潮流作用下塔基保護(hù)措施效果的試驗(yàn)研究

李來武,梁 斌,許 政

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310020)

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和海洋資源的開發(fā)利用在不斷的加快,海上各種建筑物也應(yīng)運(yùn)而生,塔基作為海上一種重要的建筑物,在潮流的作用下,其安全問題日益受到人們的普遍重視,潮流對(duì)塔基沖刷,理論上雖然有公式可以計(jì)算,但計(jì)算條件多為概化,且計(jì)算結(jié)果不一,工程上大多通過物理模型試驗(yàn)確定,而樁基防沖保護(hù)措施的效果更是受到人們的廣泛關(guān)注。

1 原型概況

研究的對(duì)象為跨海輸電線路的海中鐵塔基礎(chǔ),位于樂清灣海域,塔基平臺(tái)頂面高程為11.5 m,底面高程8.0 m,其平面尺寸為54.44m×54.44 m,正方形形態(tài)。平臺(tái)下共布置了65根直徑為1.8 m的鋼管樁,其中56根為5∶1的斜樁,9根為直樁。北側(cè)布置2排環(huán)形防撞樁群,距離塔基平臺(tái)10 m,樁徑2.2 m。

樂清灣三面環(huán)陸,開口朝向西南,水域相對(duì)開闊,潮汐屬非正規(guī)半日淺海潮,潮流呈往復(fù)流性質(zhì),工程地點(diǎn)的最高潮位5.23 m,最低潮位-3.87 m,實(shí)測(cè)測(cè)點(diǎn)最大漲潮流速為1.42 m/s,最大落潮流速為1.70 m/s,泥沙主要來源為外海懸沙。

海中鐵塔基礎(chǔ)位置敏感,研究主要目的為:

(1)在設(shè)計(jì)水文條件下塔基局部沖刷坑深度及形態(tài);

(2)塔基基礎(chǔ)防沖保護(hù)措施的效果研究。

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 模型范圍和比尺

根據(jù)試驗(yàn)研究目的,需模擬塔基附近三維水流和泥沙運(yùn)動(dòng),要求模型小比尺、正態(tài),因而利用寬水槽、正態(tài)模型研究塔基局部沖刷問題。

模型遵照小比尺、正態(tài)的原則,結(jié)合模擬范圍、模型沙選擇、塔基尺寸、紊流限制條件等因素,幾何比尺選定為 λl=100。

試驗(yàn)水槽長(zhǎng)33m,寬4.3 m,動(dòng)床段長(zhǎng)度5 m?？赡M海域長(zhǎng)度3300 m,寬度430 m(見圖1)。

圖1 模型平面布置圖 單位:m

2.2 主要相似條件

對(duì)于正態(tài)模型,水流運(yùn)動(dòng)必須滿足的相似條件為:

重力相似 λu=λv=λw=λl1/2

水流連續(xù)相似 λt1=λl/λu

式中:λu、λt1分別為流速比尺、水流運(yùn)動(dòng)時(shí)間比尺。此外,模型還應(yīng)滿足表面張力與紊流限制條件。

鑒于本項(xiàng)目主要研究塔基的局部沖刷,因此,動(dòng)床模型主要考慮泥沙起動(dòng)相似、泥沙水下休止角接近。

起動(dòng)相似 λuc=λu

試驗(yàn)按極限狀態(tài)法進(jìn)行,這樣可以得到不利的沖刷坑高程。

2.3 模型制作

模型按上述幾何相似條件進(jìn)行制作,遵照幾何、水流與泥沙運(yùn)動(dòng)相似條件(見表1)進(jìn)行原、模型各物理量的轉(zhuǎn)換,模型地形概化為平底。

表1 模型相似比尺表

2.4 模型選沙

塔基局部沖刷試驗(yàn)關(guān)注的重點(diǎn)是沖刷的深度和平面形態(tài),因此,模型沙的選擇主要考慮按起動(dòng)相似和水下休止角接近。

塔基地質(zhì)表層為淤泥,平均中值粒徑0.0021 mm,其中黏土約占67%,粉沙占32%,沙僅占1%,厚度17.7 m。根據(jù)以往類似工程經(jīng)驗(yàn),塔基沖深不會(huì)超過其表層淤泥厚度。

利用起動(dòng)沖刷與水流對(duì)絮凝體切應(yīng)力大小的關(guān)系得到的起動(dòng)流速約為1.0～1.2 m/s,泥沙起動(dòng)流速越小,局部沖刷坑深度越大,從工程安全角度出發(fā),選擇中值粒徑為0.045mm的木屑作模型沙,根據(jù)水槽試驗(yàn),其起動(dòng)流速為9～11 cm/s,可基本滿足起動(dòng)流速相似的要求。此外,木粉的水下休止角與天然沙的水下休止角也較接近,選擇木粉作模型沙可以較好地模擬塔基基礎(chǔ)在潮流作用下局部沖刷坑的形成過程及沖刷形態(tài)。

3 潮流率定試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)潮流條件

塔基位于海域環(huán)境,潮流是局部沖刷及海床演變的主要?jiǎng)恿?試驗(yàn)采用非恒定流模擬潮流過程。

考慮要獲取塔基設(shè)計(jì)條件的沖刷情況,選取50 a一遇的潮流作為沖刷試驗(yàn)水流,塔基處50 a一遇漲潮最大垂線平均流速為1.94 m/s,流向3°。落潮最大垂線平均流速為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

根據(jù)給定潮流條件,先進(jìn)行定床潮流率定試驗(yàn)。模型上下邊界生潮系統(tǒng)采用水泵群變頻調(diào)速閉環(huán)水位控制,用以模擬潮水流量,該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,重復(fù)性好,能滿足模型試驗(yàn)精度要求。流速測(cè)量采用微型旋漿流速儀測(cè)量模型流速,水位測(cè)量采用自動(dòng)跟蹤式精密水位儀。率定結(jié)果其誤差不超過1%,滿足試驗(yàn)要求。

4 沖刷試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)組次

分3組進(jìn)行動(dòng)床試驗(yàn),組次1不進(jìn)行樁基拋石保護(hù),為模擬天然海床地質(zhì)情況,模型沙采用木粉。組次2為樁基采用拋石保護(hù)方案,拋石頂面高程同海床自然高程一致,拋石范圍為樁群中間及周圍15 m以內(nèi)。組次3也是樁基拋石保護(hù)方案,但拋石頂面高程高出海床2～3 m,拋石范圍為樁群中間及周圍15m以內(nèi)。組次2和組次3根據(jù)其拋石料尺度,模型沙選用2～3 mm天然沙進(jìn)行模擬,幾何相似且起動(dòng)流速也相似。

塔基處50 a一遇漲潮最大垂線平均流速的流向?yàn)?°,與塔基軸線的夾角為20°;落潮最大垂線平均流速的流向?yàn)?90°,與塔基軸線的夾角為13°。試驗(yàn)取兩者的均值16.5°。

4.2 沖刷速率

為確定合理的試驗(yàn)時(shí)間,模型進(jìn)行了沖刷坑沖刷速率的試驗(yàn),圖2為塔基沖刷坑沖刷深度與時(shí)間的關(guān)系。圖中顯示,試驗(yàn)進(jìn)行2.5 h的沖刷深度已經(jīng)基本達(dá)到最終沖刷深度,為安全起見,正式試驗(yàn)的沖刷時(shí)間取3 h。

圖2 塔基沖刷速率曲線圖

4.3 塔基沖刷深度

塔基引起的河床沖刷包括由不利海洋水文條件引起的自然沖刷,樁基壓縮水流增加單寬流量產(chǎn)生的一般沖刷,過樁基的馬蹄形旋流引起的塔基周圍局部沖刷。

按上述模型設(shè)計(jì)和試驗(yàn)條件獲得的塔基局部沖刷值包括了上述自然沖刷、一般沖刷和局部沖刷3部分。

表2為塔基最大沖刷深度試驗(yàn)結(jié)果,由表可見,在給定的潮流條件作用下,無拋石保護(hù)的塔基中間部位沖刷最嚴(yán)重,最大沖刷深度達(dá)到了6 m左右,塔基兩側(cè)基本不沖。在采用拋石保護(hù)措施后,塔基中間部位沖刷較輕,但塔基兩側(cè)海床床面出現(xiàn)沖刷。其中,當(dāng)拋石頂面與海床一致時(shí),塔基中間部位最大沖刷深度在1 m左右,塔基兩側(cè)最大沖刷深度在4 m左右。當(dāng)拋石高出海床2～3 m時(shí),塔基處基本不再?zèng)_刷,而塔基兩側(cè)的最大沖刷深度比拋石頂面與海床一致時(shí)的情況略有增加。

表2 塔基最大沖刷深度試驗(yàn)結(jié)果表 m

4.4 沖刷形態(tài)

塔基為樁基承臺(tái)型。樁基在無拋石保護(hù)情況下,塔基各樁間由于樁的擠壓屏蔽作用,使潮流更趨集中,水流紊動(dòng)強(qiáng)度亦有所增強(qiáng),沖刷坑最深處在樁基中間部位。由于潮流流向與樁基軸線有16.5°的夾角,使得沖刷坑平面形態(tài)呈現(xiàn)出不對(duì)稱型,弱沖刷區(qū)偏向塔基軸線的背流側(cè) (見圖3)。

樁基采取拋石保護(hù)措施后,在其保護(hù)效應(yīng)下,塔基兩側(cè)出現(xiàn)繞流,并沖刷出深溝,圖4、圖5分別為塔基在拋石頂面同海床床面一致時(shí)和拋石高出海床床面2～3 m時(shí)的沖刷形態(tài)。

圖3 自然狀態(tài)沖刷形態(tài)圖

圖4 拋石與海床一致沖刷形態(tài)圖

圖5 拋石高出海床沖刷形態(tài)圖

5 結(jié) 語

無拋石保護(hù)的塔基中間部位受到?jīng)_刷,最大沖刷深度相對(duì)較深。在采取拋石保護(hù)措施后,無論拋石頂面是同海床床面一致還是高出海床床面2～3 m,其塔基中間部位相對(duì)沖刷較輕,但塔基兩側(cè)海床發(fā)生沖刷。就拋石保護(hù)措施的效果而言,拋石高出海床2～3 m的保護(hù)方案對(duì)塔基基礎(chǔ)的保護(hù)效果最佳,但兩側(cè)需要考慮一定的防護(hù)范圍。

[1]中華人民共和國(guó)交通部.海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程(JTJ/T 233—98)[S].北京:人民交通出版社,1998.

[2]謝鑒衡.河流模擬 (第1版)[M].北京:水利電力出版社,1990.