強(qiáng)潮高濁度海域坐底結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性分析

劉 炬，王少華，李 莉，孫紅月

(浙江大學(xué) 海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

海床基觀測(cè)平臺(tái)，一般布置于沿岸的河口、海灣及近岸淺海海底。該平臺(tái)可搭載多種設(shè)備，測(cè)量設(shè)備投放點(diǎn)的溫、鹽、水質(zhì)、懸沙、葉綠素、流速剖面及通量等時(shí)空變化的參數(shù)，并結(jié)合多個(gè)站點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合處理，建立海洋水體交換生態(tài)環(huán)境的時(shí)空模型。該系統(tǒng)對(duì)于科學(xué)管理、治理、開發(fā)利用海洋資源，以及海洋工程建設(shè)、航道治理、海上作業(yè)、海港維護(hù)等均具有重要意義[1]。隨著人類對(duì)海洋探測(cè)活動(dòng)的持續(xù)深入，建設(shè)長期、穩(wěn)定、可靠的海底綜合觀測(cè)網(wǎng)成為海洋研究的迫切需求。

海床基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)的多樣性。近年來，學(xué)界對(duì)于坐底結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性和水沙動(dòng)力機(jī)制進(jìn)行了一定的研究。為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，海床基結(jié)構(gòu)的底部方案主要分為兩種：通過支腳和籠架避免傾斜和下沉作用影響的懸空式設(shè)計(jì)，如Hu等[2]設(shè)計(jì)的一種近海原位觀測(cè)系統(tǒng)；以及底盤整體與海底接觸的坐底式設(shè)計(jì)，如Deateris等[3]設(shè)計(jì)的一種以混凝土為主體的抗拖網(wǎng)海床基原型。在實(shí)際應(yīng)用中，坐底式設(shè)計(jì)因?qū)Σ荚O(shè)環(huán)境要求較低而被廣泛采用，但在設(shè)計(jì)時(shí)需要研究局部沖刷過程對(duì)其穩(wěn)定性造成的影響。Kim等[4]對(duì)淺水區(qū)坐底結(jié)構(gòu)物的局部沖刷進(jìn)行了試驗(yàn)研究，指出底層流的擾動(dòng)是造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的主要因素；林軍等[5]從物理環(huán)境、結(jié)構(gòu)材料、投放沖擊力等角度出發(fā)，歸納分析了淺水海底結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性影響因素。近年來，數(shù)值計(jì)算模擬方法由于應(yīng)用范圍廣、設(shè)置方便等優(yōu)勢(shì)，在海底沖刷研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。于凱本等[6]，高健[7]對(duì)清水沖刷作用下坐底結(jié)構(gòu)物的外部流場(chǎng)和沖刷過程進(jìn)行了模擬，建立了海床基周邊沖刷模擬的數(shù)值模型；胡展銘等[8]針對(duì)河口淤泥質(zhì)海域底質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)物的吸附作用進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；Muthukkumaran等[9]基于FDA法，分析了海底斜坡上結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性。而目前對(duì)于海底結(jié)構(gòu)物在水流和沉降作用下的綜合穩(wěn)定能力分析則較少。

立足于我國浙江省舟山海域內(nèi)的摘箬山島試驗(yàn)基地，采用理論計(jì)算與數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方式，從抗滑移、傾覆、沉降能力，以及基腳沖刷作用下穩(wěn)定性的角度，分析混凝土海床基結(jié)構(gòu)在潮汐作用較強(qiáng)，懸沙濃度較高海域坐底后的綜合穩(wěn)定性，從而為相似海域條件下海底觀測(cè)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)物數(shù)值模型搭建

1.1 工程背景

摘箬山島，位于舟山本島南側(cè)。摘箬山島及其周邊海域?qū)侔肴粘焙^(qū)，實(shí)測(cè)平均潮差為1.91～3.31 m。大潮期漲潮垂線平均流速為0.56～0.77 m/s，最大流速為1.28 m/s；落潮垂線平均流速為0.54～0.98 m/s，最大流速為1.14 m/s。

該海域的海底表層沉積物主要以粉砂和砂質(zhì)粉砂為主。粉砂是研究區(qū)內(nèi)分布最廣的沉積物類型，主要分布在受島嶼影響較小的海域，如舟山群島的北部、東部和南部等開闊海域，而在水動(dòng)力作用較強(qiáng)的群島之間分布較少。其平均粒徑在6.2～14.7 μm之間。砂質(zhì)粉砂主要分布在島嶼周圍，如衢山島以西和大長涂山周圍的小部分海域，表明島嶼對(duì)砂質(zhì)粉砂分布影響顯著。其平均粒徑在12.9～27.5 μm 之間[10-13]。根據(jù)羅含思等[14]對(duì)舟山海域底質(zhì)特征的試驗(yàn)研究，舟山海域底質(zhì)含水率在35%～42%，天然平均密度為1.75 g/cm3，孔隙率0.65，干密度0.586 g/cm3。根據(jù)管鍵等[15]的試驗(yàn)研究，海域底質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)黏聚力為10.8 kPa，標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)摩擦角φ為12°。工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)顯示，底質(zhì)表層粉砂厚度可達(dá)12 m以上[16]。

1.2 Flow-3D模型介紹

對(duì)于海床基腳點(diǎn)由于海流沖刷發(fā)生的侵蝕和掏空作用，運(yùn)用美國Flowscience公司開發(fā)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件Flow-3D中FAVOR技術(shù)以及有關(guān)自由液面的VOF方法對(duì)海床基處于不同流速和不同泥沙粒徑的沖刷機(jī)理進(jìn)行了仿真模擬計(jì)算，以確定該作用對(duì)海床基沉降和偏斜的影響。

針對(duì)所擬計(jì)算案例，采用RNG k-ε模型對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解。RNG k-ε模型通過統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，對(duì)平均流動(dòng)中的旋流和渦流情況進(jìn)行計(jì)算以修正湍流黏度，對(duì)于應(yīng)變率高、流線彎曲程度大、渦流作用強(qiáng)烈的流動(dòng)處理效果較好[17-18]。

Flow-3D通過泥沙沖刷模塊對(duì)流體中泥沙運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行分析。該模塊基于大量工程實(shí)例統(tǒng)計(jì)結(jié)果得到的經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)泥沙起動(dòng)與推移進(jìn)行計(jì)算。首先通過臨界希爾茲數(shù)計(jì)算泥沙顆粒的臨界剪切應(yīng)力τc。

τc=θcr·dsg·(ρs-ρw)

(1)

式中：θcr為泥沙顆粒的臨界希爾茲數(shù)，該數(shù)值由工程經(jīng)驗(yàn)與泥沙特性綜合考慮得到;ds為泥沙粒徑；ρs為泥沙顆粒密度；ρw為流體密度。計(jì)算剪切應(yīng)力后，即可得到填充層界面的起動(dòng)速度vl。

(2)

式中：τ為界面上的剪切應(yīng)力幅值；ρ0為宏觀流體密度；SCRALP為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，用以調(diào)整特定床面的沖刷侵蝕速率。

1.3 模型設(shè)置

數(shù)值模型的設(shè)置上，綜合考慮舟山群島區(qū)海域的水文地質(zhì)特征與理論計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行設(shè)定。為使得來流充分發(fā)展，設(shè)定計(jì)算域尺寸為20 m×6 m×4 m(長×寬×高)。為模擬橫向?qū)挾容^大的情況并節(jié)省計(jì)算資源，計(jì)算域的左右邊界設(shè)定為鏡像無通量邊界(symmetry)[19]；前邊界為速度入口(specified velocity)，為模擬海域內(nèi)的懸沙濃度，參考懸沙測(cè)量數(shù)據(jù)[10，13]，取輸入流泥沙體積分?jǐn)?shù)為3.3×10-4；后邊界為出流邊界(outflow)，下邊界設(shè)置為固壁邊界(wall)。計(jì)算域的上邊界設(shè)定為壓力邊界，設(shè)置壓力為3.52×105Pa，以模擬40 m水深下的計(jì)算域壓力。設(shè)定床沙厚度為1 m，床沙在前后邊界各放置一擋板，以防止床沙發(fā)生整體漂移。計(jì)算域及邊界設(shè)置情況如圖1。初始條件設(shè)定重力加速度為9.81 m/s2；初始水深為4 m；流體海水密度為1 025 kg/m3；計(jì)算時(shí)間設(shè)置為120 s；Flow-3D軟件會(huì)在計(jì)算過程中隨著收斂情況自動(dòng)調(diào)整步長，設(shè)定最低步長為0.000 1 s。

圖1 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分Fig. 1 Model meshing ichnography

參考舟山海域泥沙粒徑分布特征，設(shè)置泥沙粒徑為0.01 mm；設(shè)置泥沙土粒密度為2 650 kg/m3；根據(jù)Soulsby[20]對(duì)臨界希爾茲數(shù)的公式研究，求得臨界希爾茲數(shù)θcr為0.054 3；泥沙休止角參考淤泥質(zhì)粉土內(nèi)摩擦角，取值為12°。根據(jù)螺頭水道海域流速監(jiān)測(cè)結(jié)果[10]，海域底層流速在漲急時(shí)取得峰值，為1.14 m/s左右。為保證計(jì)算結(jié)果的安全性，將數(shù)值模型計(jì)算的入口流速取值為1.15 m/s。

采用CFD軟件的網(wǎng)格生成功能進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格的劃分。其中全局網(wǎng)格在x方向的網(wǎng)格單元數(shù)為200個(gè)，y方向?yàn)?0個(gè)，z方向?yàn)?0個(gè)。為更加精確地計(jì)算結(jié)構(gòu)體及其周邊流場(chǎng)和泥沙沖刷的變化，對(duì)以結(jié)構(gòu)體為中心6 m×3 m×4 m的計(jì)算域進(jìn)行加密處理，計(jì)算域總網(wǎng)格數(shù)為936 000個(gè)。計(jì)算網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

1.4 模型驗(yàn)證

通過將仿真計(jì)算所得的沖淤結(jié)果與試驗(yàn)的結(jié)果相比較，可以驗(yàn)證數(shù)值模式的正確性。采用Khosronejad[21]的橋墩沖刷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，沖刷數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)情況如圖2。

圖2 Khosronejad試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果對(duì)比Fig. 2 Comparison of experimental results of Khosronejad and numerical simulation results

模型驗(yàn)證結(jié)果顯示，所采用的數(shù)值模型在柱體側(cè)面高速?zèng)_刷區(qū)部分計(jì)算得到的結(jié)果比較接近物理模型試驗(yàn)的情況，包括柱體側(cè)面的沖坑形態(tài)以及沖刷的最大深度，都得到了比較有效地印證。但數(shù)值模型在柱前及柱后部分的沖刷結(jié)果則有不足，推斷是由于數(shù)值模型對(duì)于模擬柱體前后隨機(jī)和小尺度的渦旋及其對(duì)沖刷作用的影響還不夠完善。由于結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性的改變過程由柱側(cè)高速?zèng)_刷區(qū)主導(dǎo)，因此數(shù)值模型可以對(duì)影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主導(dǎo)因素進(jìn)行較好地模擬。

1.5 結(jié)構(gòu)體工況設(shè)置

坐底平臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)能最大限度地適合摘箬山島海域的海況條件和海底沉積物特性，同時(shí)兼顧生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性等因素?；A(chǔ)設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)滿足探測(cè)儀器布置和掛靠的需求。

混凝土材料具有造價(jià)經(jīng)濟(jì)、密度適宜、可塑性強(qiáng)、強(qiáng)度較高等特點(diǎn)，故采用混凝土結(jié)構(gòu)體材料為例。設(shè)計(jì)3種坐底混凝土結(jié)構(gòu)體工況，分別為圓柱體、圓臺(tái)、90°直角菱形柱體。參考相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，海床基結(jié)構(gòu)體材質(zhì)選用強(qiáng)度等級(jí)C35的混凝土，抗?jié)B等級(jí)P8，密度2 500 kg/m3。結(jié)構(gòu)體強(qiáng)度和耐久性需滿足設(shè)計(jì)需求[22]。表1為3種海床基結(jié)構(gòu)體的具體參數(shù)。

表1 結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)參數(shù)表Tab. 1 Table of structure design parameters

2 結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性計(jì)算與分析

坐底結(jié)構(gòu)物水平方向上主要受水流力、波浪力和地面摩擦力作用，豎直方向上主要受到重力、浮力、支承力的作用。舟山螺頭水道水深較大，且受群島遮掩，波浪作用較弱，故忽略波浪力對(duì)坐底結(jié)構(gòu)物的影響，在水平方向上主要分析水流對(duì)結(jié)構(gòu)的傾覆和推移作用，在豎直方向上主要研究泥沙底面的承載能力。因此重點(diǎn)引用相關(guān)規(guī)范推薦的公式，計(jì)算了結(jié)構(gòu)體的抗推移、抗傾覆、抗沉降安全系數(shù)，并結(jié)合相關(guān)研究，進(jìn)行了對(duì)傾斜狀況下結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性的計(jì)算。

2.1 水流作用力計(jì)算

水流力主要受水流阻力、密度、流速和結(jié)構(gòu)物面積影響，計(jì)算公式為[23]：

(3)

式中：Fw為水流力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Cw為水流阻力系數(shù)；ρ為水密度，t/m3，海水取1.025 t/m3；V為水流設(shè)計(jì)流速，m/s；A為計(jì)算結(jié)構(gòu)體在與流向垂直的平面上的投影面積，m2。分別計(jì)算得出3個(gè)結(jié)構(gòu)物工況在漲潮與落潮時(shí)的最大/最小水流力如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)體在漲落潮極端速度下所受水流力Fig. 3 Current forces on structures at extreme rates

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)漲潮流速最大時(shí)，得到所受水流力最大值，其中圓柱所受最大水流力為437.59 N，圓臺(tái)所受最大水流力為499.53 N，菱形所受水流力為929.13 N。

2.2 結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性計(jì)算

根據(jù)波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的相關(guān)公式[24]進(jìn)行計(jì)算，認(rèn)為在研究海域海底水深下，海面波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響比較微小，因此主要研究水流對(duì)結(jié)構(gòu)體的作用。結(jié)構(gòu)體投放之后，主要從以下幾個(gè)方面計(jì)算其穩(wěn)定性：結(jié)構(gòu)抗滑移安全系數(shù)、抗傾覆安全系數(shù)、地基承載力以及結(jié)構(gòu)沉降量。定義結(jié)構(gòu)抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)[23]S1為：

(4)

式中：G為計(jì)算面上重力標(biāo)準(zhǔn)值；Pu為計(jì)算面上的浮托力標(biāo)準(zhǔn)值；Fw為計(jì)算面上的水平作用力標(biāo)準(zhǔn)值。γw，γG，γu分別為相應(yīng)力的分項(xiàng)系數(shù)，γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，f為計(jì)算面的摩擦因數(shù)。根據(jù)該公式，對(duì)結(jié)構(gòu)物的抗滑移能力進(jìn)行核算。取g=9.81 m/s2，則G=ρGgVG；Pu=ρgVG。根據(jù)淤泥質(zhì)土的摩擦特性，取f=0.3。

定義結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)S2為：

(5)

式中：Mw、MG、Mu分別為水流力、重力、浮托力對(duì)腳點(diǎn)作用的力矩；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)。對(duì)于水中的結(jié)構(gòu)物，水流力合力點(diǎn)位置位于頂面或水面下H/3處，取水流傾覆力力臂lw=2/3H[23]。重力與浮力作用點(diǎn)均位于結(jié)構(gòu)物重心，取重力與浮托力力臂為半徑r或?qū)蔷€長度的一半，即lG=lu=r=b/2，b為柱體結(jié)構(gòu)迎水投影面寬度。

結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)底面的平均壓力與地基的承載能力應(yīng)符合pk

fa=Mbγb+Mdγmd+Mcck

(6)

式中：Mb、Md、Mc為基于土的內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值選取的承載力系數(shù)，γ為基礎(chǔ)地面下土重度；b為基礎(chǔ)底面寬度；γm為基礎(chǔ)底面以上土的平均重度；d為基礎(chǔ)埋置深度；ck為基底下一倍短邊寬度的深度范圍內(nèi)土的黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值。

對(duì)于軟黏土地基，初始沉降采用彈性理論求解，固結(jié)沉降采用固結(jié)理論計(jì)算，次固結(jié)沉降采用次固結(jié)理論計(jì)算。得出的總沉降量計(jì)算公式為[26]：

(7)

綜合以上計(jì)算結(jié)果，得到3種結(jié)構(gòu)體工況的穩(wěn)定性結(jié)果如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Tab. 2 Statistical table of structural stability calculation

計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，在典型流速分布條件下，布設(shè)在海底的結(jié)構(gòu)體所受的水流沖擊力主要由結(jié)構(gòu)水力阻力系數(shù)與迎流投影面積控制。3種工況所受的水流力以圓柱為最小，圓臺(tái)次之，而菱形柱工況所受水流力為其他兩種工況的2倍左右。3種結(jié)構(gòu)物工況在最大水流力下，其抗滑移穩(wěn)定系數(shù)S1、抗傾覆系數(shù)S2均大于1，符合抗滑移傾覆穩(wěn)定規(guī)范?；诠?3)和(4)的計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)體本身的重量很大，海域底部水流力對(duì)結(jié)構(gòu)體的推移和傾覆作用影響很小，不穩(wěn)定的趨勢(shì)主要由浮托力提供。由于圓柱體結(jié)構(gòu)迎流阻力系數(shù)較低，圓臺(tái)結(jié)構(gòu)迎流面積較小，兩種結(jié)構(gòu)物抗水流力的推移和傾覆作用能力均好于菱形柱結(jié)構(gòu)。

抗表面滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)的相關(guān)分析見2.3部分。

2.3 結(jié)構(gòu)物基腳沖刷特征分析

為研究結(jié)構(gòu)物基腳發(fā)生的沖淤演變，及其對(duì)結(jié)構(gòu)物的傾斜作用，對(duì)3種工況，分別進(jìn)行了數(shù)值模擬。在數(shù)值模擬中，選取較長的模擬時(shí)間，使得沖淤平衡基本達(dá)到穩(wěn)定，再通過對(duì)沖淤平衡穩(wěn)定時(shí)刻的沖刷坑形態(tài)進(jìn)行分析，得出結(jié)構(gòu)體在該海況下受沖刷導(dǎo)致的傾斜情況。通過分析仿真結(jié)果時(shí)間序列發(fā)現(xiàn)，一般在模擬開始120～150 s后基本達(dá)到?jīng)_淤平衡，150 s內(nèi)的沖刷深度—時(shí)間變化曲線如圖4。

圖 4 3種工況下沖刷深度—時(shí)間變化曲線Fig. 4 Erosion depth-time curve under three working conditions

由沖刷模擬結(jié)果可見，圍繞結(jié)構(gòu)體的沖刷作用主要分兩個(gè)部分，分別是迎水面來流與下降流作用形成的柱前沖刷和背水面渦流形成的柱后沖刷。繞流沖刷作用開始后，上游來流因結(jié)構(gòu)體的阻擋與重力作用，在迎水面前發(fā)生下潛與回流，在柱前形成了馬蹄渦。馬蹄渦的下潛水流起動(dòng)和攜帶泥沙作用增強(qiáng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)側(cè)前方出現(xiàn)近似圓錐形狀的沖刷坑，并進(jìn)一步向結(jié)構(gòu)體底部發(fā)展。由于結(jié)構(gòu)體自身的摩阻作用，近壁面的水流速度趨近于零，結(jié)構(gòu)體背水面處發(fā)生了由外側(cè)指向內(nèi)側(cè)的壓力梯度。在雷諾數(shù)較大的環(huán)境下，外側(cè)水流的匯聚在背水面下游形成了隨機(jī)性強(qiáng)的湍流渦旋，從而在背水面形成了范圍較廣，深度較小的沖刷形態(tài)。

仿真計(jì)算得到的沖刷坑形態(tài)和沖深分布如圖5、6所示。由沖刷結(jié)果可見，不同結(jié)構(gòu)體的沖刷結(jié)果差異較大。圓臺(tái)結(jié)構(gòu)體的最大沖刷深度為162 mm，圓柱體的最大沖刷深度為246 mm；菱形柱體結(jié)構(gòu)的最大沖刷深度為351 mm。

圖5 各工況150 s時(shí)床面三維沖刷形態(tài)Fig. 5 Three-dimensional scour shape at 150 s

圖6 各工況150 s沖刷深度分布Fig. 6 Distribution of scouring depth at 150 s

基于模型結(jié)果，對(duì)沖刷坑深度及寬度進(jìn)行測(cè)量，得沖刷坑邊壁坡角θ。根據(jù)地基承載力計(jì)算方法研究[22]，可知在沖刷發(fā)生時(shí)，尚未被海流沖刷作用侵蝕的土體將無法繼續(xù)承載結(jié)構(gòu)體的重力荷載而發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體發(fā)生傾斜。參考Biot等[27]與Barron[28]對(duì)軟土基礎(chǔ)的沉降及三維固結(jié)特性的相關(guān)研究，近似地將沖刷坑邊壁坡角θ作為結(jié)構(gòu)體的傾斜角度進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)海床基發(fā)生傾斜后，其地基破壞形式可分為兩類：因水平方向荷載過大而發(fā)生沿基底方向的表面滑動(dòng)；以及因垂向荷載過大而發(fā)生的深層整體滑動(dòng)。熊小波等[29]建議采用式(8)作為表層滑動(dòng)的判別式：

Pcr=AγBtanφ+2c(1+tanφ)

(8)

式中：A為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取值為3～4；γ為土體容重，當(dāng)土體位于地下水線以下或水下時(shí)取浮容重；B為海床基寬度；c為土體黏聚力，φ為土體內(nèi)摩擦角。

當(dāng)土體受表層滑動(dòng)機(jī)理控制時(shí)，應(yīng)按照下式進(jìn)行穩(wěn)定性核算：

(9)

式中：Fy為豎向壓力總和；Fx為水平向推力總和。

根據(jù)式(8)對(duì)傾斜結(jié)構(gòu)體的主導(dǎo)破壞形式進(jìn)行分析，得海床基結(jié)構(gòu)體的最小基底臨界豎向壓應(yīng)力Pcr=18.32 kN，大于各結(jié)構(gòu)體豎向壓應(yīng)力，即傾斜狀態(tài)下結(jié)構(gòu)體的失穩(wěn)滑動(dòng)作用由表層滑動(dòng)機(jī)理控制。由于迎流面所受沖刷強(qiáng)度更大，此時(shí)結(jié)構(gòu)體向迎流面傾斜，由重力沿床面方向分量產(chǎn)生表層滑動(dòng)趨勢(shì)，水流力與床面摩擦力維持結(jié)構(gòu)體狀態(tài)穩(wěn)定趨勢(shì)。根據(jù)式(9)計(jì)算，得表層滑動(dòng)安全系數(shù)S3。相關(guān)結(jié)果如表2所示。計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)體因基腳沖刷而傾斜后不發(fā)生表層滑動(dòng)，保持穩(wěn)定狀態(tài)。

基于式(6)和(7)的計(jì)算結(jié)果，得3種結(jié)構(gòu)體傾斜角度最大為11.03°(表2)。結(jié)合常見海洋探測(cè)儀器(如ADV等)投放后安全使用測(cè)量范圍可達(dá)30°[30]，故認(rèn)為3種結(jié)構(gòu)體的傾斜度與承載力安全性均符合要求，在海底放置后可以達(dá)到穩(wěn)定，且海床底質(zhì)不會(huì)在結(jié)構(gòu)體重力下產(chǎn)生破壞。通過數(shù)值模擬和計(jì)算，認(rèn)為沖刷后各結(jié)構(gòu)體的抗表層滑動(dòng)能力滿足要求，當(dāng)結(jié)構(gòu)體在沖刷條件下發(fā)生傾斜時(shí)，不會(huì)在床面發(fā)生表層滑動(dòng)。其中圓臺(tái)結(jié)構(gòu)由于沖刷程度較淺，傾斜角度最小，穩(wěn)定性也最好。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是圓臺(tái)形結(jié)構(gòu)在垂向上對(duì)來流起到了分流作用，使得下潛水流和馬蹄渦的沖刷作用較另外兩種工況更弱。

3 討 論

基于結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性理論，選取結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性相關(guān)的重要參數(shù)進(jìn)行敏感性分析。取圓柱體結(jié)構(gòu)工況為參考，分別取0.4 m/s，0.6 m/s，0.8 m/s，1.0 m/s，1.2 m/s代表螺頭水道的近底層流速，設(shè)計(jì)5組時(shí)長為150 s的沖刷工況。在分析抗滑移計(jì)算時(shí)，以柱體迎流面所受平均水流力模擬結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；分析抗傾覆計(jì)算時(shí)，柱體所受傾覆力矩的模擬結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖7顯示，結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果較為一致，說明計(jì)算方法應(yīng)用于螺頭水道是合理的。

圖7 計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比分析Fig. 7 Comparative analysis of calculation results and modelling results

由對(duì)比結(jié)果可見，應(yīng)用第2節(jié)計(jì)算公式可以較好地適應(yīng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定情況計(jì)算。與數(shù)值模擬結(jié)果相比，計(jì)算結(jié)果存在一定的偏離，主要是由于數(shù)值模擬工況中的迎水面水流結(jié)構(gòu)與計(jì)算公式的前提假定存在差異。一方面，結(jié)構(gòu)基腳處的泥沙經(jīng)一段時(shí)間的沖刷，已經(jīng)發(fā)生了形態(tài)變化，而理論公式假定結(jié)構(gòu)物所立平面是平直的，從而導(dǎo)致當(dāng)沖刷過程較為激烈時(shí)，模擬結(jié)果的水流力結(jié)果較計(jì)算結(jié)果更低；另一方面，理論公式的假定中未考慮結(jié)構(gòu)迎水面基腳處存在的馬蹄渦造成的影響，故模擬結(jié)果中結(jié)構(gòu)體所受傾覆力矩受水流力差異與馬蹄渦的共同作用，低于計(jì)算結(jié)果，但偏離程度輕于水流力結(jié)果。

4 結(jié) 語

考慮舟山螺頭水道強(qiáng)潮高濁度海域，以3種常見坐底結(jié)構(gòu)體為例，采用理論計(jì)算與數(shù)值模擬方式，計(jì)算并分析了坐底結(jié)構(gòu)體的抗滑移、抗傾覆、抗下沉能力特性，研究了結(jié)構(gòu)體受一定沖刷后的穩(wěn)定能力，主要結(jié)論如下：

1) 強(qiáng)潮流、高含沙量海域環(huán)境下，影響結(jié)構(gòu)物穩(wěn)定性的主要因素為結(jié)構(gòu)重力和結(jié)構(gòu)形態(tài)。結(jié)構(gòu)重力的影響主要表現(xiàn)為通過重力矩抵抗浮托力和水流作用力產(chǎn)生的傾覆作用，以及通過靜摩擦力矩抵抗表面滑動(dòng)作用。結(jié)構(gòu)形態(tài)主要通過影響結(jié)構(gòu)體周邊的沖淤平衡和水流力作用，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2) 坐底結(jié)構(gòu)物改變其周邊的微流場(chǎng)，進(jìn)而改變床面的沖刷形態(tài)。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，圓臺(tái)坐底結(jié)構(gòu)對(duì)底床沖刷形態(tài)的改變最小，沖刷造成的影響最低。

3) 圓柱體結(jié)構(gòu)抗滑移傾覆能力較強(qiáng)；圓臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)海床底質(zhì)的壓力和沉降深度較小，抗傾斜表面滑動(dòng)的能力較強(qiáng)。文中的研究結(jié)論，可為強(qiáng)潮流高濁度作用海域海底觀測(cè)網(wǎng)海床基結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用提供理論參考。