波流作用下单桩基础局部冲刷试验研究

刘汝嘉，王栋，郭文韬，张其林，左超群，王帅儿

（1.中国路桥有限责任公司，北京 100011；2.东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，江苏 南京211189；3.东南大学土木工程学院，江苏 南京 211189）

0 引言

长期以来，研究人员对单桩基础桩周局部冲刷进行了广泛研究，Whitehouse[1]、Sumer等[2]以及Melville等[3]详细描述了单桩周围的冲刷机制。程永舟等[4]在模型流槽试验中对不同基础类型的局部冲刷进行了大量研究，揭示了恒定流中的流场特性。与恒定流条件相比，波浪作用下冲刷的研究必须考虑波浪高度、波速、波浪周期等因素。Sumer等[2]在波浪条件下对垂直桩群进行了一系列水槽试验，发现波浪条件下桩周围的冲刷由尾涡和马蹄涡控制。Keulegan-Carpenter（KC）数是动床平衡冲刷深度的主要影响参数，同时Sumer等[2]和王卫远等[5]均提出了波浪条件下圆柱桩周围局部冲刷的经验公式及计算方法。波流共同作用不是波浪和水流单独作用的简单叠加，而是底部边界层内外波浪和水流之间非线性的相互作用，使得桩基础周围的冲刷更加剧烈。漆文刚[6]进行了一系列单桩和双桩试验，报道了波浪和水流共同作用下桩周冲刷深度的时间发展曲线，并提出了平衡冲刷深度的经验表达式。张成芹等[7]根据冲刷预测方法提出了粉砂质海床区域施工过程中的防冲刷措施。以往的研究都发现，波浪和水流共同作用下的桩体扰动比简单叠加的情况更为复杂。本文基于位于非洲西海岸的安哥拉卡约新港口项目，开展了一系列低KC数的水槽试验，以揭示波流作用下单桩基础的局部冲刷特性。同时测量了冲刷深度的时间发展曲线，研究了无量纲参数对局部冲刷的影响。

1 项目背景

安哥拉卡约新港口项目位于非洲西海岸卡宾达省。受风向影响，波浪方向主要为南向、西南向，最大浪高3.5 m，平均浪高1.2 m，1.5 m以下波浪出现频率约占全年的80%。该海域常年存在长周期波，最大波浪周期为16 s，平均波周期9.8 s。现场岸滩较为平坦，由细砂组成，较为密实。

港口码头基础在服役期间受到长期波流联合作用，极易发生局部冲刷。冲刷会明显减小基础的有效埋深，基础的冲刷裸露将导致其承载力降低，这将严重威胁整个码头的安全。为保障基础冲刷的安全，在建设过程中需要了解深水基础冲刷机理并精准预测其冲刷特征。

2 试验设备和布置

试验在南京水利科学研究院泥沙实验室的长175 m、宽1.2 m、高1.6 m的水槽中进行。为防止波浪反射，水槽下游端设置斜坡消能网。水槽可以同步产生波浪和水流，通过控制造波机可以产生不同波高和波周期的波浪，通过控制阀调节进水流量，以控制不同试验条件下的水流量。

如图1所示，1个长8 m，宽1.2 m，深0.3 m，前后坡度为1∶10的土槽位于水槽的中间部分，其中填满无黏性砂，中值粒径为d50=0.22 mm，σg=d84/d50=1.60（d50和d84分别为对应于50%和84%的土颗粒级配曲线的粒径）。按照试验顺序，在土箱的中心放置2种直径的模型桩（D=0.08 m和0.20 m）。值得注意的是，在本实验中水槽水深h保持在0.5 m。使用声学多普勒测速仪（ADV）在距离模型桩中心0.5 m的试验土层表面上方0.5D处测量流速。在桩前1.0 m处设置3个波高计，以测量试验期间的波高变化。为了测量冲刷深度的发展，在桩的上游和下游安装了超声波距离传感器。

图1 水槽试验系统示意图Fig.1 Flume test system

表1总结了本研究中的具体试验参数和测量结果，其中D为桩径；H为波高；T为波浪周期。相对冲刷深度S/D（S为冲刷深度）表征不同直径桩的冲刷程度。

表1中参数Uc为水流流速，Uwm为波浪诱导的流速，Um=Uc+Uw m为波浪和水流组合产生的最大流速。KC数、基于平均速度的弗劳德数Fra、流速比Ucw的定义如下：

表1 试验安排及试验结果Table 1 Test arrangement and test results

式中：Ua为1/4个振荡周期内波浪和海流共同作用产生的平均速度；由于小KC值的波浪和水流共同作用下的单桩基础的冲刷相关研究很少，因此本研究中的KC值设定在0.5～4.18之间。由相似理论可知，为了保证模型与原型的相似，必须满足所有的相似准则，但这在实际中很难做到。因此，在本文的模型试验中，参考漆文刚[6]试验中的相似比准则，控制的是KC数、Fra和Ucw三个参数的相似比。

本研究进行了8组试验，为了控制试验的总持续时间，每组试验的时间限制为120 min，详细试验步骤如下：

1）清空并清洁水槽和土箱。

2）将模型桩安装在试验土槽的中心，使用砂雨法准备土层，使用刮刀将表面整平。

3）水槽注水至预设水位（0.5 m），布置波计和激光扫描仪。

4）启动造波机和流量泵，在水槽中产生波浪和稳定的水流。

5）启动多通道信号同步采集系统，当冲刷时间达到120 min时，停止试验。

6）上一组试验完成后，排空水槽，重复步骤2～5，然后开始下一次测试。

3 试验结果分析

3.1 桩周局部冲刷的发展

图2展示了当流速Uc=0.24 m/s时，模型桩（桩径D=0.08 m、0.20 m）冲刷深度的时间发展曲线，研究了相同周期T但不同波高H的波浪叠加对恒定流速下桩周冲刷深度的影响。

图2 不同桩径单桩基础的桩周局部冲刷时程发展曲线Fig.2 Time history development curve of local scour around monopile foundation with different pile diameters

如图2所示，冲刷深度S在试验开始时迅速增加，经过一段时间后，增长速率逐渐降低，最终趋于稳定。与水流单独作用的情况相比，在波浪和水流共同作用下，冲刷深度的发展明显更快，最终冲刷深度明显更大（最大值约为水流单独作用下的2.5倍）。比较图2（a）和（b）可以观察到，对于小直径桩（D=0.08 m），冲刷深度的发展很快（即发展曲线的初始斜率较大）。当桩径较大时（D=0.20 m），冲刷深度的发展相对较慢，达到平衡冲刷深度的时间也相应较长。推测是因为较大的桩径使得桩基础周围冲刷坑的形成需要更多的泥沙输运，因此需要更多的时间。

从图3可以看出，波浪叠加后，冲刷大大加剧，这可以解释为：波浪具有较强的挟沙能力和相对较弱的输沙能力，而水流的挟沙能力较弱，但具有较强的输沙能力。如前所述，波流共同作用是非线性的，其边界层结构和流速剖面分布不同于单独的水流或波浪。这些因素的共同作用增加了河床剪应力，降低了泥沙的临界起动速度，加剧了冲刷过程。

图3 不同水流条件下的冲刷坑图片Fig.3 Pictures of scour hole under different flow conditions

值得注意的是，图2中存在一些试验组的冲刷起动时间与试验开始时间（即时间零点）不一致，因为在试验中，冲刷从桩基础侧开始并逐渐扩展到桩基础的上游侧。在本研究中，对于具有较大桩径的模型桩，其冲刷坑发展较慢，需要较长的时间才能扩展到桩基础的上游侧。因此，图中冲刷开始时间略滞后于试验开始时间。小桩径桩周围的冲刷迅速发展，因为桩侧的冲刷迅速扩展到桩的上游侧。因此，认为曲线中的冲刷起点基本上与时间零点重合。

将图2中的冲刷发展曲线的起点都移至坐标原点，并使用式（5）来计算外推结果。

式中：S（t）为t时的冲刷深度；a、b、c、d为通过最小二乘拟合从冲刷深度实测数据中获得的参数。

表2比较了外推的相对平衡冲刷深度Se和测量的相对冲刷深度S，发现外推结果和测量结果之间的比值小于1.2。对于直径相等的模型桩，随着波高的增加（即水流强度的增加），Se/S值减小，最终趋于1。在应用于工程实践时，可将预测的冲刷深度乘以安全系数1.2，以确保得到的冲刷深度预测是安全的。

表2 实测相对冲刷深度与外推结果的比较Table 2 Comparison between measured results and extrapolated results

3.2 基于Fra的局部冲刷深度预测公式

图4展示了相对冲刷深度S/D和Fra之间的关系曲线，为增加样本量引用了Sumer等[2]和漆文刚[6]的实验数据。虽然这些研究中的KC数范围、水深和土体性质不同，但所有实验数据都接近于一条均匀曲线，并且可以用以下经验公式表示：

图4 相对冲刷深度S/D与Fra的关系Fig.4 Relationship between relative scour depth S/D and Fra

式（6）表明，当Fra较大时，相对冲刷深度逐渐收敛到S/D=1.54。由前可得，拟合数据均为试验数据，必须乘以1.2才能用于工程实践，因此相对冲刷深度收敛到1.85，这与现有研究（波流联合作用下）中的极限相对冲刷深度（S/D=1.7～2.4）基本一致。

图5展示了由公式（6）计算的冲刷深度与实验数据之间的比较。大部分数据都在20%的误差线范围内，在冲刷深度较小的区间出现了一些超过50%的误差，这可能是由于试验过程中冲刷深度较小导致的测量误差造成的。

图5 实测冲刷深度与预测冲刷深度的对比Fig.5 Comparison between measured scour depth and predicted scour depth

4 结语

本文通过一系列水槽试验，系统地研究了波浪和水流共同作用下单桩基础的局部冲刷问题，比较了不同波流条件下的冲刷发展规律，提出了基于Fra的冲刷预测公式，主要结论如下：

1）由于波浪的叠加，冲刷深度的增加比单独水流作用下的增加更为显著。此外，在波浪和水流共同作用下，桩周冲刷深度的发展速度快于单独水流作用下的发展速度。

2）在工程实际应用中，预测公式计算所得的冲刷深度需乘以安全系数1.2以确保工程的安全性。

3）根据基于平均速度的弗劳德数Fra，提出了一种新的经验公式来估计相对冲刷深度S/D，预测结果的误差在20%以内，可为相关的工程设计提供参考。