海洋平臺(tái)立管系統(tǒng)底部局部沖刷試驗(yàn)研究

姜 萌，張杰峰，陳 兵

（大連理工大學(xué)，遼寧 大連116024）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人類開采海底石油與天然氣、海洋礦產(chǎn)資源、海洋空間資源和生物資源的規(guī)模不斷擴(kuò)大，與之相適應(yīng)的海洋工程已成為近60年來發(fā)展最迅速的工程之一。

海洋工程結(jié)構(gòu)物處于復(fù)雜多變的海洋環(huán)境中，要承受風(fēng)、波、流、冰、地震等環(huán)境荷載的強(qiáng)烈作用。在近海大陸架處，平臺(tái)及海底管道周圍海床受泥沙輸移的影響會(huì)遭受波流的強(qiáng)烈沖刷，給平臺(tái)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和正常使用帶來巨大隱患。因此，考慮各種水動(dòng)力因素對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沖刷的影響，便于在設(shè)計(jì)和施工中采取必要的工程防護(hù)措施，對(duì)保證結(jié)構(gòu)在使用期間的安全有重要意義。

目前，各國學(xué)者對(duì)波流作用下的橋墩、防波堤、人工島、大尺度圓柱結(jié)構(gòu)物的局部沖刷都進(jìn)行了詳細(xì)的研究探討，得出了一定的研究成果。對(duì)于單向水流作用下的圓柱周圍的局部沖刷機(jī)理及沖刷的發(fā)展過程已經(jīng)基本明了，對(duì)于波浪作用下小直徑圓柱周圍的局部沖刷只進(jìn)行為數(shù)不多的試驗(yàn)，并沒有可靠的估算沖刷深度的計(jì)算公式。

海洋平臺(tái)的立管、水平管與導(dǎo)管架樁組成的立管系統(tǒng)，其周圍的水流情況非常復(fù)雜，可以引起立管的局部沖刷和水平管暴露懸空，有時(shí)沖刷十分嚴(yán)重。在這種復(fù)雜的邊界條件下不能用簡(jiǎn)單的估算方法和數(shù)值模擬來推算立管系統(tǒng)的沖刷程度，故解決此類問題最佳的手段是物理模型試驗(yàn)。因此基于平臺(tái)立柱周圍波流作用下的局部沖刷機(jī)理，采用試驗(yàn)方法對(duì)波流水槽中立管系統(tǒng)周圍的局部沖刷進(jìn)行了觀測(cè)，了解其周圍的沖刷形態(tài)和范圍，估算立管和腿柱周圍底部的平衡沖刷深度，以供設(shè)計(jì)作為參考依據(jù)。

圖1 樁與立管結(jié)構(gòu)圖

1 試驗(yàn)設(shè)備與模型

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和儀器

試驗(yàn)在大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院港口航道與海岸工程實(shí)驗(yàn)室的波流水槽中進(jìn)行。試驗(yàn)水槽的主要尺寸：長47m，寬1m，深1.3m。水槽一端為造波系統(tǒng)設(shè)備與水流口出流，造波系統(tǒng)為電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式造波機(jī)，另一端設(shè)出流口和消能設(shè)施，水流與波浪同向。在水槽中段設(shè)置3 m×1m×0.3m的試驗(yàn)沙盤，內(nèi)置試驗(yàn)沙，在沙盤中央安放置模型（如圖1所示）。用日本生產(chǎn)的淤厚儀測(cè)量沖淤地形，地形沖淤值是試驗(yàn)開始前某測(cè)點(diǎn)的高程讀數(shù)與測(cè)定時(shí)在該測(cè)點(diǎn)上的高程讀數(shù)值之差，正值表示淤積，負(fù)值表示沖刷。

1.2 模型

按照試驗(yàn)結(jié)構(gòu)原型尺寸、試驗(yàn)水槽的大小與造波造流能力，確定正態(tài)模型幾何比尺為20。模型立管、立管樁及水平管道由表面光滑的有機(jī)玻璃管制成，模型立管直徑為25mm，立管樁直徑為80mm，立管樁下端固定，并用管夾將立管固定在立管樁上。

1.3 試驗(yàn)水文要素

表1 水文要素原型值

表2 水文要素模型值

2 試驗(yàn)步驟與測(cè)點(diǎn)布置

2.1 試驗(yàn)步驟

（1）在沙盤模型區(qū)安放樁與立管模型，并且固定好。

（2）將泥沙放置在模型區(qū)內(nèi)并且整平，整平的精度控制在初試沙面高程誤差不超過±5mm。（3）放水至規(guī)定水深。按圖2的測(cè)點(diǎn)布置用淤厚儀測(cè)量各點(diǎn)初始高程。

（4）按要求調(diào)好造波系統(tǒng)和造流系統(tǒng)，開動(dòng)機(jī)器，造波生流，使波高、周期和流速符合表2要求。

（5）在試驗(yàn)過程中，不斷從上游加入試驗(yàn)沙，以補(bǔ)充在試驗(yàn)中不斷地向下游輸出的沙。要求試驗(yàn)段的上邊界處沙面高程不明顯降低。

（6）每隔半個(gè)小時(shí)用淤厚儀測(cè)量樁與立管模型周邊4個(gè)沖深監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沖淤高程。（7）當(dāng)沖刷坑內(nèi)的高程不再降低或最大沖刷點(diǎn)上沖淤交替出現(xiàn)時(shí)，認(rèn)為沖刷已達(dá)到極限，這時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。（8）用淤厚儀測(cè)量地形測(cè)點(diǎn)標(biāo)高。然后，將水槽內(nèi)水放掉，用尺子測(cè)量模型周圍沖刷坑最大值，測(cè)量沖刷范圍，觀察水平管懸空長度。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

（1）如圖2所示，測(cè)區(qū)范圍：800mm×1 000mm；基本測(cè)點(diǎn)間距為50mm。在立管樁附近點(diǎn)測(cè)點(diǎn)加密一倍，測(cè)點(diǎn)間距為25mm。全部共計(jì)580個(gè)沖刷地形測(cè)點(diǎn)。

（2）如圖3所示，在樁與立管模型周圍設(shè)置4個(gè)沖深監(jiān)測(cè)點(diǎn)（1、2、3、4）。

圖2 地形測(cè)點(diǎn)分布圖

圖3 沖深監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 立管周圍沖淤形態(tài)的一般特征

沖刷開始后，在立管前后出現(xiàn)少量不規(guī)則沙紋，隨著沖刷的發(fā)展，形成一條條近似平行、間距大致相同的沙紋。同時(shí)，立管系統(tǒng)周圍由于漩渦的作用形成較淺的沖刷坑。隨著波流作用，沖刷坑的規(guī)模不斷增大，沖刷坑范圍和沖刷深度也在增加。經(jīng)過3個(gè)小時(shí)左右的波流共同作用，沙紋不再增高，隨時(shí)間向前推移，沖刷坑深度隨沙紋的推移深度產(chǎn)生周期性變化。

此時(shí)各組試驗(yàn)一般都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，測(cè)得最終沖淤地形圖。根據(jù)這些沖淤地形圖的觀察，沖淤形態(tài)可以分為兩類：第一類為純波作用的情況，沖刷坑的范圍和深度較?。ㄈ鐖D4所示）；第二類為波流共同作用的情況，沖刷坑的范圍和深度較前者大很多（如圖5所示）。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，純波單獨(dú)作用時(shí)，立管系統(tǒng)周圍并沒有明顯的沖刷坑，試驗(yàn)區(qū)域呈現(xiàn)不規(guī)則的沙波形態(tài)。在波浪作用下，一般圓柱周圍存在尾渦，尾渦產(chǎn)生的形態(tài)接近于單向水流。波浪水流的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使尾渦在圓柱的迎波一側(cè)及背波一側(cè)反復(fù)出現(xiàn)。隨著波浪非線性作用的增強(qiáng)，兩側(cè)的尾渦強(qiáng)度差別擴(kuò)大，直至在迎波的一側(cè)無明顯的尾渦，泥沙的凈輸送造成立管系統(tǒng)周圍的沖刷。

波流作用時(shí)，試驗(yàn)區(qū)域出現(xiàn)明顯的沙紋，立管系統(tǒng)周圍大部分發(fā)生局部沖刷，出現(xiàn)明顯的沖刷坑，立管系統(tǒng)后方小部分為泥沙淤積。由于立管系統(tǒng)附近的局部地區(qū)的水流得到加強(qiáng)或產(chǎn)生漩渦，這種局部強(qiáng)化或高速旋轉(zhuǎn)的水流形成沖刷坑。在沖刷過程中，沖刷坑開始時(shí)形成的過程較快，隨著時(shí)間的推移，沖刷坑達(dá)到平衡，之后沖刷坑隨時(shí)間周期性變化。試驗(yàn)結(jié)果顯示，波流作用下，立管系統(tǒng)的沖刷坑深度和范圍比純波浪沖刷坑大的多（如圖5所示）。

圖4 純波作用下立管周圍的泥沙沖刷狀態(tài)（N0.4）

圖5 波流作用下立管周圍的泥沙沖刷狀態(tài)（N0.9）

3.2 平衡沖刷深度

在試驗(yàn)過程中，為了監(jiān)測(cè)沖刷平衡狀態(tài)的出現(xiàn)，在圓柱體模型周圍4個(gè)沖刷監(jiān)測(cè)特征點(diǎn)每隔半小時(shí)量測(cè)一次。當(dāng)監(jiān)測(cè)的沖刷坑深度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，試驗(yàn)停止，表3為立管系統(tǒng)周圍沖刷穩(wěn)定后的最大沖刷深度測(cè)量值。為了更好地對(duì)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)表3畫出了4個(gè)沖深監(jiān)控點(diǎn)對(duì)比曲線（如圖6所示）。

表3 立管周圍監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大沖刷深度

圖6 沖深監(jiān)控點(diǎn)對(duì)比曲線

3.3 各種因素對(duì)平衡沖刷深度的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，流速是決定最大沖刷坑深度的關(guān)鍵因素。從圓柱周圍的最終沖淤地形圖和沖深監(jiān)測(cè)點(diǎn)歷時(shí)曲線顯示，NO.3組別的地形的最大沖刷深度為1.9m。因此，波流共存場(chǎng)中，在其他海洋環(huán)境因素相同的條件下，流速增大（最大達(dá)到1.5m／s）可以使最大沖刷深度急劇地增大。

在水深、流速相同的條件下，波高增大，導(dǎo)致水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)更加強(qiáng)烈，使沖刷坑的范圍變大，出現(xiàn)最大平衡深度時(shí)間變短。因此，沖刷深度一般隨波高的增大而增大，但是隨著相對(duì)波高加大，沖刷深度會(huì)達(dá)到最大值。

通過上述沖后地形圖可以看出，在立管系統(tǒng)正前方2.5m范圍內(nèi)沖刷最嚴(yán)重，流速越大，沖刷越嚴(yán)重。在波流共存場(chǎng)中，立管系統(tǒng)后方出現(xiàn)淤積，且流速越小，淤積越嚴(yán)重。

圖7 沖后地形圖（NO.3）

圖8 沖后地形圖（NO.4）

圖9 沖后地形圖（NO.5）

圖10 沖后地形圖（NO.6）

4 結(jié)論

通過本試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?，在不同波況及不同流速大小狀態(tài)下的試驗(yàn)研究分析，在波流共存場(chǎng)中，對(duì)小直徑樁立管系統(tǒng)的沖刷比對(duì)單純波浪作用下的嚴(yán)重的多。并且，在波流共存場(chǎng)中，流速成為引起立管系統(tǒng)周圍沖刷的最重要的因素。在試驗(yàn)中，其他環(huán)境條件相同的條件下，隨著流速的增大，沖刷急劇增大。

參考小直徑樁沖刷機(jī)理可以看到，在波流共存場(chǎng)作用下，立管系統(tǒng)周圍形成的馬蹄形漩渦及其后方的剝蝕漩渦與單純水流作用相比，發(fā)生變形，使其沖刷深度與沖刷范圍都急劇增加。在水流和泥沙中值粒徑一樣的情況下，隨著波高和周期的增大，立管系統(tǒng)前方最大沖刷深度減小，立管后方淤積增加。在外界環(huán)境條件相同的條件下，立管系統(tǒng)與來流方向角度從垂直變?yōu)閮A斜，立管系統(tǒng)周圍最大沖刷深度增加。在波況和水流一樣的情況下，泥沙中值粒徑的不同，立管系統(tǒng)周圍最大沖刷深度基本上沒有變化，但是小顆粒泥沙沖刷范圍增加了近一倍。

［1］錢寧，萬兆惠.泥沙動(dòng)力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1983.

［2］王文海，陳雪英.樁柱周圍海底沖刷深度計(jì)算及動(dòng)力參數(shù)的選?。跩］.海岸工程，1998，（1）：1-8.

［3］孫永福，宋玉鵬，邊淑華.海洋平臺(tái)樁基周圍沖刷過程及沖刷機(jī)理分析［J］.中國海洋大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，（4）：636-640.

［4］Kandasamy J K，Melville B W.Maximum local scour depth at bridge piers and abutments［J］.Journal of Hydraulic Research，1998，36（2）：183–198.

［5］陳兵，邵學(xué)，韓麗華，姜萌.海洋立管的局部沖刷實(shí)驗(yàn)［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，（6）：712-720.

［6］李林普，陳士蔭，王惟誠等.波流共同作用下直立大直徑圓柱基礎(chǔ)沖刷的試驗(yàn)研究［C］.第七屆近海工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.北京：海洋出版社，1994.

［7］陳海鷗.波流共同作用下直立大直徑圓柱建筑物周圍的局部沖刷研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2002.

［8］李林普，張日向.波流作用下大直徑圓柱體基底周圍最大沖刷深度預(yù)測(cè)［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，43（5）：775-780.