灘海工程中仿生草消浪特性試驗(yàn)研究

孟 強(qiáng)，吳云云

(吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院，吉林 長春130021)

在近海海洋工程中，由于近岸段水淺、潮流波浪條件惡劣使得海底沖刷成為近岸普遍存在的現(xiàn)象。由此造成近岸工程，如:海底管線，近岸建筑物，航道等極易受到?jīng)_刷破壞。對海底管線而言沖刷引起的懸空和移位是導(dǎo)致海底管線損壞的主要形式[1]。例如，平湖油氣田10#海底管線岱山近岸段于2000年10月和11月由于受到臺風(fēng)出現(xiàn)沖刷懸空，進(jìn)而有兩處發(fā)生疲勞斷裂，對油氣田生產(chǎn)帶來了巨大的損失，并對環(huán)境造成嚴(yán)重污染和不良的社會影響[2]。傳統(tǒng)的防沖刷治理方法中常采用:水下拋石、砂袋堆壘、混凝土沉排墊和支撐防護(hù)樁等這幾種處理方式，但水下拋石、砂袋堆壘、混凝土沉排墊在實(shí)施過程中存在二次沖刷、而且后續(xù)維護(hù)費(fèi)用高、增加以后鋪設(shè)管線電纜的施工難度、無促淤作用等缺點(diǎn)，支撐防護(hù)樁在實(shí)施過程中存在定位誤差大、保護(hù)范圍小、對小直徑且懸空較長的管線投資高、無促淤作用、加快沖刷范圍的擴(kuò)展速度、施工費(fèi)用高等缺點(diǎn)[3－4]。

仿生草防護(hù)技術(shù)是基于海洋仿生學(xué)原理而開發(fā)研制的一種海底防沖刷技術(shù)[5－6]，1983年由英國SSCS公司發(fā)明制造，經(jīng)過多年的不斷研究與改進(jìn)，已成為一種成熟的技術(shù)。仿生草是采用耐海水浸泡、抗長期沖刷的新型高分子材料(聚乙烯和聚丙烯)制成的塑料制品，通過將其安置并固定于需要防止或控制的海底位置，當(dāng)海底水流流經(jīng)該區(qū)域，利用仿生草的粘滯阻尼作用，降低海底水流的速度，減緩海水的沖刷，同時促進(jìn)海底泥沙的淤積，從而達(dá)到預(yù)防和治理海底沖刷的目的。

目前國內(nèi)關(guān)于仿生草消浪保護(hù)灘海海底管線的物理模型試驗(yàn)研究成果較少。陳德春[7－8]等在波浪水槽中研究了單排和多排人工水草的消浪特性，試驗(yàn)得出單排水草消浪特性甚差，在研究水草屏柵的消浪特性時，采用多排水草進(jìn)行試驗(yàn)。另外在波浪潮流較為復(fù)雜的淺水海域，波浪掀沙、潮流輸沙作用明顯，對海底管線沖刷作用較強(qiáng)，由此，為了預(yù)防海底管線的沖刷破壞，開展波浪和水流作用下仿生草消浪、緩流特性的研究就顯得尤為重要。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及儀器

本文研究中，物理模型試驗(yàn)在波浪水槽中進(jìn)行，該水槽可同時產(chǎn)生波浪、水流和風(fēng)。水槽長64 m、寬 1.8 m、深 1.8 m，工作段分割成 0.8 m 和 1.0 m寬兩部分。水槽的一端配有消浪緩坡，另一端配有推板式不規(guī)則波造波機(jī)，由計算機(jī)自動控制產(chǎn)生所要求模擬的波浪要素。該系統(tǒng)可根據(jù)需要產(chǎn)生規(guī)則波和不同譜型的不規(guī)則波。為消除水槽試驗(yàn)中波浪的多次反射，造波板上安裝二次反射吸收裝置(ARC)。水槽兩端設(shè)有出流口，安裝有兩臺雙向泵，可產(chǎn)生不同流速的水流。水槽頂部裝有吸風(fēng)裝置，調(diào)節(jié)吸風(fēng)裝置的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生不同風(fēng)速的風(fēng)。

波高測量采用電阻式波高儀;流速采用聲學(xué)多普勒流速儀(ADV)測量。

1.2 模型設(shè)計和試驗(yàn)方法

1.2.1 模型設(shè)計[9－10]

本實(shí)驗(yàn)采用正態(tài)模型進(jìn)行試驗(yàn)，遵循《波浪模型試驗(yàn)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，按照Froude數(shù)相似律設(shè)計，模型幾何比尺取為1∶10(模型比原型)。

1.2.2 波浪和水流模擬

試驗(yàn)采用不規(guī)則波，波譜采用Jonswap譜，模型中的波高、波周期等物理量按重力相似準(zhǔn)則確定。水流采用恒定流，模型中的流速也按重力相似準(zhǔn)則確定。

波流共同作用采用恒定流與波浪組合，試驗(yàn)時先在波浪水池中率定波浪和水流要素，然后安放仿生草模型，進(jìn)行波浪水流作用下的水動力特性試驗(yàn)。

試驗(yàn)所用仿生草間距、草高、鋪設(shè)長度、水深、波要素及水流流速均以實(shí)際工程存在的條件為參照，按照模型比尺換算得來。仿生草間距8.4 cm，高度分別為12.5 cm和6.25 cm，鋪設(shè)段長度分別為1 m和2 m。試驗(yàn)?zāi)M中考慮水深(H=0.6 m，0.4 m，0.2 m)、波高(Hs=5 cm，7 cm，10 cm，12 cm，15 cm，17 cm，20 cm)、周期(Tm=1.5 s，1.8 s，2.0 s，2.2 s，2.5 s)的影響。

試驗(yàn)進(jìn)行之前將仿生草按照一定的要求(間距8.4 cm，保證緊湊，且疏密度與實(shí)際灘海仿生草相吻合，草高、草段長按照各試驗(yàn)要求設(shè)置)鋪設(shè)在波浪水槽試驗(yàn)段的底部，并且在仿生草鋪設(shè)段的兩端位置及其后部2 m位置處分別布置三根波高儀，在仿生草段前1 m、兩端及中部位置分別布置四個ADV聲學(xué)多普勒流速儀測點(diǎn)(距底4 cm)，用于測量仿生草段附近波高和波浪水質(zhì)點(diǎn)速度(圖1)。

圖1 水槽布置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 仿生草對波高的影響

仿生草段前后以波高衰減系數(shù) R表示，R=Hs2/Hs1。

式中:Hs1為草前波高(1#波高儀測點(diǎn)波高)，Hs2為草后波高(2#波高儀測點(diǎn)波高)。

由于仿生草對波浪的阻礙作用，波高沿程有所減小。而影響波高衰減的主要因素有:入射波高、水深、仿生草高、草段長度、鋪設(shè)密度等。試驗(yàn)中，當(dāng)研究其中某一因素對仿生草消浪的效果時，其他各因素均采用某一定值。

2.1.1 水深對波高衰減影響

試驗(yàn)條件為:草段長度 L=1 m;草高 h=12.5 cm;水深 H=0.2 m、0.4 m、0.6 m。在不同波浪作用下，不同水深時仿生草對波高的沿程影響結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同水深時仿生草對波高的沿程影響

由圖2可見:水深相同時，入射波高的大小對波高衰減影響不大;水深為0.6 m時，波高基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，無衰減;水深為0.4 m時，波高衰減系數(shù)處于0.91～0.94之間;水深為0.2 m 時波高衰減系數(shù)處于0.78～0.80之間;由于波浪質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動能量主要集中于水面附近，所以水深越深仿生草對波高衰減影響越不明顯。

由此得出結(jié)論:對于12.5 cm高的仿生草，鋪設(shè)長度為1 m時，水深越深，仿生草的消波效果越弱，對波高衰減影響越小;隨著水深的減小，受仿生草的阻尼作用影響，消波效果逐漸增強(qiáng)，對波高衰減影響增大。

2.1.2 草段長對波高衰減影響

試驗(yàn)條件為:草段長度 L=1 m、2 m;草高 h=12.5 cm;水深 H=0.2 m、0.4 m、0.6 m。在周期 Tm=2.0 s不同波浪作用下，不同水深時草段長度對波高衰減的影響對比如圖3所示。

圖3 不同草段長度波高衰減對比

由圖3可見:水深相同時，仿生草2 m草長時的消波作用要明顯優(yōu)于1 m草長;草段長L由1 m增加至2 m，水深H=0.6 m時波高衰減增加了7%左右，水深H=0.4 m時波高衰減增加了6%左右，水深0.2 m時波高衰減增加了約10%左右。

由此得出結(jié)論:對于12.5 cm高的仿生草，鋪設(shè)草段長度越長阻尼作用越強(qiáng)，其阻礙波浪傳播距離越長，消耗更多波能，對波高衰減越顯著，消波效果越好。

2.1.3 草高對波高衰減影響

試驗(yàn)條件為:草段長度 L=1 m;草高 h=12.5 cm，6.25 cm;水深 H=0.2 m。在周期 Tm=2.0 s不同波浪作用下，不同草高對波高衰減的影響對比如圖4所示。

草高對波高衰減的影響由圖4可見:6.25 cm高仿生草段后波高明顯大于12.5 cm高仿生草段后波高值，草高6.25 cm時波高衰減系數(shù) R為0.90～0.91，草高 12.5 cm 時波高衰減系數(shù) R 為 0.78 ～0.80，草高增加一倍，波高衰減增加了近 11% ～12%。由此得出結(jié)論:仿生草高度越高，其阻尼作用越強(qiáng)，消波效果越好。

2.2 仿生草段波浪質(zhì)點(diǎn)速度

灘海工程所處位置一般水深較淺，在波浪作用下，近底水質(zhì)點(diǎn)速度很大程度上影響海床面泥沙的運(yùn)動，鋪設(shè)仿生草之后，仿生草的阻尼作用會在一定程度上阻礙含沙水體的運(yùn)動，減小沖刷。本次試驗(yàn)采用ADV(聲學(xué)多普勒流速儀)測量了仿生草附近波浪水質(zhì)點(diǎn)水平方向的速度(測點(diǎn)流速見圖5)。

圖4 不同草高波高衰減對比

圖5 波浪質(zhì)點(diǎn)速度隨時間變化

圖5 為水深0.6 m、有效波高0.17 m、平均周期2.0 s時，ADV測得草內(nèi)外波浪質(zhì)點(diǎn)速度隨時間變化過程。由圖5可見:在此種草的疏密程度一定情況下，波浪作用下，仿生草內(nèi)速度超過0.5 m/s的峰值明顯多于仿生草段前。

圖6為不同工況下，ADV測點(diǎn)波浪近底水平速度有效值(uw13%)的沿程變化。由圖6可見，仿生草內(nèi)及后部的近底水平速度有效值(uw13%)略大于仿生草前的值。這主要是由于波浪作用下，柔軟度高的仿生草葉片隨波浪前后擺動，難以形成對海底床面的有效保護(hù)，同時，葉片的擺動也可能增大了底部空隙處水平速度的峰值。這也表明，仿生草對作用于海床的波浪動力影響較小。根據(jù)波浪作用下泥沙輸移研究成果[11－12]可知，盡管仿生草的影響下局部波浪質(zhì)點(diǎn)速度增加，掀起的泥沙含量增加，但仿生草的存在阻礙底層高含沙水體的運(yùn)動，仍然可以減小沖刷的效果。

圖6 草內(nèi)外質(zhì)點(diǎn)速度

2.3 水流作用試驗(yàn)

水流作用下，海底仿生草順?biāo)鞣较虻狗狗潭入S水流流速增大而增強(qiáng)。在水深6 m、流速1.5 m/s條件下，長度1.25 m的仿生草倒伏后的高度約0.7 m;在水深2 m、流速1.5 m/s條件下，長度1.25 m的仿生草倒伏后的高度僅有0.6 m。倒伏后的仿生草葉片覆蓋在海床上，形成一個覆蓋層。

2.3.1 仿生草上流速垂線分布

仿生草的存在使草內(nèi)流速減小，同時增大了草外流速，改變了流速沿水深的分布。圖7為仿生草段內(nèi)與段外流速垂線分布的比較。(以下各單位換算到原形，模型比尺是1∶10)

圖7 仿生草段內(nèi)與段外流速垂線分布的比較

由圖7可見，在水流作用下，仿生草倒伏前，草內(nèi)水深小的地方流速很小水深大的地方流速大，仿生草倒伏后使草內(nèi)流速減小，與此同時，也使草外流速增大，由于仿生草的存在，流速沿水深的分布圖發(fā)生了變化。

2.3.2 仿生草前后流速沿線分布

仿生草的緩流作用主要體現(xiàn)在減小水流對仿生草下局部海床的作用，以達(dá)到保護(hù)海底管線的目的。因此，本次試驗(yàn)測量了不同工況水流作用下仿生草下距海底0.4 m和0.6 m處的流速。圖8～圖11為不同工況下仿生草段前后水流流速沿程變化，圖12為不同草高仿生草段前后水流流速比較。

圖8 仿生草段前后水流流速沿程變化(草高 1.25 m，水深 6 m)

圖9 仿生草段前后水流流速沿程變化(草高 1.25 m，水深 4 m)

圖10 仿生草段前后水流流速沿程變化(草高 1.25 m，水深 2 m)

由圖8～圖12可見:

(1)鋪設(shè)仿生草對減小作用于鋪設(shè)段海床的水流動力有較好的效果。

(2)在水深較大(4 m～6 m)時，仿生草鋪設(shè)段內(nèi)近底流速明顯減小。

圖11 仿生草段前后水流流速沿程變化(草高 0.625 m，水深 4 m)

圖12 不同草高仿生草段前后水流流速比較(水流流速 1.2 m/s，水深 4 m)

(3)在水深較小(2 m)時，與水深較大情況有所不同，仿生草鋪設(shè)段內(nèi)近底流速只有中間點(diǎn)有所減小，大部分區(qū)域變化不大，有些位置的草內(nèi)流速還略大于草外。這主要是由于水深較小時，仿生草的鋪設(shè)減小了過水?dāng)嗝婷娣e，并且占過水?dāng)嗝婷娣e的比例較大，使得斷面流速增大較多，草內(nèi)的流速也相應(yīng)增大。

(4)不同仿生草高度試驗(yàn)結(jié)果表明，在水深較深時(4 m)，較高仿生草高度的緩流效果較好。

3 結(jié)語

(1)從試驗(yàn)結(jié)果得出:仿生草對波高的影響是非常有限的，當(dāng)水深0.6 m草高12.5 cm時仿生草對波高幾乎沒有影響。只有當(dāng)水深很淺時仿生草波高衰減特性才會體現(xiàn)出來。

(2)在水流作用下，鋪設(shè)仿生草對減小作用于鋪設(shè)段海床的水流動力有較好的效果，在水深較大(4 m～6 m)時，仿生草鋪設(shè)段內(nèi)近底流速明顯減小。在水深較小(2 m)時，與水深較大情況有所不同，仿生草鋪設(shè)段內(nèi)近底流速只有中間點(diǎn)有所減小，大部分區(qū)域變化不大，有些位置的草內(nèi)流速還略大于草外。

(3)灘海工程所處位置水深較淺，波浪質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動直接作用至海底，仿生草對水流的遮蔽效果會被波浪質(zhì)點(diǎn)的來回擺動所削弱。從能力角度考慮，波浪與仿生草相互作用時，波高降低波能衰減。

(4)波浪作用下泥沙在近底層形成高含沙底層，盡管在仿生草段處波浪近底速度略有增加，掀起的泥沙含量增大，但同時仿生草存在阻礙底層高含沙水體的運(yùn)動，仍然可以減小沖刷的效果。

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