中性网格对圆桩局部冲刷的水动力弱化及防护效果分析

赵寒燕，乐绍林，周 欢，张民曦，喻国良

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 海洋工程国家重点实验室，上海 200240; 2.武汉二航路桥特种工程有限责任公司，湖北 武汉 430071)

水下桩墩是桥梁、高桩码头、海洋平台、海上风机等众多建筑物的基础，其局部冲刷可对这些上部建筑物和结构物的动力响应和稳定性造成极为不利的影响，常常给人们的生产、生活带来不便，严重者甚至威胁生命、财产安全。我国每年因桥墩冲刷导致的损失巨大[1]，因此，开展桩墩局部冲刷防护措施的研究对提高桥梁、高桩码头、海洋平台、海上风机等建筑物的安全生产具有重大意义。

关于产生桥墩局部冲刷的机理，国内外学者基于流体力学和大量的模型试验研究发现局部冲刷主要由墩前下降水流、墩周马蹄形漩涡和墩后尾涡3种水流结构引起[2]。Unger和Hager[3]的试验表明，墩前波涌及下潜水流是由墩前驻点射出的2个垂直射流引起的，且墩前驻点位置、波涌及下潜水流在冲刷坑发展过程中没有明显的变化。Kirkil等[4]利用大涡模拟(LES)精细地展示了冲刷坑内马蹄涡是由一个主要的项链状涡以及其他几个次生涡组成，且由于墩前涡的反向转动，可使冲刷坑的坡度大于泥沙休止角。Shen等[5]认为桥墩表面不稳定剪切层的卷动形成了尾涡系，尾流的强度随距桥墩距离的增加而迅速减小，从而导致桥墩下游泥沙的淤积。

根据局部冲刷的机理，Chiew[6]将防护方法分为两种：一种是被动防护，也称为实体防护；另一种是主动防护，也称为减速不冲防护。实体防护的措施主要有：抛石防护[7]、扩大桩墩基础防护[8]、混凝土模袋、连锁排[9]、四角混凝土块防护[10]等。实践证明，该类方法虽然具有施工速度快，操作灵活等优点，但后期经常需要修缮维护，不仅经济成本较高，且防护体容易被洪水冲毁，甚至引发整个冲刷防护工程溃败。减速不冲防护主要包括：墩前排桩防护[11]、桥墩的部分或整体开缝防护[12]、护圈防护[13]等，这些方法均设法消除引起局部冲刷的流场因素，也在工程实践中取得了减少冲刷的效果，但各自都存在一些缺陷，如改变了承载结构形式、适用条件有限、安装施工困难、增大了结构上的水动力荷载等。随着新工程材料的应用，还出现了局部增阻促淤保护方法。例如四面体透水框架[14]、三角网促淤防冲装置[15]、生物及人工水草促淤防冲措施[16]、促淤浮帘装置[17]等。这类防护方法不但减少了底床冲刷，而且还具有促淤作用。但这些防护措施也各有缺陷，例如在水深流急的区域内四面六边体框架会发生位移流失，所以一般不适合用于流速较大水域的防冲保护；生物促淤措施容易造成生物入侵，同时植物也受到自身的生长周期和生长环境的限制；人工水草促淤防冲措施不适用于高流速环境；促淤浮帘装置应对流向变化的能力差等。

综上可知，桩墩局部冲刷防护技术尚需进一步发展。为此，本文研究设计一种用工程材料制作的中性网格进行桩墩局部冲刷的防护方法，其技术思路为：用一种相对密度略大于水的、耐腐蚀、抗紫外线的工程材料(如HDPE)制作具有特殊几何特征的中性网格，用其将已有的冲刷坑口(或可能出现冲刷坑的部位)完全覆盖，不但能使覆盖前后的来水、来沙强度基本不变，而且网格下方冲刷坑内的流速会毫无疑问地显著减少；当上游来沙到达网格上时会穿过网孔落入冲刷坑内，从网孔落下的泥沙不会被冲刷出坑，而是永久性地淤积在坑内；不断的来沙淤积使冲刷坑不断减小，直到建立新的冲淤平衡，此时，桩墩周围的局部冲刷变得有限，桩墩因此而得到冲刷防护的效果。网格的网孔越大，来沙越容易从网孔下落进入冲刷坑，但网孔越大时坑内水流强度也越大，泥沙越易被冲刷。因此，中性网格对桩墩局部冲刷坑内的水动力弱化机制与促淤效果是实现上述桩墩局部冲刷防护亟待开展的靶向问题，而中性网格的最佳网孔大小是决定其促淤防护能力的关键技术指标。为此，将通过数值模拟、水槽试验和理论分析，研究中性网格结构对圆桩周围冲刷坑内水动力及床面形态的影响机理，探明网孔大小对中性网格防冲促淤效果的影响，试图为水下桩墩周围的冲刷防护提供一种新措施。

1 中性网格对冲刷坑内的水动力弱化

1.1 控制方程

不可压缩黏性流体的运动应遵循连续性方程和动量方程，其表达式如式(1)、式(2)所示。

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

式中：xi、xj为笛卡尔坐标系坐标；ui、uj为x,y,z方向的速度分量；Ai为i方向上的流体所占面积分数；t为时间；VF为流体部分的体积分数；ρ为流体密度；p为压强；Gi为i方向上的重力加速度；fi为i方向上的黏滞力加速度。

研究采用RNG k-ε湍流模型，能较好地模拟圆柱绕流，k方程和ε方程为：

(3)

(4)

1.2 模型概化

选取水槽试验工况作为数值模拟的试验工况。在保证模型准确性的前提下，为减少单元网格数量，节约计算时间，数值试验的计算域缩小为长150 cm、宽50 cm、高32 cm。模拟的圆桩直径D=5 cm，将其布置在床面中心，如图1所示。初始时刻设置一个冲刷坑，依据水槽试验中测量的冲刷坑形态，对数值模拟中的冲刷坑进行概化，桩前深度6 cm，桩后深度4 cm，上游冲坑面类似圆锥面，冲刷坡角为32°，下游冲刷坡角为24.9°。圆柱的行进流速U=38 cm/s，水深20 cm，底床厚度7 cm。

图1 计算模型布置

中性网格防护结构概化为一个固定在床面的刚性网板，网格厚度为3 mm，其网孔形态为大小相同、分布均匀的方形。为探究网格结构的厚度对冲刷坑内水动力的影响，选取网孔边长分别为3 mm、5 mm、7 mm、9 mm、11 mm的网格结构，将其覆盖在冲刷坑口进行水动力模拟，如图2所示。

图2 中性网格及其防冲刷布置

1.3 网格划分及边界条件

由于该圆桩局部冲刷问题具有对称性，为节省计算时间，可选沿来流方向包含半个圆桩的半边计算域进行计算。其进口边界为速度边界，V=0.38 m/s；下游出口边界条件设置为压力边界，设置出口水位0.27 m；底面采用壁面边界条件；其余边界为对称边界。

网格划分全部采用结构化正交网格，单元网格尺寸设置为8 mm×8 mm×8 mm，为了捕捉中性网格结构和准确地模拟冲刷坑周围的紊流形态，对冲刷坑和圆桩底床附近区域进行局部加密，加密单元网格的尺寸为1.8 mm×1.8 mm×1.8 mm，验证网格收敛性后确定网格划分如图3所示，网格总数约为133万。为了保证计算的稳定性，起始时间步长定为0.01 s，最小时间步长定为10-8s。

图3 计算域的网格划分

1.4 模拟结果及分析

1.4.1 网格结构对冲刷坑周围流场的影响

为了探究冲刷坑内的流场变化，采用了多个不同网格尺寸的网格结构。现以网孔尺寸为3 mm×3 mm的中性网格为例进行说明，利用Flowsight软件对模拟结果进行后处理，得到流速矢量如图4～6所示，图中，x方向为来流方向，y方向为横断面方向，z方向为垂直方向。

由3个剖面的流速云图可知：1)中性网格的覆盖作用可以显著减小整个冲刷坑内的流速和冲坑边壁的流速；2)网格覆盖后，不仅坑内的流速变小，圆桩下游网格上方附近流域的速度也显著减小。

对比分析3个剖面的流速矢量图可知：1)图4显示，网格覆盖前，桩前的下潜水流与上游来流汇聚，在靠近桩壁处形成的漩涡对附近产生冲刷作用；而网格覆盖后，下潜水流不仅强度明显降低，且进入冲刷坑后不会在床面处形成强烈的漩涡，而是形成流速较小的完整回流。2)图5显示，由于网格的覆盖作用，桩两侧马蹄形漩涡的强度降低，原来的水流结构变成了较完整回流，大大减弱了对桩周围泥沙的冲刷作用。3)图6显示，由于来流进入冲刷坑后整体速度降低，原本因为圆桩表面不稳定剪切层的卷动而形成的尾涡也不再明显，桩后的水流变得较为平稳。

图4 x-z垂直纵剖面的流速矢量对比

图5 y-z垂直横剖面的流速矢量对比

图6 x-y水平面的流速矢量对比

1.4.2 网孔大小对圆桩周围流速的影响

针对网孔边长分别为3 mm、5 mm、7 mm、9 mm、11 mm的网格结构，进行定床局部冲刷水动力的数值模拟，得到桩前10 cm处网格上方水域的平均流速，如表1所示。为探究冲刷坑内流速的变化，分析z=0.04 m处纵断面(x-z剖面)的流速值，得到无防护、5种网格防护共6种工况下的流速变化，如图7所示。

图7 网格防护下冲刷坑内纵断面平均流速

表1 桩前断面平均流速

由图7可知：1)无防护工况下，沿来流方向上冲坑内的流速迅速增大，在桩前流速达到来流流速的58%，在桩后流速先增大后减小；2)5种网格防护下，桩前冲坑内的流速变化存在明显的波动现象，第一个波峰处的流速值为来流流速的18%～32%；第二个波峰在桩前，此位置的流速达到极值，但均小于无防护工况的流速；3)观察桩后的流速变化，可以发现在网孔边长为3 mm网格防护下的流速变化存在波动现象，其余防护工况下冲坑内的流速沿x方向逐渐增加，最大值仅为来流流速的26%；4)整体上看，冲坑内的流速极值随着网孔尺寸的减小而减小，其中网孔边长为3 mm网格的减速效果最明显，在网孔边长为7 mm和9 mm网格防护下，冲刷坑内的流速差别极小。

2 中性网格的防冲促淤效果

2.1 水槽试验方案

在数值模拟结论的基础上开展水槽试验，以研究中性网格结构对圆桩局部冲刷的防护和对冲刷坑的修复效果，试验布置如图8所示。水槽尺寸为12 m×1 m×0.8 m(长×宽×高)，水槽的上层为试验区，下层为水体循环区，平铺沙床厚度为0.15 m。水槽及供水系统为自循环系统，通过变频器控制安放在水槽下层的潜水泵，从而调节循环水的流量，水槽左边侧壁中段是长度为3 m的透明玻璃，用来观察水流及泥沙的运动情况。

图8 试验水槽布置示意

试验泥沙为细砂，d50=0.26 mm，d95=0.39 mm，不均匀系数Cu=2.06。

试验为了避免水槽边壁效应的影响，将几何比尺设定为1∶40，桩墩基础概化为直径0.05 m，长度0.5 m的圆柱体，固定在距出水口6 m处的底床中心线上，圆桩采用透明有机玻璃材料制作，在透明内壁上安置微型摄像头以记录桩前冲刷坑深度的变化。试验水深为20 cm，可以消除表面张力的影响。

工程应用中网格长、宽的比尺与桩径的比尺相同，根据Richardson和Davis[18]对顺直来流情况下桥墩局部冲刷坑宽度的研究成果，桥墩局部冲刷坑宽度大概等于冲刷深度的1.0～2.8倍，水槽试验中最大冲刷深度为6 cm，所以设置网格的长和宽均为24.6 cm，能完全覆盖冲刷坑表面。针对网格厚度的选择，考虑到实际应用过程中，如果厚度过大会产生类似扩展基础的作用，容易造成床面的二次冲刷[8]，还要综合考虑结构强度和工程造价等因素，因此，试验的网格结构采用相对密度略大于水的改性PVC材料通过3D打印机打印而成，当厚度为3 mm时结构的强度能符合冲刷要求。

网孔尺寸的大小由泥沙粒径和级配决定，不随几何比尺的变化而改变。关于网孔尺寸的选择，在试验前初步假设其取值范围为3d95～30d95，因此文中共进行了5种不同网孔尺寸的中性网格防冲促淤试验，网孔边长分别为3 mm、5 mm、7 mm、9 mm、11 mm，定义无量纲物理量孔径比S为网孔边长与泥沙粒径d95的比值。

来流的流速测量使用超声多普勒速度分析剖面仪(UDV)，冲刷深度的测量使用激光位移传感器进行实时记录。

2.2 水槽试验步骤

试验步骤如下：

1)整平沙床后，将透明圆桩埋置在水槽正中央，用激光位移传感器测量此时的床面高程，测点布置如图9所示，共40个测点。然后向水槽内蓄水至水深达到20 cm，之后打开变频器，由小到大缓慢调整流速，观察泥沙起动情况，当泥沙全面起动时，固定变频器数值，此时用UDV测量来流流速，数值为0.38 m/s，可以进浑水冲刷试验。

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2)在流速0.38 m/s的条件下，进行9 h冲刷试验，冲刷坑形态基本达到稳定，结束后放干水槽，在图9所示的固定测点用激光位移传感器测量冲刷坑深度。

图9 测点布置

3)将中性网格覆盖在冲刷坑上，用不锈钢弯钉固定，如图10所示。向水槽内缓慢蓄水至水深达20 cm，打开已固定频率的变频器，进行9 h的促淤试验，试验结束后放干水槽，按同样的方法测量冲刷坑深度。

图10 水槽中网格覆盖

4)取出中性网格，整平沙床后，测量此时的床面高程，然后将中性网格覆盖在圆桩周围的平整床面上，向水槽内蓄水，保持相同的水流条件，进行9 h的防护试验，试验结束后测量冲刷坑深度。

5)按上述步骤进行5个不同网孔大小的中性网格防冲促淤试验，试验工况见表2。根据试验步骤进行中性网格对圆桩局部冲刷的防护和促淤试验，记录每组工况中圆桩局部冲刷坑的形态变化和冲刷深度数值。

表2 试验工况

2.3 试验结果及分析

2.3.1 中性网格的防冲促淤效果

利用微型摄像头进行观测记录，得到无防护冲刷、网格防护冲刷(冲刷前铺设网格)以及网格促淤(已出现冲刷坑)3种情况下，圆桩正前方床面高度随时间的变化，如图11所示。结果表明，经过长达9 h的冲刷后，各工况下圆柱周围均发展出稳定的局部冲刷坑。无防护冲刷情况下，圆柱周围出现明显冲坑，且在前90 min冲坑发展迅速，之后桩前冲刷深度随冲刷时间的增加而出现波动现象，但基本稳定在60 mm；在网格防护情况下，前40 min桩前冲刷深度迅速增加到24 mm，之后冲刷深度的波动与无防护冲刷工况相似；将网格覆盖在冲刷坑表面后，随着冲刷时间的增加网格下方淤积的泥沙逐渐增多，冲刷深度逐渐降低，9 h后基本达到稳定状态，此时桩前冲刷坑深度减小到37 mm。

图11 冲刷/淤积高度发展过程(S=17.9)

图12展示了网孔大小为7 mm×7 mm的中性网格的防冲促淤效果。可以看出，中性网格防护后，局部冲刷范围大大减小，冲刷深度显著降低，且桩前以及桩两侧的网格上方出现较多的淤积泥沙，对于已经形成的冲刷坑，中性网格也有较好的修复效果。

图12 网格覆盖后的防冲促淤结果(S=17.9)

2.3.2 网孔大小对防冲促淤效果的影响

理论上讲，中性网格的网孔越大，来沙越容易从网孔下落进入冲刷坑，但坑内水流强度也越大，泥沙越易被冲刷。而网孔尺寸太小时，会出现上游来沙不能迅速落入冲刷坑内，促淤效率降低。因此，需要研究网孔大小对防冲促淤效果的影响，筛选出合适的网孔尺寸。

图13显示5种不同网孔大小的中性网格覆盖后圆桩周围局部冲刷形态，总体来看，在网格防护下几乎没有出现局部冲刷坑，最大冲刷深度及冲刷坑的范围随着孔径减小而逐渐减小。对比分析桩前和桩两侧的冲刷深度可以发现：在网格的防护作用下，冲刷深度可降低44%(S=28.2)至92%(S=7.7)；S=23.1和S=28.2的网格防护效果相差很小。此外，桩后的防护效果最为显著，5种网孔尺寸的网格都可以使桩后几乎不出现局部冲坑，并且网格上方均出现了淤积现象。

图13 不同孔径的网格防护下局部冲刷情况

图14显示5种不同网孔大小的中性网格对已存在冲刷坑的促淤修复效果，总体来看，5种网孔大小的网格都可以大幅度修复原有冲刷坑，S=7.7 时，桩前冲刷深度可降低73%，桩两侧的冲刷坑深度可降低81%；桩后冲刷坑被泥沙淤满并出现堆积。

图14 不同孔径的网格防护下冲刷坑修复情况

结合数值模拟的结果分析可以发现，网孔尺寸对防冲促淤效果的影响规律与对冲刷坑内流速的影响规律一致：冲刷坑内最大流速值和冲刷坑深度均随着孔径比的减小而减小。此外，S=7.7的网格对局部冲刷的防护和修复效果最好，但是桩前的床面出现了明显的隆起，这是由于网孔尺寸偏小，导致落淤的泥沙较多，部分泥沙没有落入冲刷坑内而是淤积在桩前的网格结构上方。

综上所述，中性网格具有较明显的防冲促淤作用，但S不同时防冲促淤效果差别较大，在文中试验的水沙条件下，初步建议S小于8。

3 讨 论

中性网格结构可以弱化冲刷坑内水流强度，降低水流的挟沙能力，大大减轻圆桩周围的局部冲刷程度。但值得注意的是，其网孔大小十分重要，最佳网孔尺寸可能会随泥沙和流速等条件而变化，文中研究提出的最佳孔径比适用于无黏性细砂的冲刷条件。之后还需开展深入试验，扩大网孔比的试验范围，并扩大泥沙参数、来流流速、水深等试验范围。由于无黏性泥沙和黏性泥沙对桩墩冲刷的响应规律不同，一方面黏性泥沙一旦被起动或起扬，泥沙颗粒就不容易停止运动，因此，黏性泥沙的运动往往是推移和悬移两种形式并存[19]；另一方面，中性网格受紊流及桩墩作用而可能发生微幅振动，对其接触的黏性泥沙可诱发流化[20]，此时的防护效果也许不同。

4 结 语

采用数值模拟方法分析了清水冲刷下中性网格覆盖前后冲刷坑内的水动力变化，以及网孔尺寸对冲刷坑内流速的影响，揭示了中性网格的防冲促淤机理。在此基础上开展水槽试验，研究了不同网孔尺寸中性网格的防冲促淤效果，得出以下结论：

1)中性网格结构防护下，桩前来流几乎不受影响，但冲刷坑内水动力被弱化，具体表现为流速明显减小，原有下潜水流、马蹄形漩涡和尾涡的结构被破坏，冲刷坑内原本强烈的涡系结构均变成了较完整的回流，大大减弱了对桩周围泥沙冲刷的水动力。

2)中性网格结构的覆盖可以有效抑制水下桩墩附近的局部冲刷，使局部冲刷坑的范围显著缩小，冲刷坑深度也明显降低；对于已经存在的局部冲刷坑，中性网格的覆盖作用会促进泥沙落淤，较大程度地淤满原有冲刷坑。

3)孔径比对冲刷坑内的水动力弱化和防冲促淤效果有较大影响且影响规律相似。随着孔径比的减小，冲刷坑内的流速极值逐渐减小，中性网格对圆桩局部冲刷的防护及修复效果越好。在文中水槽试验范围下，当孔径比S=7.7时，在冲刷坑形成前铺设中性网格可同比削减冲刷深度92%，平衡冲刷坑形成后再铺设中性网格最大冲刷深度可同比削减73%。当试验泥沙为细砂时，初步建议S小于8。