往復(fù)流作用下潮流能水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)沖刷試驗(yàn)

陳汨梨，林祥峰，張明宗，張繼生

(1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 2.中國(guó)港灣西部非洲區(qū)域公司，科特迪瓦 阿比讓市 06BP6687； 3.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

隨著世界各國(guó)對(duì)可再生清潔能源的日益重視，潮流能因其可預(yù)測(cè)性強(qiáng)、能量密度大等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注[1-2]。在實(shí)際工程中，潮流能水輪機(jī)基礎(chǔ)周?chē)掷m(xù)發(fā)生局部沖刷，最終可能引起機(jī)組整體失穩(wěn)破壞[3]。此外，在海域中布置大規(guī)模潮流能水輪機(jī)陣列會(huì)影響周?chē)Ｓ虻哪嗌齿斶\(yùn)過(guò)程，改變周?chē)Ｓ虻牡匦蔚孛瞇4]。潮流能水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)局部沖刷過(guò)程受單樁基礎(chǔ)和水輪機(jī)葉輪的共同影響，導(dǎo)致前人基于單樁基礎(chǔ)沖刷試驗(yàn)提出的沖刷預(yù)測(cè)方法低估了水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)局部沖刷深度[3]。水流經(jīng)過(guò)水輪機(jī)葉輪時(shí)，由于能量提取，葉輪范圍內(nèi)流速減小，葉輪周?chē)魉偬岣遊5]。當(dāng)水輪機(jī)靠近海床面時(shí)，葉輪周?chē)鲌?chǎng)發(fā)展受海床面限制，葉輪下葉尖和海床面之間的水流明顯加速，流速提高最高可達(dá)7%[6]。葉輪下葉尖和海床面之間的加速流改變了海床邊界層流速的分布，進(jìn)而對(duì)海床的泥沙輸運(yùn)產(chǎn)生了影響。Ramírez-Mendoza等[7]發(fā)現(xiàn)，由于水輪機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)的影響，在水輪機(jī)葉輪正下方會(huì)形成和流場(chǎng)特征相適應(yīng)的馬蹄形沖坑，而在遠(yuǎn)尾流場(chǎng)形成泥沙淤積。另一方面，水輪機(jī)葉輪與海床面間的加速流和下游單樁基礎(chǔ)的相互作用改變了單樁基礎(chǔ)周?chē)牧鲌?chǎng)特性[8]，顯著影響了單樁基礎(chǔ)局部沖刷的發(fā)展過(guò)程[9-10]?；谖锢砟Ｐ驮囼?yàn)，Chen等[11]發(fā)現(xiàn)單向恒定流作用下水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)最大沖刷深度隨著葉輪安裝高度的減小而增大，這是由于不同安裝高度對(duì)水輪機(jī)葉輪正下方水流的加速效果不同導(dǎo)致的；Hill等[12]分別研究了定床和動(dòng)床條件下水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)的沖刷過(guò)程，發(fā)現(xiàn)相比于定床條件，動(dòng)床條件加大了水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)局部沖刷深度，最大沖刷深度發(fā)展具有周期性變化的特點(diǎn)；Lin等[13]研究了單向流作用時(shí)水輪機(jī)影響下單樁基礎(chǔ)局部沖刷演變過(guò)程，發(fā)現(xiàn)沖刷過(guò)程受到來(lái)流條件、葉輪安裝高度的顯著影響，提出了水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)最大沖刷深度、沖刷坑形狀的預(yù)測(cè)方法；Sun等[14-15]研究了葉輪直徑、旋轉(zhuǎn)速度和安裝高度對(duì)水輪機(jī)基礎(chǔ)沖刷發(fā)展的影響規(guī)律，結(jié)合量綱分析法提出了水輪機(jī)基礎(chǔ)沖刷理論預(yù)測(cè)模型；Musa等[16]研究了水輪機(jī)陣列對(duì)復(fù)雜地形泥沙輸運(yùn)過(guò)程的影響規(guī)律。此外，數(shù)值模擬法也被廣泛用于研究潮流能水輪機(jī)與海床面的相互作用。Zhang等[17]建立了水流-水輪機(jī)-海床面相互作用數(shù)值模型，分析水輪機(jī)對(duì)水流的響應(yīng)過(guò)程及其影響下單樁基礎(chǔ)局部沖刷演變過(guò)程；Yang等[18]結(jié)合促動(dòng)線和大渦模擬方法，模擬了水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)局部沖刷發(fā)展過(guò)程，分析了不同床面形態(tài)對(duì)水輪機(jī)周?chē)鲌?chǎng)發(fā)展的影響。

綜上可知，潮流能水輪機(jī)基礎(chǔ)局部沖刷過(guò)程是近年來(lái)潮流能開(kāi)發(fā)利用研究的熱點(diǎn)之一，研究潮流能水輪機(jī)影響下基礎(chǔ)沖刷演變特性對(duì)其單樁基礎(chǔ)防護(hù)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有重大意義。潮流能水輪機(jī)基礎(chǔ)局部沖刷過(guò)程受到水輪機(jī)葉片形狀、水輪機(jī)下葉尖與床面間距、水輪機(jī)直徑、水輪機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等眾多因素的影響[3]，現(xiàn)有研究多關(guān)注單向恒定流影響下水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)局部沖刷發(fā)展過(guò)程，而針對(duì)流向改變情況下水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)沖刷的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本文試驗(yàn)研究了往復(fù)流作用下潮流能水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)局部沖刷演變特性，可為實(shí)際潮流能水輪機(jī)基礎(chǔ)沖刷防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 水槽與泥沙參數(shù)

試驗(yàn)在山東交通學(xué)院港航水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室的大型波流水槽中開(kāi)展。水槽長(zhǎng)50 m，寬1.2 m，高1 m，兩側(cè)為光滑透明有機(jī)玻璃板，如圖1所示。在水槽中間段設(shè)置沙槽試驗(yàn)段，沙槽長(zhǎng)10 m，寬1.2 m，深0.2 m，沙槽兩側(cè)采用水泥澆筑1∶4斜坡，使得水流能夠平緩進(jìn)入沙槽試驗(yàn)段，減弱試驗(yàn)過(guò)程中由于水流不穩(wěn)定而對(duì)沙槽中泥沙輸移產(chǎn)生的影響。采用雙向泵驅(qū)動(dòng)水流，在水槽前后兩端設(shè)置蜂窩穩(wěn)流裝置，可有效消除水槽前后進(jìn)、出水口產(chǎn)生的大尺度渦旋，從而穩(wěn)定、平緩水流。

圖1 水槽試驗(yàn)布置(單位：m )Fig.1 Scheme of experimental set-up in the flume (unit: m)

試驗(yàn)采用均勻粗砂，泥沙中值粒徑D50=0.80 mm，分層系數(shù)σ=1.22，密度ρ=2.65 kg/m3。試驗(yàn)水深保持恒定(H=0.54 m)，根據(jù)Melville[19]計(jì)算得到泥沙臨界啟動(dòng)流速vc=0.42 m/s。在沙槽兩端靠近斜坡處均勻噴砂膠水，防止水流通過(guò)斜坡進(jìn)入沙槽試驗(yàn)段時(shí)引起沖刷。

1.2 水輪機(jī)設(shè)備

試驗(yàn)采用雙向造流，考慮對(duì)稱(chēng)性，將水輪機(jī)布置在沙槽中心位置，距離沙槽前、后端均為5 m，距離水槽兩側(cè)均為0.6 m。如圖2(a)所示，水輪機(jī)為三葉片水平軸潮流能水輪機(jī)，制作材料為不銹鋼，葉片采用數(shù)控機(jī)床加工。水輪機(jī)由葉輪、輪轂和單樁基礎(chǔ)構(gòu)成，葉輪直徑D=0.27 m，輪轂直徑為0.15D，輪轂長(zhǎng)度為0.87D，單樁基礎(chǔ)中心與葉輪中心間距為0.35D，單樁基礎(chǔ)直徑為Dp=0.1D。試驗(yàn)開(kāi)始前，即平坦床面下，水輪機(jī)下葉尖距離海床面高度為0.35D(圖2(b))。試驗(yàn)過(guò)程中，水輪機(jī)在水流驅(qū)動(dòng)下自由旋轉(zhuǎn)，葉尖速比保持穩(wěn)定，約為4。水輪機(jī)模型單樁基礎(chǔ)埋深為整個(gè)海床面高度，為0.2 m。

圖2 水輪機(jī)模型及其尺寸Fig.2 Turbine model and its size

1.3 試驗(yàn)工況

在單樁基礎(chǔ)局部沖刷過(guò)程中，樁前下潛流、樁側(cè)馬蹄渦系和樁后尾跡渦流起主要作用[9]，而其強(qiáng)度和來(lái)流速度緊密相關(guān)。本次試驗(yàn)考慮4組流速情況下的單樁基礎(chǔ)局部沖刷演變過(guò)程。此外，為了說(shuō)明潮流能水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)基礎(chǔ)局部沖刷過(guò)程的影響，設(shè)置僅單樁基礎(chǔ)工況作為對(duì)比。因此，共設(shè)置5個(gè)工況，來(lái)流速度由0.30～0.38 m/s，相應(yīng)水流強(qiáng)度：

FI=v/vc

式中v為來(lái)流速度。水流強(qiáng)度變化范圍如表1所示。圖3為不同來(lái)流速度下的流速垂向分布。

圖3 不同來(lái)流速度下的流速垂向分布Fig.3 Vertical distribution of flow velocity with various inflow velocity

表1 試驗(yàn)工況設(shè)置

Schendel等[20]研究了單樁基礎(chǔ)在半日潮作用下局部沖刷演變過(guò)程，沖刷時(shí)長(zhǎng)為8 h，周期為2 h。參考Schendel等[20]的研究，采用往復(fù)恒定流，每組試驗(yàn)同樣持續(xù)8 h，每沖刷1 h改變流速方向(周期2 h)，共4個(gè)周期(圖4(a))，用以研究往復(fù)恒定流條件下潮流能水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)前期局部沖刷特性。為了測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中單樁基礎(chǔ)沖刷深度發(fā)展過(guò)程，在單樁基礎(chǔ)表面粘貼格尺紙(圖2(a))，在格尺紙表面均勻標(biāo)注4個(gè)位置，分別位于單樁基礎(chǔ)前后和兩側(cè)。在試驗(yàn)過(guò)程中，每間隔10 min人工讀取一次格尺紙上讀數(shù)，進(jìn)而獲得相應(yīng)時(shí)刻沖刷深度，如圖4(b)所示。

圖4 試驗(yàn)流速控制及單樁周?chē)鷾y(cè)量位置Fig.4 Velocity control and measured locations around the mono pile

1.4 試驗(yàn)步驟

在試驗(yàn)開(kāi)始前鋪平沙槽，然后緩慢上水，防止上水過(guò)程中對(duì)初始沙床面的干擾。待水深達(dá)0.54 m、水槽內(nèi)水體穩(wěn)定后，控制雙向泵運(yùn)行功率，使水流達(dá)到預(yù)定流速。在試驗(yàn)過(guò)程中，采用多普勒流速測(cè)量?jī)x監(jiān)控水輪機(jī)葉輪上游2D處流速，保證水流的穩(wěn)定性。之后每間隔1 h改變泵的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，旋轉(zhuǎn)水輪機(jī)葉輪和輪轂，使得水輪機(jī)葉輪始終朝向來(lái)流方向。每組工況持續(xù)8 h，每個(gè)小時(shí)內(nèi)間隔10 min讀取繞樁周4個(gè)測(cè)量位置的沖刷深度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 沖刷過(guò)程

選取一組代表性的水槽試驗(yàn)結(jié)果對(duì)往復(fù)流作用下潮流能水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)局部沖刷過(guò)程進(jìn)行分析。在v=0.38 m/s、FI=0.90工況下，樁周4個(gè)測(cè)量位置隨時(shí)間和沖刷深度的變化過(guò)程如圖5所示，其中S為測(cè)量位置處沖刷深度。由圖5可知，樁周上下游沖刷深度呈顯著周期性變化，而樁周兩側(cè)沖刷深度逐步提高，并無(wú)顯著的周期性變化特點(diǎn)。分析其原因，主要是水流流向改變時(shí)，沖刷坑內(nèi)馬蹄渦方向改變，當(dāng)測(cè)量位置由上游變?yōu)橄掠?，坑?nèi)的泥沙被迅速帶往該處，在該測(cè)量位置形成堆積，導(dǎo)致沖刷深度迅速減?。划?dāng)測(cè)量位置由下游變成上游時(shí)，測(cè)量位置處的沖刷動(dòng)力由樁后強(qiáng)度較低的尾跡渦流轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度較高的下潛水流，沖刷速率顯著提高。隨著沖刷的發(fā)展，沖坑、沖刷深度均逐步加大，樁上游下潛流的掏刷效果逐漸減弱，測(cè)量位置處沖刷深度周期性變化的幅度也相應(yīng)減弱。在沖深坑內(nèi)，泥沙由樁基上游被沖刷坑內(nèi)的馬蹄渦帶往下游，幾乎不在樁基兩側(cè)落淤。因此，樁基兩側(cè)沖刷深度呈逐步增加、無(wú)明顯周期性的特點(diǎn)。此外，盡管樁基上、下游兩側(cè)沖刷深度周期性變化，但是整體沖刷深度逐漸提高，表明隨著時(shí)間不斷推進(jìn)，沖刷坑內(nèi)的泥沙被逐漸帶出沖刷坑外，沖刷坑內(nèi)被往復(fù)流前后搬運(yùn)的泥沙量逐步減少。

圖5 典型工況下各測(cè)量位置沖刷過(guò)程Fig.5 Scour progress at measured locations in typical test condition

圖6為每進(jìn)行1 h樁周各測(cè)量位置處相對(duì)沖刷深度(S/Dp)隨時(shí)間的發(fā)展變化。由圖6可以看出，最大沖刷深度始終位于單樁基礎(chǔ)上游，最小沖刷深度位于單樁基礎(chǔ)下游，上下游的位置會(huì)隨著來(lái)流方向的轉(zhuǎn)變而相互變化；樁基兩側(cè)的沖刷深度逐漸增加。隨著沖刷的發(fā)展，前后2 h內(nèi)樁周各測(cè)量位置沖刷深度變化逐漸減小，各位置處的沖刷深度逐漸接近，表明隨著沖刷坑的變大，沖刷坑內(nèi)可被水流前后搬運(yùn)的泥沙逐漸減少，沖刷坑形態(tài)趨于平衡、穩(wěn)定。在每個(gè)周期的第2 h內(nèi)，當(dāng)樁柱上游轉(zhuǎn)變?yōu)橄掠螘r(shí)泥沙快速淤積，之后此處沖刷深度也逐漸發(fā)展，但是沖刷深度始終未超過(guò)前1 h，表明尾跡渦流未能將在此處淤積的泥沙完全帶出沖刷坑外。而當(dāng)單樁柱由下游轉(zhuǎn)變?yōu)樯嫌螘r(shí)，沖刷深度快速發(fā)展。但由圖6可看出，這些差異隨著沖刷發(fā)展逐漸減小，沖刷過(guò)程逐漸變緩。

圖6 樁周各測(cè)量位置變化情況Fig.6 Scour development for measured locations around the pile foundation

2.2 與僅單樁工況對(duì)比

在潮流能水輪機(jī)運(yùn)行影響下，水輪機(jī)下葉尖和海床面之間的水流被加速，進(jìn)而改變了下游單樁基礎(chǔ)的來(lái)流條件[6]，圖7為v=0.38 m/s、FI=0.90工況下水輪機(jī)模型和僅單樁基礎(chǔ)工況下最大沖刷深度的對(duì)比，其中Smax為樁周最大沖刷深度。在沖刷過(guò)程中，水輪機(jī)模型和僅單樁工況的最大沖刷深度均隨著來(lái)流流向的改變發(fā)生周期性震蕩，最大沖刷深度均逐步增加。水輪機(jī)模型引起的最大沖刷高于僅單樁工況，而且隨著沖刷的發(fā)展，兩者的差距逐漸增加。在第一個(gè)沖刷周期后(2 h)，水輪機(jī)模型比僅單樁工況的最大沖刷深度多0.15Dp；而在試驗(yàn)結(jié)束后(8 h)，水輪機(jī)模型比僅單樁工況的最大沖刷深度多0.35Dp，表明在沖刷過(guò)程中水輪機(jī)的影響在逐漸累積，使得兩種工況的沖刷深度差距逐漸增加。同時(shí)也表明，針對(duì)單樁基礎(chǔ)或橋墩的沖刷深度提出的預(yù)測(cè)公式[9-10，19]低估了潮流能水輪機(jī)基礎(chǔ)沖刷深度，這與前人的研究結(jié)論[3]一致。

圖7 僅單樁工況和水輪機(jī)模型最大沖刷深度發(fā)展對(duì)比 Fig.7 Comparison of maximum scour depth development in the case of single pile and turbine test

2.3 水流強(qiáng)度影響

水流強(qiáng)度對(duì)于單樁基礎(chǔ)的沖刷特性具有重要的影響[9]，因此考慮了水流強(qiáng)度對(duì)于水輪機(jī)模型單樁基礎(chǔ)沖刷過(guò)程的影響。圖8為不同水流強(qiáng)度下水輪機(jī)模型單樁基礎(chǔ)局部最大沖刷深度的發(fā)展過(guò)程。在沖刷過(guò)程不同的水流強(qiáng)度下，水輪機(jī)模型中單樁基礎(chǔ)周?chē)畲鬀_刷深度均隨來(lái)流流向的改變發(fā)生周期性震蕩且逐步增加；而周期性震蕩幅度隨著水流強(qiáng)度的提高逐漸增加，表明隨著水流強(qiáng)度的提高，沖刷坑內(nèi)在單樁基礎(chǔ)上下游來(lái)回輸運(yùn)的泥沙量逐漸增多。

圖8 不同水流強(qiáng)度下樁周最大沖刷深度發(fā)展Fig.8 Development of maximum scour depth under various flow intensity

圖9為水流強(qiáng)度和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)單樁基礎(chǔ)最大沖刷深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中Send為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)單樁基礎(chǔ)最大沖刷深度。由圖9可見(jiàn)，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)樁周最大沖刷深度隨著水流強(qiáng)度的增加呈線性提高。當(dāng)水流強(qiáng)度從0.71增加到0.90時(shí)，最大沖刷深度由0.8Dp增加到1.8Dp，提高了近125%。水流強(qiáng)度和沖刷深度的線性關(guān)系與前人關(guān)于僅單樁基礎(chǔ)沖刷的研究結(jié)論相似[9]，表明水輪機(jī)的運(yùn)行并未改變單樁基礎(chǔ)局部沖刷的發(fā)展模式，而是加劇了單樁基礎(chǔ)的沖刷發(fā)展進(jìn)程。

圖9 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)最大沖刷深度與水流強(qiáng)度關(guān)系Fig.9 Relationship between final maximum scour depth and flow intensity

2.4 與單向流作用比較

Lin等[13]研究了單向流作用下潮流能水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)局部沖刷演變過(guò)程，試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)達(dá)24 h。為了與本文的雙向流進(jìn)行對(duì)比，取Lin等[13]前8 h的沖刷深度試驗(yàn)結(jié)果。表2為不同水流強(qiáng)度下單向流作用和雙向流作用時(shí)潮流能水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)最大沖刷深度對(duì)比。由表2可知，雙向流作用下單樁基礎(chǔ)的沖刷深度均比單向流作用時(shí)小，這是由于雙向流作用時(shí)，單樁基礎(chǔ)周?chē)哪嗌吃诨A(chǔ)附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致沖刷速率降低。此外，隨著水流強(qiáng)度的增大，雙向流作用與單向流作用下潮流能水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)最大沖刷深度逐漸接近。這是因?yàn)殡p向流作用下，當(dāng)流速較小時(shí)，部分泥沙由于流向反轉(zhuǎn)始終在沖刷坑內(nèi)單樁基礎(chǔ)上下游來(lái)回移動(dòng)，無(wú)法被帶出沖刷坑外；而隨著流速增大，更多的泥沙在流向反轉(zhuǎn)前被帶出沖刷坑，使得沖刷深度顯著增大。

表2 單向流和雙向流作用下沖刷深度對(duì)比

圖10為分別在單向流和雙向流作用下潮流能水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)沖刷深度與水流強(qiáng)度的關(guān)系。在單向流和雙向流作用下，潮流能水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)沖刷深度與水流強(qiáng)度均呈顯著的線性關(guān)系。由于流速較小時(shí)，單向流作用和雙向流作用差異較大，隨著流速的增大，兩者差異逐漸減少，導(dǎo)致雙向流作用時(shí)的線性斜率顯著高于單向流作用。

圖10 單向流和雙向流作用下沖刷深度與水流強(qiáng)度關(guān)系對(duì)比Fig.10 Relationship comparison of scour depth and flow intensity between directional flow and bidirectional flow

3 結(jié) 論

a.往復(fù)流作用下，潮流能水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)局部沖刷過(guò)程會(huì)隨著水流流向改變發(fā)生顯著的周期性震蕩，最大沖刷深度在震蕩過(guò)程中逐步提高。

b.相比于僅單樁工況，水輪機(jī)影響下單樁基礎(chǔ)的沖刷過(guò)程明顯加快，且它們的差異會(huì)隨著沖刷進(jìn)行更加明顯。

c.平衡沖刷深度隨著水流強(qiáng)度的提高呈線性增大，最大沖刷深度震蕩幅度也隨著水流強(qiáng)度的增加而提高。

d.相比于單向流作用，雙向流作用下潮流能水輪機(jī)單樁基礎(chǔ)沖刷深度較小，但隨著水流強(qiáng)度的提高，兩者差異逐漸減小。