裸露穿河管道在壓重塊保護(hù)下的沖刷特性

楊慶華，王子聰，楊 乾,3，張宇倩

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031； 2.中國(guó)三峽建工(集團(tuán))有限公司，成都 610041；3.中國(guó)五冶集團(tuán)有限公司，成都 610063； 4.彭州市水務(wù)局，成都 611930)

1 研究背景

作為國(guó)家能源大動(dòng)脈，我國(guó)油氣長(zhǎng)輸管道總里程已經(jīng)達(dá)到13.9萬(wàn)km[1]。水下穿越作為管道過(guò)河的主要形式，需要將管道敷設(shè)在具有一定設(shè)計(jì)埋深的河床之下，但是由于河床變形、人工采砂等因素，極易造成管道的裸露[2]。嚴(yán)重情況下還易使管道發(fā)生斷裂破壞，從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染[3]。一般來(lái)說(shuō)，工程在水下穿越管道裸露之后需采用壓重塊保護(hù)措施以保證其自身的穩(wěn)定性，并防止管道被水流沖刷漂浮后發(fā)生斷裂破壞。目前，水下穿越管道在壓重塊保護(hù)措施下的沖刷特性還不明確，河床地形變化的不確定性仍給管道的安全運(yùn)行造成了威脅[4]。因此，研究水下穿越管道在壓重塊保護(hù)措施下的沖刷特性具有十分重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水下穿越管道主要開(kāi)展了如下3個(gè)方面的研究。

(1)在無(wú)壓重塊保護(hù)措施下管道的沖刷研究。Mao[5]、Chiew[6]提出了波浪作用下海底管道最大沖刷深度的計(jì)算模型；劉延鑫等[7]、陳兵等[8]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)水下穿越管道的沖刷流場(chǎng)進(jìn)行了分析，為管道的局部沖刷機(jī)理研究提供了理論基礎(chǔ)；楊乾等[9-10]對(duì)水下穿越管道的局部沖刷機(jī)理做出進(jìn)一步研究，得出了管道沖刷深度的預(yù)測(cè)公式。

(2)在有壓重塊保護(hù)措施下管道的受力研究。胡玉霞等[11-12]通過(guò)拖箱試驗(yàn)，對(duì)比了海底無(wú)壓重塊保護(hù)措施和有壓重塊保護(hù)措施的管道水動(dòng)力荷載，得出了壓重塊保護(hù)措施下管道水動(dòng)力荷載隨KC數(shù)變化的規(guī)律；李俊[13]、于淼[14]通過(guò)分析管道在不同工況水流沖刷下的受力特點(diǎn)，提出了壓重塊布置間距的優(yōu)化算法；楊景威等[15]、陳利瓊等[16]采用力學(xué)分析軟件對(duì)加壓重塊管道的應(yīng)力變化過(guò)程進(jìn)行了分析，得出管道應(yīng)力分布隨壓重塊布置間距變化的規(guī)律。

(3)在有壓重塊保護(hù)措施下水下穿越管道的沖刷研究。馬良[17]通過(guò)對(duì)海底管道在壓重塊保護(hù)措施下懸空長(zhǎng)度的理論分析，得到壓重塊最大允許布置間距的計(jì)算表達(dá)式；劉穎等[18]則通過(guò)分析管道懸空長(zhǎng)度和共振頻率的關(guān)系，對(duì)管道懸空長(zhǎng)度做出進(jìn)一步限制，為水下穿越管道的壓重塊保護(hù)措施設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

綜上所述，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)壓重塊保護(hù)措施下管道的沖刷特性研究主要集中在海底管道。而海底管道與內(nèi)陸河道中的水下穿越管道不同，海洋流場(chǎng)復(fù)雜多變，管道沖刷受波浪、潮流等因素共同影響，相反內(nèi)陸河流中這方面的影響卻較小，因此兩者的沖刷情況不同。此外，在壓重塊保護(hù)措施下水下管道的沖刷研究中，學(xué)者們主要對(duì)管道的懸空長(zhǎng)度進(jìn)行了計(jì)算討論，對(duì)管道周圍河床的沖刷擴(kuò)展情況和沖刷深度分析還不夠充分?；诖?，本文通過(guò)開(kāi)展水槽模型試驗(yàn)，對(duì)不同壓重塊布置形式下管道的沖刷特性進(jìn)行研究，探究壓重塊長(zhǎng)度、壓重塊布置間距、水流流速、河道水深等因素對(duì)管道周圍河床沖刷地形和沖刷深度的影響。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)比尺

試驗(yàn)中模擬河道的水流為明渠流，重力和慣性力起主導(dǎo)作用，因此采用重力相似準(zhǔn)則，其表達(dá)式為

(1)

式中：λv為流速比尺；λl為幾何比尺；λg為重力加速度比尺(λg取值為1)。

根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[19]的規(guī)定，常用穿河輸氣管道外徑范圍為219～3620 mm。結(jié)合實(shí)際的試驗(yàn)場(chǎng)地條件，取幾何比尺λl為25，采用外徑30 mm的有機(jī)玻璃空心圓管作為試驗(yàn)管道模型。由幾何比尺λl推算得出的其他試驗(yàn)相關(guān)比尺參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)主要比尺參數(shù)Table 1 Main scale parameters of the test

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)地點(diǎn)位于西南交通大學(xué)市政工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，采用長(zhǎng)9.1 m、寬0.4 m、高0.7 m的單向循環(huán)水槽。為便于對(duì)管道的沖刷過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)，水槽側(cè)壁采用透明鋼化玻璃。水槽前端利用梯形堰控制流量(流量通過(guò)讀取堰流水深h1,并利用梯形堰計(jì)算公式求出)，設(shè)置穩(wěn)流板為試驗(yàn)段提供均勻流。水槽的末端設(shè)置有尾門，便于控制試驗(yàn)設(shè)計(jì)水深h2。試驗(yàn)段位于水槽的中下游，其布置如圖1所示。試驗(yàn)段全長(zhǎng)120 cm，鋪沙段長(zhǎng)度60 cm，沙床厚度為10 cm。沙床兩端各設(shè)有長(zhǎng)度為30 cm的碎石緩沖段，以防止沙床被沖塌，緩沖段碎石的中值粒徑為1 cm。模擬管道垂直于水流方向布置于試驗(yàn)段中部，兩端與水槽邊壁固定，處于半埋裸露狀態(tài)。壓重塊布置在管道上，其兩端埋在沙床中，埋深為1.5 cm。

圖1 水槽試驗(yàn)段布置Fig.1 Layout of the flume test section

2.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕澈蛪褐貕K

按《水電水利工程常規(guī)水工模型試驗(yàn)規(guī)程》[20]的規(guī)定，模擬砂礫石河床覆蓋層，宜采用碎石散粒體，其粒徑按照長(zhǎng)度相似換算選擇。試驗(yàn)選擇石英沙作為模型沙，根據(jù)實(shí)際勘察得到的河床砂礫石粒徑分析結(jié)果，按照試驗(yàn)的幾何比尺換算，得到如圖2所示的沙顆粒級(jí)配曲線。由沙顆粒級(jí)配曲線可知，沙顆粒的粒徑分布比較均勻，主要集中在0.3～0.7 mm之間。沙顆粒的中值粒徑d50為0.55 mm。

圖2 沙顆粒粒徑分布曲線Fig.2 Gradation curve of sand particles

壓重塊的形式為馬鞍形，根據(jù)《石油地面工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第五冊(cè))[21]規(guī)定，馬鞍形壓重塊與管身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的質(zhì)量比為1.34～1.52，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算取壓重塊壁厚δ為20 mm。壓重塊長(zhǎng)度Lm分別取4、6、8 cm，試驗(yàn)過(guò)程中壓重塊的布置間距Ln可以調(diào)整，其布置示意圖如3所示。

圖3 壓重塊布置Fig.3 Layout of heavy block

2.4 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)和工況

試驗(yàn)使用的ADV型號(hào)為Vectrino Profiler，其距離測(cè)量功能可以用于測(cè)量試驗(yàn)段的地形。為保證測(cè)量的地形數(shù)據(jù)具有可靠性，在管道周圍布置較密測(cè)點(diǎn)。順?biāo)鞣较虿贾?個(gè)測(cè)量斷面，斷面間距5 cm，每一斷面上布置15個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)間距2 cm，其中最外側(cè)測(cè)點(diǎn)距離試驗(yàn)水槽側(cè)壁的距離為6 cm，試驗(yàn)段地形測(cè)點(diǎn)及試驗(yàn)段儀器布置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)段測(cè)點(diǎn)及儀器布置Fig.4 Layout of measuring points and instrumentin the test section

壓重塊適用于中小型穿越河段裸露管道的保護(hù)，結(jié)合試驗(yàn)水槽實(shí)際寬度，所研究河道模型寬度L取40 cm。試驗(yàn)中需要分析壓重塊長(zhǎng)度Lm和布置間距Ln對(duì)管道在水流作用下沖刷特性的影響，為方便研究，取壓重塊長(zhǎng)度與河寬比值Lm/L為壓重塊長(zhǎng)度系數(shù)，其值分別為0.10、0.15、0.20。取壓重塊布置間距與壓重塊長(zhǎng)度比值Ln/Lm為壓重塊間距系數(shù)，其值分別為1、2、3。采用泥沙起動(dòng)流速計(jì)算公式[22]得到試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕车呐R界起動(dòng)流速Vc=0.20 m/s，選擇3種不同的流速，分別為Vc的1.25、1.5、2.0倍，即0.25、0.30、0.40 m/s。根據(jù)試驗(yàn)水泵可以提供的最大流量，模擬河道設(shè)計(jì)水深h分別取8、10、12 cm，試驗(yàn)的全部9組工況如表2所示。文獻(xiàn)[10]中已對(duì)流速分布進(jìn)行了驗(yàn)證，水槽斷面和河床初始沖刷斷面的流速分布比較均勻，滿足試驗(yàn)段所需均勻流的要求。試驗(yàn)主要研究中間管道段和壓重塊的局部沖刷深度，距離水槽邊壁較遠(yuǎn)，可以忽略試驗(yàn)邊界的影響。

表2 試驗(yàn)工況組合Table 2 Factors of the orthogonal test

試驗(yàn)開(kāi)始前，先將ADV的測(cè)量探頭固定在試驗(yàn)段的可滑動(dòng)桿件上，然后把ADV的傳感器連接到計(jì)算機(jī)上。當(dāng)管道和壓重塊布置完畢后，打開(kāi)水泵，關(guān)閉水槽尾門，緩慢調(diào)節(jié)水泵閥門，使水流緩慢浸潤(rùn)沙床。為避免在調(diào)整流量過(guò)程中對(duì)河床產(chǎn)生沖刷影響，試驗(yàn)時(shí)先保持尾門關(guān)閉，緩慢打開(kāi)閥門，以很小的入流量蓄滿水槽。待模擬河道段水位達(dá)到(2.0～2.5)h時(shí)，調(diào)整閥門至設(shè)計(jì)流量，再緩慢打開(kāi)尾門，調(diào)節(jié)模擬河道水深降低至設(shè)計(jì)值h，這樣便能避免試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)河床產(chǎn)生試驗(yàn)準(zhǔn)備所引起的局部沖刷。待管道周圍河床沖刷開(kāi)始后，移動(dòng)ADV的測(cè)量探頭讀取試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)的地形數(shù)據(jù)。以此類推，直到所有工況下的測(cè)點(diǎn)地形數(shù)據(jù)均被采集完畢試驗(yàn)結(jié)束。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

3.1.1 地形變化過(guò)程

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，所有工況中加壓重塊管道在水流作用下的沖刷地形變化過(guò)程比較相似。根據(jù)管道附近河床地形變化的程度，整個(gè)沖刷過(guò)程可以分為4個(gè)階段，分別為沖刷坑形成、壓重塊迎流側(cè)懸空、管道迎流側(cè)懸空和沖刷平衡，各階段的地形等高線如圖5所示。管道中心所在的水平面為管道中心平面，圖5中等高線“+”表示河床地形高程點(diǎn)高于管道中心平面，而“-”則表示河床地形高程點(diǎn)低于管道中心平面。

圖5 管道沖刷的4個(gè)階段Fig.5 Four stages of pipeline scour

(1)沖刷坑形成。在水流作用下，壓重塊的迎流側(cè)會(huì)形成沖刷坑，隨后沿管軸向兩側(cè)擴(kuò)展。壓重塊迎流側(cè)的沙顆粒被水流挾帶著轉(zhuǎn)移到壓重塊的背流側(cè)，同時(shí)管道上游河床中的沙顆粒也有部分被轉(zhuǎn)移到管道的下游河床，使得管道下游河床整體升高。

(2)壓重塊迎流側(cè)懸空。隨著沖刷坑深度的增加，壓重塊的迎流側(cè)被水流逐漸沖刷至懸空狀態(tài)。在此過(guò)程中沖刷坑繼續(xù)沿管軸向兩側(cè)擴(kuò)展，并與另一邊壓重塊的沖刷坑合并形成較大的沖坑。另外，壓重塊背流側(cè)的沙顆粒持續(xù)堆積形成沙坡，并且有少部分沙覆蓋在壓重塊之上。

(3)管道迎流側(cè)懸空。在水流作用下，壓重塊迎流側(cè)的沙顆粒被持續(xù)沖刷帶走，直到管道懸空。壓重塊與管道背流側(cè)的沙坡高度也開(kāi)始降低，并逐漸形成沖刷坑。當(dāng)壓重塊和管道背流側(cè)沖刷坑的深度到達(dá)某一臨界值時(shí)，將會(huì)與迎流側(cè)的沖刷坑形成連通沖坑。

(4)沖刷平衡。經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的沖刷后，管道中心距河床面的沖刷深度保持不變，達(dá)到?jīng)_刷平衡狀態(tài)。壓重塊背流側(cè)的沙顆粒也被完全沖走，管道與壓重塊的迎流側(cè)和背流側(cè)均處于懸空狀態(tài)。

3.1.2 管道局部沖刷過(guò)程

通過(guò)對(duì)壓重塊保護(hù)措施下管道局部沖刷過(guò)程的觀察定性分析， 可以得到其在沖刷坑形成、 壓重塊迎流側(cè)懸空、 管道迎流側(cè)懸空及沖刷平衡4個(gè)沖刷階段下附近河床的演變幾何形態(tài)和沖刷特征如表3所示。

表3 河床演變的形態(tài)和特征Table 3 Morphology and characteristics of riverbedevolution

3.2 水動(dòng)力條件對(duì)管道沖刷深度的影響

3.2.1 流速對(duì)管道沖刷深度的影響

楊乾等[9]的研究結(jié)果表明，弗勞德數(shù)Fr作為反應(yīng)水流緩急程度的無(wú)量綱數(shù)，能夠同時(shí)體現(xiàn)出流速和水深對(duì)管道底部沖刷坑深度的影響。當(dāng)管道迎流側(cè)沖刷懸空后，其底部沖刷坑將沿豎向不斷擴(kuò)展，沖刷坑深度隨沖刷時(shí)間逐漸增大。管道的沖刷深度是管道中心距河床表面的豎直距離，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以繪制出不同流速下管道沖刷深度隨時(shí)間變化的曲線，如圖6所示。管道底部的沖刷坑會(huì)以一個(gè)極快的速率進(jìn)行豎向擴(kuò)展，然后逐漸趨于穩(wěn)定。管道最大沖刷深度是河床達(dá)到?jīng)_刷平衡狀態(tài)后管道中心距河床面的最大豎直距離。由圖6可見(jiàn)，在壓重塊長(zhǎng)度系數(shù)、壓重塊間距系數(shù)、水深一定時(shí)，管道最大沖刷深度隨著沖刷流速V和弗勞德數(shù)Fr的增加而增加，管道底部河床達(dá)到?jīng)_刷平衡的時(shí)間則隨著沖刷速度V的增加而減小。

圖6 不同流速下管道沖刷深度變化曲線Fig.6 Curves of pipeline scouring depth underdifferent flow velocities

3.2.2 水深對(duì)管道沖刷深度的影響

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以繪制出不同水深下管道沖刷深度隨時(shí)間變化的曲線，如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，在壓重塊長(zhǎng)度系數(shù)、壓重塊間距系數(shù)、流速一定時(shí)，隨著水深h的增加和弗勞德數(shù)Fr的減小，管道的最大沖刷深度呈遞減趨勢(shì)。此外，在模擬河道水深h增加的過(guò)程中，管道底部河床達(dá)到?jīng)_刷平衡狀態(tài)的時(shí)間保持不變。

圖7 不同水深下管道沖刷深度變化曲線Fig.7 Curves of pipeline scouring depth under differentwater depths

3.3 壓重塊對(duì)管道沖刷的影響

3.3.1 壓重塊布置間距對(duì)管道沖刷的影響

管道附近河床沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)后，根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)得的地形數(shù)據(jù)可以繪制出管道附近的地形等高線，如圖8所示。圖8為弗勞德數(shù)Fr=0.282且壓重塊長(zhǎng)度系數(shù)Lm/L= 0.10時(shí)管道附近河床達(dá)到?jīng)_刷平衡狀態(tài)的地形圖。由圖8可見(jiàn)，隨著壓重塊間距系數(shù)增加，管道附近河床的整體沖刷深度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。平均沖刷深度是一段管道沖刷深度的平均值，管道段分為布置有壓重塊的管道段和未布置壓重塊的管道段。壓重塊間距系數(shù)從1增加到3的過(guò)程中，未加壓重塊管道段的平均沖刷深度減少了10%，而加壓重塊管道段的平均沖刷深度則減少了15%。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，加壓重塊管道段的平均沖刷深度總是比未加壓重塊管道段的平均沖刷深度高30%～40%。這是因?yàn)閴褐貕K對(duì)水流的阻擋作用使得加壓重塊管道段底部的沖刷流速高于未加壓重塊的管道段，從而導(dǎo)致加壓重塊管道段的平均沖刷深度偏高。

圖8 壓重塊布置間距變化時(shí)沖刷地形Fig.8 Topographic map of scouring in the presence ofvaried spacings between heavy blocks

從河床的地形起伏變化情況來(lái)看，管道迎流側(cè)的沖刷深度普遍要高于其背流側(cè)。這是由于在沖刷的初始階段，少部分管道迎流側(cè)的泥沙被水流轉(zhuǎn)移到其背流側(cè)，使得管道背流側(cè)河床整體升高。此外，隨著壓重塊布置間距的增加，管道下方?jīng)_刷坑面積雖然逐漸增大，但是沖刷深度卻在逐漸減小，這表明壓重塊之間相互作用對(duì)河床沖刷的影響在逐漸減弱。根據(jù)測(cè)量的地形數(shù)據(jù)可以繪制出不同壓重塊布置間距下管道沖刷深度隨時(shí)間變化的曲線，如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，在弗勞德數(shù)Fr和壓重塊長(zhǎng)度系數(shù)一定時(shí)，隨著壓重塊布置間距的增加，管道最大沖刷深度呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)。

圖9 不同壓重塊布置間距下管道沖刷深度變化曲線Fig.9 Curves of pipeline scouring depth under differentspacings between heavy blocks

3.3.2 壓重塊長(zhǎng)度對(duì)管道沖刷的影響

弗勞德數(shù)Fr=0.282且壓重塊間距系數(shù)Ln/Lm=1時(shí)，管道附近河床達(dá)到?jīng)_刷平衡后的地形等高線如圖10所示。隨壓重塊長(zhǎng)度系數(shù)增加，管道附近河床的整體沖刷深度呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)。壓重塊長(zhǎng)度系數(shù)從0.1增加到0.2的過(guò)程中，未加壓重塊管道段的平均沖刷深度增加了20%，加壓重塊管道段的平均沖刷深度則增加了25%。經(jīng)過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，加壓重塊管道段的平均沖刷深度總是要比未加壓重塊管道段的平均沖刷深度高出20%～30%。壓重塊長(zhǎng)度的增加會(huì)導(dǎo)致其對(duì)水流的阻擋作用加劇，從而使管道底部的局部沖刷流速進(jìn)一步增大，管道沖刷深度也隨之增加。

圖10 壓重塊長(zhǎng)度變化時(shí)沖刷地形Fig.10 Scouring terrian in the presence of varied heavyblock lengths

此外，在壓重塊長(zhǎng)度系數(shù)從0.1增加到0.2的過(guò)程中，管道底部沖刷坑的中心點(diǎn)向河床下游方向移動(dòng)了大約1.2倍管徑D的長(zhǎng)度。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的地形數(shù)據(jù)可以繪制出不同壓重塊長(zhǎng)度下管道沖刷深度隨時(shí)間變化的曲線，如圖11所示。由圖11可知，在弗勞德數(shù)Fr和壓重塊間距系數(shù)一定的情況下，隨著壓重塊長(zhǎng)度的增加，管道最大沖刷深度呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。

圖11 不同壓重塊長(zhǎng)度下管道沖刷深度變化曲線Fig.11 Curves of pipeline scouring depth underdifferent heavy block lengths

3.4 沖刷深度經(jīng)驗(yàn)公式擬合與驗(yàn)證

試驗(yàn)中水下穿越管道附近河床沖刷是壓重塊、流體及河床三者共同作用的結(jié)果。因而穿越管道的局部沖刷直接受壓重塊參數(shù)、水動(dòng)力條件和沙粒特性的影響。其中:水動(dòng)力因素主要有流速v、水深h、重力加速度g；壓重塊參數(shù)有壓重塊長(zhǎng)度系數(shù)Lm/L、壓重塊間距系數(shù)Ln/Lm；河床沙粒特性參數(shù)有中值粒徑d50、泥沙重度γs等。用hm表示管道的最大沖刷深度，即

hm=f(v,h,g,Lm,Ln,L,d50,γs) 。

(2)

在一般條件下河床泥沙重度γs為常數(shù)，不作為變量考慮。因此式(2)可以化簡(jiǎn)為

hm=f(v,h,g,Lm,Ln,L,d50) 。

(3)

公式兩邊采用無(wú)量綱表示，即

(4)

基于以往管道沖刷深度的計(jì)算方法[23]，并結(jié)合本文沖刷地形數(shù)據(jù)，對(duì)無(wú)量綱沖刷深度hm/d50與壓重塊長(zhǎng)度系數(shù)Lm/L、壓重塊間距系數(shù)Ln/Lm和弗勞德數(shù)Fr的關(guān)系進(jìn)行指數(shù)擬合，得

(5)

式(5)適用于Fr<1時(shí)砂質(zhì)河床中穿越管道在壓重塊保護(hù)措施下的最大沖刷深度預(yù)測(cè)。由關(guān)系式可知，無(wú)量綱沖刷深度hm/d50與壓重塊長(zhǎng)度系數(shù)Lm/L及弗勞德數(shù)Fr正相關(guān)，與壓重塊間距系數(shù)Ln/Lm負(fù)相關(guān)。為驗(yàn)證擬合式(5)的可靠性，圖12列出了沖刷深度實(shí)測(cè)值與擬合公式計(jì)算值對(duì)比，可以看出，兩者結(jié)果基本一致，說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)式(5)對(duì)于預(yù)測(cè)裸露穿河管道在壓重塊保護(hù)措施下的最大沖刷深度具有較高準(zhǔn)確性和可靠性。

圖12 管道最大沖刷深度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值驗(yàn)證Fig.12 Comparison of maximum scouring depth betweenmeasured values and predicated values

4 結(jié) 論

通過(guò)開(kāi)展水槽模型試驗(yàn)，研究了水下穿越管道在壓重塊保護(hù)措施下的沖刷特性，分析了壓重塊長(zhǎng)度、壓重塊布置間距、水流流速、河道水深4種因素對(duì)管道周圍河床沖刷地形和沖刷深度的影響，得出如下結(jié)論：

(1)水下穿越管道在壓重塊保護(hù)措施下的沖刷過(guò)程可以分為4個(gè)階段，分別是沖刷坑形成、壓重塊迎流側(cè)懸空、管道迎流側(cè)懸空和沖刷平衡。

(2)管道的最大沖刷深度hm與流速v和壓重塊長(zhǎng)度系數(shù)Lm/L正相關(guān)，與水深h和壓重塊間距系數(shù)Ln/Lm負(fù)相關(guān)。管道底部河床沖刷平衡歷時(shí)則隨沖刷流速v的增大而減小。

(3)采用量綱分析法得到無(wú)量綱沖刷深度hm/d50與壓重塊長(zhǎng)度系數(shù)Lm/L、壓重塊間距系數(shù)Ln/Lm、弗勞德數(shù)Fr的函數(shù)關(guān)系式為hm/d50=339.9(Fr)0.79(Lm/L)0.32(Ln/Lm)-0.10，通過(guò)對(duì)比得到擬合公式預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值基本一致。