孟 強，吳云云

(吉林省水利水電勘測設計研究院，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月由于受到臺風出現(xiàn)沖刷懸空，進而有兩處發(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、混凝土沉排墊在實施過程中存在二次沖刷、而且后續(xù)維護費用高、增加以后鋪設管線電纜的施工難度、無促淤作用等缺點，支撐防護樁在實施過程中存在定位誤差大、保護范圍小、對小直徑且懸空較長的管線投資高、無促淤作用、加快沖刷范圍的擴展速度、施工費用高等缺點[3－4]。

仿生草防護技術是基于海洋仿生學原理而開發(fā)研制的一種海底防沖刷技術[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，已成為一種成熟的技術。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，同時促進海底泥沙的淤積，從而達到預防和治理海底沖刷的目的。

目前國內(nèi)關于仿生草消浪保護灘海海底管線的物理模型試驗研究成果較少。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，采用多排水草進行試驗。另外在波浪潮流較為復雜的淺水海域，波浪掀沙、潮流輸沙作用明顯，對海底管線沖刷作用較強，由此，為了預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 試驗概況

1.1 試驗設備及儀器

本文研究中，物理模型試驗在波浪水槽中進行，該水槽可同時產(chǎn)生波浪、水流和風。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，由計算機自動控制產(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。水槽頂部裝有吸風裝置，調(diào)節(jié)吸風裝置的轉速產(chǎn)生不同風速的風。

波高測量采用電阻式波高儀;流速采用聲學多普勒流速儀(ADV)測量。

1.2 模型設計和試驗方法

1.2.1 模型設計[9－10]

本實驗采用正態(tài)模型進行試驗，遵循《波浪模型試驗規(guī)程》相關規(guī)定，按照Froude數(shù)相似律設計，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則確定。水流采用恒定流，模型中的流速也按重力相似準則確定。

波流共同作用采用恒定流與波浪組合，試驗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，進行波浪水流作用下的水動力特性試驗。

試驗所用仿生草間距、草高、鋪設長度、水深、波要素及水流流速均以實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，鋪設段長度分別為1 m和2 m。試驗模擬中考慮水深(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。

試驗進行之前將仿生草按照一定的要求(間距8.4 cm，保證緊湊，且疏密度與實際灘海仿生草相吻合，草高、草段長按照各試驗要求設置)鋪設在波浪水槽試驗段的底部，并且在仿生草鋪設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聲學多普勒流速儀測點(距底4 cm)，用于測量仿生草段附近波高和波浪水質點速度(圖1)。

圖1 水槽布置

2 試驗結果及分析

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#波高儀測點波高)，Hs2為草后波高(2#波高儀測點波高)。

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、鋪設密度等。試驗中，當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;由于波浪質點運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。

由此得出結論:對于12.5 cm高的仿生草，鋪設長度為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，對波高衰減影響增大。

2.1.2 草段長對波高衰減影響

試驗條件為: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。

由此得出結論:對于12.5 cm高的仿生草，鋪設草段長度越長阻尼作用越強，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%。由此得出結論:仿生草高度越高，其阻尼作用越強，消波效果越好。

2.2 仿生草段波浪質點速度

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

圖4 不同草高波高衰減對比

圖5 波浪質點速度隨時間變化

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)外波浪質點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，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點速度增加，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動，仍然可以減小沖刷的效果。

圖6 草內(nèi)外質點速度

2.3 水流作用試驗

水流作用下，海底仿生草順水流方向倒伏，倒伏程度隨水流流速增大而增強。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，以達到保護海底管線的目的。因此，本次試驗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)鋪設仿生草對減小作用于鋪設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，仿生草鋪設段內(nèi)近底流速只有中間點有所減小，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，仿生草的鋪設減小了過水斷面面積，并且占過水斷面面積的比例較大，使得斷面流速增大較多，草內(nèi)的流速也相應增大。

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

3 結語

(1)從試驗結果得出:仿生草對波高的影響是非常有限的，當水深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，鋪設仿生草對減小作用于鋪設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，仿生草鋪設段內(nèi)近底流速只有中間點有所減小，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，波浪質點運動直接作用至海底，仿生草對水流的遮蔽效果會被波浪質點的來回擺動所削弱。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動，仍然可以減小沖刷的效果。

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