潮流作用下塔基保护措施效果的试验研究

李来武,梁 斌,许 政

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江省河口海岸重点实验室,浙江 杭州 310020)

随着我国国民经济的快速发展和海洋资源的开发利用在不断的加快,海上各种建筑物也应运而生,塔基作为海上一种重要的建筑物,在潮流的作用下,其安全问题日益受到人们的普遍重视,潮流对塔基冲刷,理论上虽然有公式可以计算,但计算条件多为概化,且计算结果不一,工程上大多通过物理模型试验确定,而桩基防冲保护措施的效果更是受到人们的广泛关注。

1 原型概况

研究的对象为跨海输电线路的海中铁塔基础,位于乐清湾海域,塔基平台顶面高程为11.5 m,底面高程8.0 m,其平面尺寸为54.44m×54.44 m,正方形形态。平台下共布置了65根直径为1.8 m的钢管桩,其中56根为5∶1的斜桩,9根为直桩。北侧布置2排环形防撞桩群,距离塔基平台10 m,桩径2.2 m。

乐清湾三面环陆,开口朝向西南,水域相对开阔,潮汐属非正规半日浅海潮,潮流呈往复流性质,工程地点的最高潮位5.23 m,最低潮位-3.87 m,实测测点最大涨潮流速为1.42 m/s,最大落潮流速为1.70 m/s,泥沙主要来源为外海悬沙。

海中铁塔基础位置敏感,研究主要目的为:

(1)在设计水文条件下塔基局部冲刷坑深度及形态;

(2)塔基基础防冲保护措施的效果研究。

2 模型设计

2.1 模型范围和比尺

根据试验研究目的,需模拟塔基附近三维水流和泥沙运动,要求模型小比尺、正态,因而利用宽水槽、正态模型研究塔基局部冲刷问题。

模型遵照小比尺、正态的原则,结合模拟范围、模型沙选择、塔基尺寸、紊流限制条件等因素,几何比尺选定为 λl=100。

试验水槽长33m,宽4.3 m,动床段长度5 m。可模拟海域长度3300 m,宽度430 m(见图1)。

图1 模型平面布置图 单位:m

2.2 主要相似条件

对于正态模型,水流运动必须满足的相似条件为:

重力相似 λu=λv=λw=λl1/2

水流连续相似 λt1=λl/λu

式中:λu、λt1分别为流速比尺、水流运动时间比尺。此外,模型还应满足表面张力与紊流限制条件。

鉴于本项目主要研究塔基的局部冲刷,因此,动床模型主要考虑泥沙起动相似、泥沙水下休止角接近。

起动相似 λuc=λu

试验按极限状态法进行,这样可以得到不利的冲刷坑高程。

2.3 模型制作

模型按上述几何相似条件进行制作,遵照几何、水流与泥沙运动相似条件(见表1)进行原、模型各物理量的转换,模型地形概化为平底。

表1 模型相似比尺表

2.4 模型选沙

塔基局部冲刷试验关注的重点是冲刷的深度和平面形态,因此,模型沙的选择主要考虑按起动相似和水下休止角接近。

塔基地质表层为淤泥,平均中值粒径0.0021 mm,其中黏土约占67%,粉沙占32%,沙仅占1%,厚度17.7 m。根据以往类似工程经验,塔基冲深不会超过其表层淤泥厚度。

利用起动冲刷与水流对絮凝体切应力大小的关系得到的起动流速约为1.0～1.2 m/s,泥沙起动流速越小,局部冲刷坑深度越大,从工程安全角度出发,选择中值粒径为0.045mm的木屑作模型沙,根据水槽试验,其起动流速为9～11 cm/s,可基本满足起动流速相似的要求。此外,木粉的水下休止角与天然沙的水下休止角也较接近,选择木粉作模型沙可以较好地模拟塔基基础在潮流作用下局部冲刷坑的形成过程及冲刷形态。

3 潮流率定试验

3.1 试验潮流条件

塔基位于海域环境,潮流是局部冲刷及海床演变的主要动力,试验采用非恒定流模拟潮流过程。

考虑要获取塔基设计条件的冲刷情况,选取50 a一遇的潮流作为冲刷试验水流,塔基处50 a一遇涨潮最大垂线平均流速为1.94 m/s,流向3°。落潮最大垂线平均流速为2.0 m/s,流向190°。50 a一遇潮差8.94 m,50 a一遇高潮位5.49m。

3.2 潮流率定

根据给定潮流条件,先进行定床潮流率定试验。模型上下边界生潮系统采用水泵群变频调速闭环水位控制,用以模拟潮水流量,该系统稳定可靠,重复性好,能满足模型试验精度要求。流速测量采用微型旋浆流速仪测量模型流速,水位测量采用自动跟踪式精密水位仪。率定结果其误差不超过1%,满足试验要求。

4 冲刷试验

4.1 试验组次

分3组进行动床试验,组次1不进行桩基抛石保护,为模拟天然海床地质情况,模型沙采用木粉。组次2为桩基采用抛石保护方案,抛石顶面高程同海床自然高程一致,抛石范围为桩群中间及周围15 m以内。组次3也是桩基抛石保护方案,但抛石顶面高程高出海床2～3 m,抛石范围为桩群中间及周围15m以内。组次2和组次3根据其抛石料尺度,模型沙选用2～3 mm天然沙进行模拟,几何相似且起动流速也相似。

塔基处50 a一遇涨潮最大垂线平均流速的流向为3°,与塔基轴线的夹角为20°;落潮最大垂线平均流速的流向为190°,与塔基轴线的夹角为13°。试验取两者的均值16.5°。

4.2 冲刷速率

为确定合理的试验时间,模型进行了冲刷坑冲刷速率的试验,图2为塔基冲刷坑冲刷深度与时间的关系。图中显示,试验进行2.5 h的冲刷深度已经基本达到最终冲刷深度,为安全起见,正式试验的冲刷时间取3 h。

图2 塔基冲刷速率曲线图

4.3 塔基冲刷深度

塔基引起的河床冲刷包括由不利海洋水文条件引起的自然冲刷,桩基压缩水流增加单宽流量产生的一般冲刷,过桩基的马蹄形旋流引起的塔基周围局部冲刷。

按上述模型设计和试验条件获得的塔基局部冲刷值包括了上述自然冲刷、一般冲刷和局部冲刷3部分。

表2为塔基最大冲刷深度试验结果,由表可见,在给定的潮流条件作用下,无抛石保护的塔基中间部位冲刷最严重,最大冲刷深度达到了6 m左右,塔基两侧基本不冲。在采用抛石保护措施后,塔基中间部位冲刷较轻,但塔基两侧海床床面出现冲刷。其中,当抛石顶面与海床一致时,塔基中间部位最大冲刷深度在1 m左右,塔基两侧最大冲刷深度在4 m左右。当抛石高出海床2～3 m时,塔基处基本不再冲刷,而塔基两侧的最大冲刷深度比抛石顶面与海床一致时的情况略有增加。

表2 塔基最大冲刷深度试验结果表 m

4.4 冲刷形态

塔基为桩基承台型。桩基在无抛石保护情况下,塔基各桩间由于桩的挤压屏蔽作用,使潮流更趋集中,水流紊动强度亦有所增强,冲刷坑最深处在桩基中间部位。由于潮流流向与桩基轴线有16.5°的夹角,使得冲刷坑平面形态呈现出不对称型,弱冲刷区偏向塔基轴线的背流侧 (见图3)。

桩基采取抛石保护措施后,在其保护效应下,塔基两侧出现绕流,并冲刷出深沟,图4、图5分别为塔基在抛石顶面同海床床面一致时和抛石高出海床床面2～3 m时的冲刷形态。

图3 自然状态冲刷形态图

图4 抛石与海床一致冲刷形态图

图5 抛石高出海床冲刷形态图

5 结 语

无抛石保护的塔基中间部位受到冲刷,最大冲刷深度相对较深。在采取抛石保护措施后,无论抛石顶面是同海床床面一致还是高出海床床面2～3 m,其塔基中间部位相对冲刷较轻,但塔基两侧海床发生冲刷。就抛石保护措施的效果而言,抛石高出海床2～3 m的保护方案对塔基基础的保护效果最佳,但两侧需要考虑一定的防护范围。

[1]中华人民共和国交通部.海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程(JTJ/T 233—98)[S].北京:人民交通出版社,1998.

[2]谢鉴衡.河流模拟 (第1版)[M].北京:水利电力出版社,1990.