速；2)網(wǎng)格覆蓋后，不僅坑內(nèi)的流速變小，圓樁下游網(wǎng)格上方附近流域的速度也顯著減小。

對(duì)比分析3個(gè)剖面的流速矢量圖可知：1)圖4顯示，網(wǎng)格覆蓋前，樁前的下潛水流與上游來流匯聚，在靠近樁壁處形成的漩渦對(duì)附近產(chǎn)生沖刷作用；而網(wǎng)格覆蓋后，下潛水流不僅強(qiáng)度明顯降低，且進(jìn)入沖刷坑后不會(huì)在床面處形成強(qiáng)烈的漩渦，而是形成流速較小的完整回流。2)圖5顯示，由于網(wǎng)格的覆蓋作用，樁兩側(cè)馬蹄形漩渦的強(qiáng)度降低，原來的水流結(jié)構(gòu)變成了較完整回流，大大減弱了對(duì)樁周圍泥沙的沖刷作用。3)圖6顯示，由于來流進(jìn)入沖刷坑后整體速度降低，原本因?yàn)閳A樁表面不穩(wěn)定剪切層的卷動(dòng)而形成的尾渦也不再明顯，樁后的水流變得較為平穩(wěn)。

圖4 x-z垂直縱剖面的流速矢量對(duì)比

圖5 y-z垂直橫剖面的流速矢量對(duì)比

圖6 x-y水平面的流速矢量對(duì)比

1.4.2 網(wǎng)孔大小對(duì)圓樁周圍流速的影響

針對(duì)網(wǎng)孔邊長分別為3 mm、5 mm、7 mm、9 mm、11 mm的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，進(jìn)行定床局部沖刷水動(dòng)力的數(shù)值模擬，得到樁前10 cm處網(wǎng)格上方水域的平均流速，如表1所示。為探究沖刷坑內(nèi)流速的變化，分析z=0.04 m處縱斷面(x-z剖面)的流速值，得到無防護(hù)、5種網(wǎng)格防護(hù)共6種工況下的流速變化，如圖7所示。

圖7 網(wǎng)格防護(hù)下沖刷坑內(nèi)縱斷面平均流速

表1 樁前斷面平均流速

由圖7可知：1)無防護(hù)工況下，沿來流方向上沖坑內(nèi)的流速迅速增大，在樁前流速達(dá)到來流流速的58%，在樁后流速先增大后減??；2)5種網(wǎng)格防護(hù)下，樁前沖坑內(nèi)的流速變化存在明顯的波動(dòng)現(xiàn)象，第一個(gè)波峰處的流速值為來流流速的18%～32%；第二個(gè)波峰在樁前，此位置的流速達(dá)到極值，但均小于無防護(hù)工況的流速；3)觀察樁后的流速變化，可以發(fā)現(xiàn)在網(wǎng)孔邊長為3 mm網(wǎng)格防護(hù)下的流速變化存在波動(dòng)現(xiàn)象，其余防護(hù)工況下沖坑內(nèi)的流速沿x方向逐漸增加，最大值僅為來流流速的26%；4)整體上看，沖坑內(nèi)的流速極值隨著網(wǎng)孔尺寸的減小而減小，其中網(wǎng)孔邊長為3 mm網(wǎng)格的減速效果最明顯，在網(wǎng)孔邊長為7 mm和9 mm網(wǎng)格防護(hù)下，沖刷坑內(nèi)的流速差別極小。

2 中性網(wǎng)格的防沖促淤效果

2.1 水槽試驗(yàn)方案

在數(shù)值模擬結(jié)論的基礎(chǔ)上開展水槽試驗(yàn)，以研究中性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對(duì)圓樁局部沖刷的防護(hù)和對(duì)沖刷坑的修復(fù)效果，試驗(yàn)布置如圖8所示。水槽尺寸為12 m×1 m×0.8 m(長×寬×高)，水槽的上層為試驗(yàn)區(qū)，下層為水體循環(huán)區(qū)，平鋪沙床厚度為0.15 m。水槽及供水系統(tǒng)為自循環(huán)系統(tǒng)，通過變頻器控制安放在水槽下層的潛水泵，從而調(diào)節(jié)循環(huán)水的流量，水槽左邊側(cè)壁中段是長度為3 m的透明玻璃，用來觀察水流及泥沙的運(yùn)動(dòng)情況。

圖8 試驗(yàn)水槽布置示意

試驗(yàn)?zāi)嗌碁榧?xì)砂，d50=0.26 mm，d95=0.39 mm，不均勻系數(shù)Cu=2.06。

試驗(yàn)為了避免水槽邊壁效應(yīng)的影響，將幾何比尺設(shè)定為1∶40，樁墩基礎(chǔ)概化為直徑0.05 m，長度0.5 m的圓柱體，固定在距出水口6 m處的底床中心線上，圓樁采用透明有機(jī)玻璃材料制作，在透明內(nèi)壁上安置微型攝像頭以記錄樁前沖刷坑深度的變化。試驗(yàn)水深為20 cm，可以消除表面張力的影響。

工程應(yīng)用中網(wǎng)格長、寬的比尺與樁徑的比尺相同，根據(jù)Richardson和Davis[18]對(duì)順直來流情況下橋墩局部沖刷坑寬度的研究成果，橋墩局部沖刷坑寬度大概等于沖刷深度的1.0～2.8倍，水槽試驗(yàn)中最大沖刷深度為6 cm，所以設(shè)置網(wǎng)格的長和寬均為24.6 cm，能完全覆蓋沖刷坑表面。針對(duì)網(wǎng)格厚度的選擇，考慮到實(shí)際應(yīng)用過程中，如果厚度過大會(huì)產(chǎn)生類似擴(kuò)展基礎(chǔ)的作用，容易造成床面的二次沖刷[8]，還要綜合考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和工程造價(jià)等因素，因此，試驗(yàn)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)采用相對(duì)密度略大于水的改性PVC材料通過3D打印機(jī)打印而成，當(dāng)厚度為3 mm時(shí)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能符合沖刷要求。

網(wǎng)孔尺寸的大小由泥沙粒徑和級(jí)配決定，不隨幾何比尺的變化而改變。關(guān)于網(wǎng)孔尺寸的選擇，在試驗(yàn)前初步假設(shè)其取值范圍為3d95～30d95，因此文中共進(jìn)行了5種不同網(wǎng)孔尺寸的中性網(wǎng)格防沖促淤試驗(yàn)，網(wǎng)孔邊長分別為3 mm、5 mm、7 mm、9 mm、11 mm，定義無量綱物理量孔徑比S為網(wǎng)孔邊長與泥沙粒徑d95的比值。

來流的流速測(cè)量使用超聲多普勒速度分析剖面儀(UDV)，沖刷深度的測(cè)量使用激光位移傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。

2.2 水槽試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟如下：

1)整平沙床后，將透明圓樁埋置在水槽正中央，用激光位移傳感器測(cè)量此時(shí)的床面高程，測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示，共40個(gè)測(cè)點(diǎn)。然后向水槽內(nèi)蓄水至水深達(dá)到20 cm，之后打開變頻器，由小到大緩慢調(diào)整流速，觀察泥沙起動(dòng)情況，當(dāng)泥沙全面起動(dòng)時(shí)，固定變頻器數(shù)值，此時(shí)用UDV測(cè)量來流流速，數(shù)值為0.38 m/s，可以進(jìn)渾水沖刷試驗(yàn)。

去年我所帶的912班，全班有48個(gè)學(xué)生和12位老師，組成一個(gè)團(tuán)結(jié)的大家庭，家庭中每一個(gè)成員都有歸屬感，匯聚成強(qiáng)大的力量。大家本著為集體做事就是為自己做事的原則，一起去做所有的事，一起成長，班級(jí)變成了一個(gè)成長共同體。學(xué)生和老師，你中有我，我中有你，一起快樂、茁壯地成長。有的老師認(rèn)為這是班主任偷懶，甩包袱，其實(shí)，這正是現(xiàn)代班級(jí)管理的先進(jìn)之處。

2)在流速0.38 m/s的條件下，進(jìn)行9 h沖刷試驗(yàn)，沖刷坑形態(tài)基本達(dá)到穩(wěn)定，結(jié)束后放干水槽，在圖9所示的固定測(cè)點(diǎn)用激光位移傳感器測(cè)量沖刷坑深度。

圖9 測(cè)點(diǎn)布置

3)將中性網(wǎng)格覆蓋在沖刷坑上，用不銹鋼彎釘固定，如圖10所示。向水槽內(nèi)緩慢蓄水至水深達(dá)20 cm，打開已固定頻率的變頻器，進(jìn)行9 h的促淤試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后放干水槽，按同樣的方法測(cè)量沖刷坑深度。

圖10 水槽中網(wǎng)格覆蓋

4)取出中性網(wǎng)格，整平沙床后，測(cè)量此時(shí)的床面高程，然后將中性網(wǎng)格覆蓋在圓樁周圍的平整床面上，向水槽內(nèi)蓄水，保持相同的水流條件，進(jìn)行9 h的防護(hù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量沖刷坑深度。

5)按上述步驟進(jìn)行5個(gè)不同網(wǎng)孔大小的中性網(wǎng)格防沖促淤試驗(yàn)，試驗(yàn)工況見表2。根據(jù)試驗(yàn)步驟進(jìn)行中性網(wǎng)格對(duì)圓樁局部沖刷的防護(hù)和促淤試驗(yàn)，記錄每組工況中圓樁局部沖刷坑的形態(tài)變化和沖刷深度數(shù)值。

表2 試驗(yàn)工況

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 中性網(wǎng)格的防沖促淤效果

利用微型攝像頭進(jìn)行觀測(cè)記錄，得到無防護(hù)沖刷、網(wǎng)格防護(hù)沖刷(沖刷前鋪設(shè)網(wǎng)格)以及網(wǎng)格促淤(已出現(xiàn)沖刷坑)3種情況下，圓樁正前方床面高度隨時(shí)間的變化，如圖11所示。結(jié)果表明，經(jīng)過長達(dá)9 h的沖刷后，各工況下圓柱周圍均發(fā)展出穩(wěn)定的局部沖刷坑。無防護(hù)沖刷情況下，圓柱周圍出現(xiàn)明顯沖坑，且在前90 min沖坑發(fā)展迅速，之后樁前沖刷深度隨沖刷時(shí)間的增加而出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，但基本穩(wěn)定在60 mm；在網(wǎng)格防護(hù)情況下，前40 min樁前沖刷深度迅速增加到24 mm，之后沖刷深度的波動(dòng)與無防護(hù)沖刷工況相似；將網(wǎng)格覆蓋在沖刷坑表面后，隨著沖刷時(shí)間的增加網(wǎng)格下方淤積的泥沙逐漸增多，沖刷深度逐漸降低，9 h后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)樁前沖刷坑深度減小到37 mm。

圖11 沖刷/淤積高度發(fā)展過程(S=17.9)

圖12展示了網(wǎng)孔大小為7 mm×7 mm的中性網(wǎng)格的防沖促淤效果?？梢钥闯觯行跃W(wǎng)格防護(hù)后，局部沖刷范圍大大減小，沖刷深度顯著降低，且樁前以及樁兩側(cè)的網(wǎng)格上方出現(xiàn)較多的淤積泥沙，對(duì)于已經(jīng)形成的沖刷坑，中性網(wǎng)格也有較好的修復(fù)效果。

圖12 網(wǎng)格覆蓋后的防沖促淤結(jié)果(S=17.9)

2.3.2 網(wǎng)孔大小對(duì)防沖促淤效果的影響

理論上講，中性網(wǎng)格的網(wǎng)孔越大，來沙越容易從網(wǎng)孔下落進(jìn)入沖刷坑，但坑內(nèi)水流強(qiáng)度也越大，泥沙越易被沖刷。而網(wǎng)孔尺寸太小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)上游來沙不能迅速落入沖刷坑內(nèi)，促淤效率降低。因此，需要研究網(wǎng)孔大小對(duì)防沖促淤效果的影響，篩選出合適的網(wǎng)孔尺寸。

圖13顯示5種不同網(wǎng)孔大小的中性網(wǎng)格覆蓋后圓樁周圍局部沖刷形態(tài)，總體來看，在網(wǎng)格防護(hù)下幾乎沒有出現(xiàn)局部沖刷坑，最大沖刷深度及沖刷坑的范圍隨著孔徑減小而逐漸減小。對(duì)比分析樁前和樁兩側(cè)的沖刷深度可以發(fā)現(xiàn)：在網(wǎng)格的防護(hù)作用下，沖刷深度可降低44%(S=28.2)至92%(S=7.7)；S=23.1和S=28.2的網(wǎng)格防護(hù)效果相差很小。此外，樁后的防護(hù)效果最為顯著，5種網(wǎng)孔尺寸的網(wǎng)格都可以使樁后幾乎不出現(xiàn)局部沖坑，并且網(wǎng)格上方均出現(xiàn)了淤積現(xiàn)象。

圖13 不同孔徑的網(wǎng)格防護(hù)下局部沖刷情況

圖14顯示5種不同網(wǎng)孔大小的中性網(wǎng)格對(duì)已存在沖刷坑的促淤修復(fù)效果，總體來看，5種網(wǎng)孔大小的網(wǎng)格都可以大幅度修復(fù)原有沖刷坑，S=7.7 時(shí)，樁前沖刷深度可降低73%，樁兩側(cè)的沖刷坑深度可降低81%；樁后沖刷坑被泥沙淤滿并出現(xiàn)堆積。

圖14 不同孔徑的網(wǎng)格防護(hù)下沖刷坑修復(fù)情況

結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)孔尺寸對(duì)防沖促淤效果的影響規(guī)律與對(duì)沖刷坑內(nèi)流速的影響規(guī)律一致：沖刷坑內(nèi)最大流速值和沖刷坑深度均隨著孔徑比的減小而減小。此外，S=7.7的網(wǎng)格對(duì)局部沖刷的防護(hù)和修復(fù)效果最好，但是樁前的床面出現(xiàn)了明顯的隆起，這是由于網(wǎng)孔尺寸偏小，導(dǎo)致落淤的泥沙較多，部分泥沙沒有落入沖刷坑內(nèi)而是淤積在樁前的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)上方。

綜上所述，中性網(wǎng)格具有較明顯的防沖促淤作用，但S不同時(shí)防沖促淤效果差別較大，在文中試驗(yàn)的水沙條件下，初步建議S小于8。

3 討 論

中性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以弱化沖刷坑內(nèi)水流強(qiáng)度，降低水流的挾沙能力，大大減輕圓樁周圍的局部沖刷程度。但值得注意的是，其網(wǎng)孔大小十分重要，最佳網(wǎng)孔尺寸可能會(huì)隨泥沙和流速等條件而變化，文中研究提出的最佳孔徑比適用于無黏性細(xì)砂的沖刷條件。之后還需開展深入試驗(yàn)，擴(kuò)大網(wǎng)孔比的試驗(yàn)范圍，并擴(kuò)大泥沙參數(shù)、來流流速、水深等試驗(yàn)范圍。由于無黏性泥沙和黏性泥沙對(duì)樁墩沖刷的響應(yīng)規(guī)律不同，一方面黏性泥沙一旦被起動(dòng)或起揚(yáng)，泥沙顆粒就不容易停止運(yùn)動(dòng)，因此，黏性泥沙的運(yùn)動(dòng)往往是推移和懸移兩種形式并存[19]；另一方面，中性網(wǎng)格受紊流及樁墩作用而可能發(fā)生微幅振動(dòng)，對(duì)其接觸的黏性泥沙可誘發(fā)流化[20]，此時(shí)的防護(hù)效果也許不同。

4 結(jié) 語

采用數(shù)值模擬方法分析了清水沖刷下中性網(wǎng)格覆蓋前后沖刷坑內(nèi)的水動(dòng)力變化，以及網(wǎng)孔尺寸對(duì)沖刷坑內(nèi)流速的影響，揭示了中性網(wǎng)格的防沖促淤機(jī)理。在此基礎(chǔ)上開展水槽試驗(yàn)，研究了不同網(wǎng)孔尺寸中性網(wǎng)格的防沖促淤效果，得出以下結(jié)論：

1)中性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)防護(hù)下，樁前來流幾乎不受影響，但沖刷坑內(nèi)水動(dòng)力被弱化，具體表現(xiàn)為流速明顯減小，原有下潛水流、馬蹄形漩渦和尾渦的結(jié)構(gòu)被破壞，沖刷坑內(nèi)原本強(qiáng)烈的渦系結(jié)構(gòu)均變成了較完整的回流，大大減弱了對(duì)樁周圍泥沙沖刷的水動(dòng)力。

2)中性網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的覆蓋可以有效抑制水下樁墩附近的局部沖刷，使局部沖刷坑的范圍顯著縮小，沖刷坑深度也明顯降低；對(duì)于已經(jīng)存在的局部沖刷坑，中性網(wǎng)格的覆蓋作用會(huì)促進(jìn)泥沙落淤，較大程度地淤滿原有沖刷坑。

3)孔徑比對(duì)沖刷坑內(nèi)的水動(dòng)力弱化和防沖促淤效果有較大影響且影響規(guī)律相似。隨著孔徑比的減小，沖刷坑內(nèi)的流速極值逐漸減小，中性網(wǎng)格對(duì)圓樁局部沖刷的防護(hù)及修復(fù)效果越好。在文中水槽試驗(yàn)范圍下，當(dāng)孔徑比S=7.7時(shí)，在沖刷坑形成前鋪設(shè)中性網(wǎng)格可同比削減沖刷深度92%，平衡沖刷坑形成后再鋪設(shè)中性網(wǎng)格最大沖刷深度可同比削減73%。當(dāng)試驗(yàn)?zāi)嗌碁榧?xì)砂時(shí)，初步建議S小于8。