沈立龍,趙東梁，馮先導

(1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040;2.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040;3.交通運輸行業(yè)交通基礎設施智能制造技術研發(fā)中心，湖北 武漢 430040;4.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，湖北 武漢 430040)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和土地資源的緊缺，大型圍海造陸工程日益增多。當圍堤不斷進占形成圍區(qū)時，為了防止惡劣海況下強越浪水體或內部吹填砂時造成圍區(qū)水位增高，進而威脅工程和施工安全，常在堤線上預留一個龍口讓多余水體自由排出。而龍口區(qū)域屬于流速驟然增大的區(qū)域，其流態(tài)復雜、流場紊亂。

擾動的水流易引起漩渦沖蝕龍口周圍海床，導致河床下切、基底床沙被淘空等，進而降低龍口兩側結構物基礎承載力和結構安全性[1-2]，因此，研究龍口周圍的局部沖刷十分重要。

目前，結構物局部沖刷的大量研究多集中于橋墩、丁壩、管線、防波堤等結構物[3-7]，涉及龍口的研究多在圍海堵口或河道截流等工程合龍施工技術方面[8-9]，而水動力特性與局部沖刷研究相對較少，尤其針對板樁墻等直立結構上預留的排水龍口結構。

為研究施工期強越浪作用下圍區(qū)板樁墻預留龍口局部沖刷特性，依托海外某大型圍海造陸港口工程，借助 CFD 軟件，建立了龍口沖刷模型，分析了龍口區(qū)域流場分布規(guī)律和局部沖刷特點，為降低沖刷程度和減少泥沙的流失提供了針對性建議，可為類似工程提供一定參考。

1 工程概況

某海外大型圍海造陸港口工程主要包含1 480 m LEE防波堤、443 m高樁碼頭和800 m鋼板樁碼頭，中間為吹填陸域區(qū)。施工期間，由LEE防波堤、高樁碼頭后方沉箱和板樁碼頭的前板樁墻共同圍成圍區(qū)(圖1)，排水龍口布置在板樁碼頭的前板樁墻約中部位置，前板樁墻由AZ樁和HZ樁相扣組合而成，排水龍口總寬度為20 m，龍口節(jié)段僅施打前沿HZ型主樁，預留HZ樁間的12組AZ板樁不施工，以形成排水龍口(圖2)，施工中為保證弱軸方向剛度，HZ樁頂端采用橫梁加固。除龍口節(jié)段外，兩側均為封閉的HZ樁+AZ樁的板樁墻。

圖1 海外某大型圍海造陸港口工程施工中鳥瞰圖

圖2 排水龍口結構

港口工程地處地中海東岸，該區(qū)域屬于典型的地中海季風氣候，季風期間(11月—次年3月)極端波況頻發(fā)，以風浪作用為主導，有效波高可達3.5 m以上。季風期間強越浪水體主要通過LEE防波堤和沉箱頂部進入圍區(qū)。為減少越浪量，LEE堤和沉箱頂部提前放置一排混凝土預制塊。強浪越進圍區(qū)后引起內部水位增高，增多水體主要通過龍口排出圍區(qū)，此時會造成龍口流速驟然增大，且不同時刻越浪量不同，造成龍口流速大小不一，流場復雜、混亂，進而加劇龍口局部沖刷。龍口流速主要通過越浪量求得，即簡化為單位時間越浪量除以過水面積。根據(jù)《海港水文規(guī)范》[10]，越浪量可采用下列公式進行計算：

(1)

式中：Q為單位時間單位堤寬的越浪量(m3·m-1·s-1)；H′c為胸墻墻頂在靜水面以上的高度(m)；H為有效波波高(m)；b1為胸墻前肩寬(m)；B為經(jīng)驗系數(shù)；KA為護面結構影響系數(shù)；Tp為譜峰周期(s)；m為斜坡坡度系數(shù)；d為建筑物前水深(m)；g為重力加速度(ms2)。

2 數(shù)學模型

2.1 基本方程

連續(xù)性方程：

(2)

動量方程：

(3)

(4)

(5)

式中：u、v、w分別為x、y、z方向上的流速分量；Gx、Gy、Gz分別為x、y、z方向上的體加速度；Ax、Ay、Zz分別為x、y、z方向上流體面積分數(shù)；fx、fy、fz分別為x、y、z方向上的黏滯力加速度;VF為流體的體積分數(shù);p為作用在流體微元上的壓強；ρ為流體密度；t為時間。

2.2 RNG k-ε模型

對于湍流情況，采用RNGk-ε模型。RNGk-ε模型是k-ε模型的改進方案，由Yakhot和Orzag[11]提出，在RNGk-ε模型中，通過在大尺度運動和修正后的黏度項體現(xiàn)小尺度的影響，而使這些小尺度運動系統(tǒng)地從控制方程中去除。RNGk-ε模型能更好地計算具有剪切力的流體區(qū)域，適用于水流對泥沙造成局部沖刷的模擬運算。其表達式如下：

(6)

(7)

2.3 泥沙運動方程

泥沙運動方程參考文獻[12-13]，推移質輸沙律方程和懸移質輸沙方程表達式為：

(8)

(9)

τ=0.5cp(u21+u22+u23)

(10)

τcv=φ(ρc-ρ)gd

(11)

式中:c為常系數(shù)，取值為 0.19;u1、u2、u3分別為海床表面附近水平、垂向和橫向脈動流速;ρ為水的密度;ρc為泥沙密度;φ為臨界希爾茲參數(shù)。

2.4 模型搭建

根據(jù)工程現(xiàn)場龍口實際尺寸建立計算模型，見圖3。圖中h1為海床面至水面深度,h2為砂層厚度，L1為模型長度，L2為模型寬度。龍口尺寸與工程現(xiàn)場保持一致，HZ樁寬度為0.46 m，間距為1.787 m，擋砂結構高度3 m。計算水深為h1=7 m。

圖3 龍口結構

計算域進口設置為速度入口邊界，左右均設置為對稱邊界，計算域頂部設置為指定壓力邊界，模型網(wǎng)格尺寸為0.3 m，局部進行一定加密處理。

因圍區(qū)內部屬于吹填區(qū)，砂質較為松散，施工期在強越浪作用和內部吹填砂時，部分砂會隨水體流出圍區(qū)。為了降低損失，在龍口區(qū)域HZ樁間布置多個擋砂結構。擋砂結構通過自身卡槽與兩側HZ樁相連，通過鐵鏈懸吊著緩緩下放至海床面固定，并將鐵鏈系在龍口頂部橫梁上，以便后期擋砂結構拆除或調整其高度。

設定未布置擋砂結構的工況為工況a，布置擋砂結構的工況為工況b，數(shù)值計算模型見圖4。

圖4 龍口周圍海床沖刷計算模型

3 計算結果分析

流場分布規(guī)律主要受制于龍口的結構形式，而流場的變化反過來會影響作用于結構物本身的水動力荷載，也會造成龍口區(qū)域局部沖刷，因此要研究排水龍口的局部沖刷問題，須先研究排水龍口處水流流場的特性。本文依托海外某大型圍海造陸港口工程，基于CFD軟件對兩種結構龍口周圍的流場分布規(guī)律和局部沖刷特點進行了研究，得到了以下結論。

3.1 龍口周圍流場

通過計算結果發(fā)現(xiàn)：水體流經(jīng)龍口時，水體水平橫向急劇收縮并集中，流速驟然增大，水位壅高，龍口內外側出現(xiàn)一定水位差，展現(xiàn)出“水跌”的水力現(xiàn)象。當水體流過龍口后，帶動口門兩側水體移動，在口門的后部兩側流態(tài)紊亂，首先出現(xiàn)立軸旋渦。流經(jīng)龍口的水體一部分徑直流向后方，另一部分則向兩側斜向擴散，受擾動的水體范圍增大，龍口后方兩側立軸旋渦也由最開始生成位置遷移至下方。

龍口處中間流速一般大于兩側流速[14-15]，而本工程龍口結構中存在多根HZ樁，水流受其影響，出現(xiàn)了兩側略大于中部的現(xiàn)象。

水平方向上，工況a和工況b的流場規(guī)律存在一定相似性，而垂直方向工況b因為擋砂結構的存在，垂直方向上水體也存在向上收縮并集中的現(xiàn)象，過水面積更小，龍口流速大于工況a，水體流經(jīng)龍口后，在重力等作用下主流部分下潛，進而帶動擋砂結構后方水體流動，形成順時針旋渦，流場分布規(guī)律較工況a更加復雜，同時也一定程度上促進了擋砂結構后方泥沙的沖刷(圖5～8)。同時，若擋砂結構未嵌入進砂層，部分水體會通過擋砂結構底部微小縫隙流出，砂層被慢慢沖刷后，流出水體逐漸發(fā)展成為射流，進一步擾亂了擋砂結構下放和后方原有流場，導致紊亂程度更大，反過來加劇了擋砂結構底部和后方泥沙的沖刷。

圖5 工況a龍口周圍水平向流速矢量

圖6 工況b龍口周圍垂向流速矢量(t=21 s)

圖7 工況b龍口周圍垂向流速矢量(t=60 s)

圖8 龍口周圍流速場三維圖

3.2 龍口周圍局部沖刷

針對以上兩種工況，根據(jù)數(shù)值計算結果，分別模擬得到了不同時刻的沖刷床面形態(tài)。

水流流經(jīng)龍口時，復雜的流場與高速的水流對泥沙床面產生的切應力超過泥沙的臨界起動力，導致泥沙起動，造成龍口局部沖刷。工況a龍口后方?jīng)_刷形態(tài)和深度相對平均，基本沒有太大高差區(qū)別(圖9、10)，只有少數(shù)區(qū)域，如龍口兩側靠近AZ+HZ板樁墻位置，沖刷相對嚴重，與流速大小存在一定對應關系，屬于重點沖刷防護區(qū)。計算得到最大沖刷深度約為1.5 m，沖刷范圍覆蓋到龍口后方約25 m。

圖9 工況a龍口周圍海床沖刷立面圖

圖10 工況a不同斷面龍口沖刷深度曲線

針對工況b，由流場分布規(guī)律可知，龍口局部沖刷原因主要表現(xiàn)為兩方面，一方面，少部分水體由開始擋砂結構底部微小縫隙流出，逐漸帶動砂粒移動形成沖刷，以及最后擋砂結構底部和后方原有流場被擾動和改變，加劇沖刷；另一方面，水體流經(jīng)龍口主流部分下潛，引起擋砂結構后方旋渦產生，同樣較大促進了龍口周圍海床沖刷(圖11、12)。

圖11 工況b龍口周圍海床沖刷立面圖

圖12 工況b不同斷面龍口沖刷深度曲線

沖刷發(fā)展過程主要表現(xiàn)如下：隨著時間延續(xù)，約在t=98 s時，擋砂板底部輸沙率開始增大，局部沖刷力度加強，沖刷坑加深；在t=123 s 時，輸沙率開始較大，擋砂結構下方?jīng)_刷坑進一步加深，沖刷范圍沿水流方向向龍口后方推移。隨著沖刷的發(fā)展，床面形狀的改變速度一定程度上加劇，在t=139 s 時，局部沖刷劇烈，沖坑繼續(xù)向下游發(fā)展，深度逐漸增大。t=150 s和t=173 s時，沖刷范圍和沖刷深度得到了進一步擴大，但沖刷速度逐漸減緩。一定時間后，沖刷狀態(tài)趨于相對穩(wěn)定。最終龍口后方靠近擋砂結構區(qū)域沖刷嚴重，最大沖刷深度達3.6 m，明顯高于工況a，再向后方?jīng)_刷深度逐漸變淺，沖刷范圍與工況a相似。同時因為多根HZ樁和大流速原因，龍口后方?jīng)_刷狀態(tài)趨于梳齒狀。

通過以上兩種工況結果對比發(fā)現(xiàn)，結構復雜的工況b較工況a龍口周圍流場復雜，局部流速大，沖刷程度劇烈。工況b中擋砂結構若沒有嵌入進砂層，待下方?jīng)_刷逐漸形成水流通道后，擋砂結構將成為龍口局部沖刷的不利因素，因此建議擋砂結構安裝時，應嵌入砂層一定深度，同時主流下潛水體對防止擋砂結構后方易產生沖刷，以及為保證擋砂結構下方的絕對安全，建議對龍口區(qū)域做一定其他防護措施處理(包括工況a)，如在龍口兩側沖刷范圍內覆蓋土工布，并用砂袋進行壓載。龍口兩側，靠近AZ+HZ板樁墻區(qū)域流速最大，尤其工況a，對底坡形成的沖刷力度相對較強，是龍口護底防護相對重點部位。

4 結論

1)針對大型圍區(qū)板樁墻排水龍口處的流場與局部沖刷分析，本文計算方法合理，該方法可在其他結構形式龍口或橋墩、丁壩、防波堤等結構局部沖刷計算中推廣應用。

2)龍口位置屬于流速驟然增大區(qū)，流場復雜但有一定規(guī)律，針對文中兩種龍口結構工況，都存在不同程度局部沖刷，且龍口周圍流場分布規(guī)律與海床局部沖刷特點存在一定對應關系，為了結構安全，建議一定防護處理。

3)龍口區(qū)域設置擋砂結構，目的是減少圍區(qū)內砂的流失，但安裝時若不嵌入進砂層一定深度，其下方易形成沖刷通道，存在沖刷風險，發(fā)展到一定程度，將更加擾亂龍口后方流場，加劇龍口底部和后方的沖刷程度，建議擋砂結構安裝時應嵌入砂層一定深度，同時也采用其他防護措施。