趙寒燕，樂紹林，周 歡，張民曦，喻國良

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240; 2.武漢二航路橋特種工程有限責任公司，湖北 武漢 430071)

水下樁墩是橋梁、高樁碼頭、海洋平臺、海上風機等眾多建筑物的基礎，其局部沖刷可對這些上部建筑物和結構物的動力響應和穩(wěn)定性造成極為不利的影響，常常給人們的生產、生活帶來不便，嚴重者甚至威脅生命、財產安全。我國每年因橋墩沖刷導致的損失巨大[1]，因此，開展樁墩局部沖刷防護措施的研究對提高橋梁、高樁碼頭、海洋平臺、海上風機等建筑物的安全生產具有重大意義。

關于產生橋墩局部沖刷的機理，國內外學者基于流體力學和大量的模型試驗研究發(fā)現局部沖刷主要由墩前下降水流、墩周馬蹄形漩渦和墩后尾渦3種水流結構引起[2]。Unger和Hager[3]的試驗表明，墩前波涌及下潛水流是由墩前駐點射出的2個垂直射流引起的，且墩前駐點位置、波涌及下潛水流在沖刷坑發(fā)展過程中沒有明顯的變化。Kirkil等[4]利用大渦模擬(LES)精細地展示了沖刷坑內馬蹄渦是由一個主要的項鏈狀渦以及其他幾個次生渦組成，且由于墩前渦的反向轉動，可使沖刷坑的坡度大于泥沙休止角。Shen等[5]認為橋墩表面不穩(wěn)定剪切層的卷動形成了尾渦系，尾流的強度隨距橋墩距離的增加而迅速減小，從而導致橋墩下游泥沙的淤積。

根據局部沖刷的機理，Chiew[6]將防護方法分為兩種：一種是被動防護，也稱為實體防護；另一種是主動防護，也稱為減速不沖防護。實體防護的措施主要有：拋石防護[7]、擴大樁墩基礎防護[8]、混凝土模袋、連鎖排[9]、四角混凝土塊防護[10]等。實踐證明，該類方法雖然具有施工速度快，操作靈活等優(yōu)點，但后期經常需要修繕維護，不僅經濟成本較高，且防護體容易被洪水沖毀，甚至引發(fā)整個沖刷防護工程潰敗。減速不沖防護主要包括：墩前排樁防護[11]、橋墩的部分或整體開縫防護[12]、護圈防護[13]等，這些方法均設法消除引起局部沖刷的流場因素，也在工程實踐中取得了減少沖刷的效果，但各自都存在一些缺陷，如改變了承載結構形式、適用條件有限、安裝施工困難、增大了結構上的水動力荷載等。隨著新工程材料的應用，還出現了局部增阻促淤保護方法。例如四面體透水框架[14]、三角網促淤防沖裝置[15]、生物及人工水草促淤防沖措施[16]、促淤浮簾裝置[17]等。這類防護方法不但減少了底床沖刷，而且還具有促淤作用。但這些防護措施也各有缺陷，例如在水深流急的區(qū)域內四面六邊體框架會發(fā)生位移流失，所以一般不適合用于流速較大水域的防沖保護；生物促淤措施容易造成生物入侵，同時植物也受到自身的生長周期和生長環(huán)境的限制；人工水草促淤防沖措施不適用于高流速環(huán)境；促淤浮簾裝置應對流向變化的能力差等。

綜上可知，樁墩局部沖刷防護技術尚需進一步發(fā)展。為此，本文研究設計一種用工程材料制作的中性網格進行樁墩局部沖刷的防護方法，其技術思路為：用一種相對密度略大于水的、耐腐蝕、抗紫外線的工程材料(如HDPE)制作具有特殊幾何特征的中性網格，用其將已有的沖刷坑口(或可能出現沖刷坑的部位)完全覆蓋，不但能使覆蓋前后的來水、來沙強度基本不變，而且網格下方沖刷坑內的流速會毫無疑問地顯著減少；當上游來沙到達網格上時會穿過網孔落入沖刷坑內，從網孔落下的泥沙不會被沖刷出坑，而是永久性地淤積在坑內；不斷的來沙淤積使沖刷坑不斷減小，直到建立新的沖淤平衡，此時，樁墩周圍的局部沖刷變得有限，樁墩因此而得到沖刷防護的效果。網格的網孔越大，來沙越容易從網孔下落進入沖刷坑，但網孔越大時坑內水流強度也越大，泥沙越易被沖刷。因此，中性網格對樁墩局部沖刷坑內的水動力弱化機制與促淤效果是實現上述樁墩局部沖刷防護亟待開展的靶向問題，而中性網格的最佳網孔大小是決定其促淤防護能力的關鍵技術指標。為此，將通過數值模擬、水槽試驗和理論分析，研究中性網格結構對圓樁周圍沖刷坑內水動力及床面形態(tài)的影響機理，探明網孔大小對中性網格防沖促淤效果的影響，試圖為水下樁墩周圍的沖刷防護提供一種新措施。

1 中性網格對沖刷坑內的水動力弱化

1.1 控制方程

不可壓縮黏性流體的運動應遵循連續(xù)性方程和動量方程，其表達式如式(1)、式(2)所示。

連續(xù)性方程：

(1)

動量方程：

(2)

式中：xi、xj為笛卡爾坐標系坐標；ui、uj為x,y,z方向的速度分量；Ai為i方向上的流體所占面積分數；t為時間；VF為流體部分的體積分數；ρ為流體密度；p為壓強；Gi為i方向上的重力加速度；fi為i方向上的黏滯力加速度。

研究采用RNG k-ε湍流模型，能較好地模擬圓柱繞流，k方程和ε方程為：

(3)

(4)

1.2 模型概化

選取水槽試驗工況作為數值模擬的試驗工況。在保證模型準確性的前提下，為減少單元網格數量，節(jié)約計算時間，數值試驗的計算域縮小為長150 cm、寬50 cm、高32 cm。模擬的圓樁直徑D=5 cm，將其布置在床面中心，如圖1所示。初始時刻設置一個沖刷坑，依據水槽試驗中測量的沖刷坑形態(tài)，對數值模擬中的沖刷坑進行概化，樁前深度6 cm，樁后深度4 cm，上游沖坑面類似圓錐面，沖刷坡角為32°，下游沖刷坡角為24.9°。圓柱的行進流速U=38 cm/s，水深20 cm，底床厚度7 cm。

圖1 計算模型布置

中性網格防護結構概化為一個固定在床面的剛性網板，網格厚度為3 mm，其網孔形態(tài)為大小相同、分布均勻的方形。為探究網格結構的厚度對沖刷坑內水動力的影響，選取網孔邊長分別為3 mm、5 mm、7 mm、9 mm、11 mm的網格結構，將其覆蓋在沖刷坑口進行水動力模擬，如圖2所示。

圖2 中性網格及其防沖刷布置

1.3 網格劃分及邊界條件

由于該圓樁局部沖刷問題具有對稱性，為節(jié)省計算時間，可選沿來流方向包含半個圓樁的半邊計算域進行計算。其進口邊界為速度邊界，V=0.38 m/s；下游出口邊界條件設置為壓力邊界，設置出口水位0.27 m；底面采用壁面邊界條件；其余邊界為對稱邊界。

網格劃分全部采用結構化正交網格，單元網格尺寸設置為8 mm×8 mm×8 mm，為了捕捉中性網格結構和準確地模擬沖刷坑周圍的紊流形態(tài)，對沖刷坑和圓樁底床附近區(qū)域進行局部加密，加密單元網格的尺寸為1.8 mm×1.8 mm×1.8 mm，驗證網格收斂性后確定網格劃分如圖3所示，網格總數約為133萬。為了保證計算的穩(wěn)定性，起始時間步長定為0.01 s，最小時間步長定為10-8s。

圖3 計算域的網格劃分

1.4 模擬結果及分析

1.4.1 網格結構對沖刷坑周圍流場的影響

為了探究沖刷坑內的流場變化，采用了多個不同網格尺寸的網格結構?，F以網孔尺寸為3 mm×3 mm的中性網格為例進行說明，利用Flowsight軟件對模擬結果進行后處理，得到流速矢量如圖4～6所示，圖中，x方向為來流方向，y方向為橫斷面方向，z方向為垂直方向。

由3個剖面的流速云圖可知：1)中性網格的覆蓋作用可以顯著減小整個沖刷坑內的流速和沖坑邊壁的流速；2)網格覆蓋后，不僅坑內的流速變小，圓樁下游網格上方附近流域的速度也顯著減小。

對比分析3個剖面的流速矢量圖可知：1)圖4顯示，網格覆蓋前，樁前的下潛水流與上游來流匯聚，在靠近樁壁處形成的漩渦對附近產生沖刷作用；而網格覆蓋后，下潛水流不僅強度明顯降低，且進入沖刷坑后不會在床面處形成強烈的漩渦，而是形成流速較小的完整回流。2)圖5顯示，由于網格的覆蓋作用，樁兩側馬蹄形漩渦的強度降低，原來的水流結構變成了較完整回流，大大減弱了對樁周圍泥沙的沖刷作用。3)圖6顯示，由于來流進入沖刷坑后整體速度降低，原本因為圓樁表面不穩(wěn)定剪切層的卷動而形成的尾渦也不再明顯，樁后的水流變得較為平穩(wěn)。

圖4 x-z垂直縱剖面的流速矢量對比

圖5 y-z垂直橫剖面的流速矢量對比

圖6 x-y水平面的流速矢量對比

1.4.2 網孔大小對圓樁周圍流速的影響

針對網孔邊長分別為3 mm、5 mm、7 mm、9 mm、11 mm的網格結構，進行定床局部沖刷水動力的數值模擬，得到樁前10 cm處網格上方水域的平均流速，如表1所示。為探究沖刷坑內流速的變化，分析z=0.04 m處縱斷面(x-z剖面)的流速值，得到無防護、5種網格防護共6種工況下的流速變化，如圖7所示。

圖7 網格防護下沖刷坑內縱斷面平均流速

表1 樁前斷面平均流速

由圖7可知：1)無防護工況下，沿來流方向上沖坑內的流速迅速增大，在樁前流速達到來流流速的58%，在樁后流速先增大后減??；2)5種網格防護下，樁前沖坑內的流速變化存在明顯的波動現象，第一個波峰處的流速值為來流流速的18%～32%；第二個波峰在樁前，此位置的流速達到極值，但均小于無防護工況的流速；3)觀察樁后的流速變化，可以發(fā)現在網孔邊長為3 mm網格防護下的流速變化存在波動現象，其余防護工況下沖坑內的流速沿x方向逐漸增加，最大值僅為來流流速的26%；4)整體上看，沖坑內的流速極值隨著網孔尺寸的減小而減小，其中網孔邊長為3 mm網格的減速效果最明顯，在網孔邊長為7 mm和9 mm網格防護下，沖刷坑內的流速差別極小。

2 中性網格的防沖促淤效果

2.1 水槽試驗方案

在數值模擬結論的基礎上開展水槽試驗，以研究中性網格結構對圓樁局部沖刷的防護和對沖刷坑的修復效果，試驗布置如圖8所示。水槽尺寸為12 m×1 m×0.8 m(長×寬×高)，水槽的上層為試驗區(qū)，下層為水體循環(huán)區(qū)，平鋪沙床厚度為0.15 m。水槽及供水系統為自循環(huán)系統，通過變頻器控制安放在水槽下層的潛水泵，從而調節(jié)循環(huán)水的流量，水槽左邊側壁中段是長度為3 m的透明玻璃，用來觀察水流及泥沙的運動情況。

圖8 試驗水槽布置示意

試驗泥沙為細砂，d50=0.26 mm，d95=0.39 mm，不均勻系數Cu=2.06。

試驗為了避免水槽邊壁效應的影響，將幾何比尺設定為1∶40，樁墩基礎概化為直徑0.05 m，長度0.5 m的圓柱體，固定在距出水口6 m處的底床中心線上，圓樁采用透明有機玻璃材料制作，在透明內壁上安置微型攝像頭以記錄樁前沖刷坑深度的變化。試驗水深為20 cm，可以消除表面張力的影響。

工程應用中網格長、寬的比尺與樁徑的比尺相同，根據Richardson和Davis[18]對順直來流情況下橋墩局部沖刷坑寬度的研究成果，橋墩局部沖刷坑寬度大概等于沖刷深度的1.0～2.8倍，水槽試驗中最大沖刷深度為6 cm，所以設置網格的長和寬均為24.6 cm，能完全覆蓋沖刷坑表面。針對網格厚度的選擇，考慮到實際應用過程中，如果厚度過大會產生類似擴展基礎的作用，容易造成床面的二次沖刷[8]，還要綜合考慮結構強度和工程造價等因素，因此，試驗的網格結構采用相對密度略大于水的改性PVC材料通過3D打印機打印而成，當厚度為3 mm時結構的強度能符合沖刷要求。

網孔尺寸的大小由泥沙粒徑和級配決定，不隨幾何比尺的變化而改變。關于網孔尺寸的選擇，在試驗前初步假設其取值范圍為3d95～30d95，因此文中共進行了5種不同網孔尺寸的中性網格防沖促淤試驗，網孔邊長分別為3 mm、5 mm、7 mm、9 mm、11 mm，定義無量綱物理量孔徑比S為網孔邊長與泥沙粒徑d95的比值。

來流的流速測量使用超聲多普勒速度分析剖面儀(UDV)，沖刷深度的測量使用激光位移傳感器進行實時記錄。

2.2 水槽試驗步驟

試驗步驟如下：

1)整平沙床后，將透明圓樁埋置在水槽正中央，用激光位移傳感器測量此時的床面高程，測點布置如圖9所示，共40個測點。然后向水槽內蓄水至水深達到20 cm，之后打開變頻器，由小到大緩慢調整流速，觀察泥沙起動情況，當泥沙全面起動時，固定變頻器數值，此時用UDV測量來流流速，數值為0.38 m/s，可以進渾水沖刷試驗。

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2)在流速0.38 m/s的條件下，進行9 h沖刷試驗，沖刷坑形態(tài)基本達到穩(wěn)定，結束后放干水槽，在圖9所示的固定測點用激光位移傳感器測量沖刷坑深度。

圖9 測點布置

3)將中性網格覆蓋在沖刷坑上，用不銹鋼彎釘固定，如圖10所示。向水槽內緩慢蓄水至水深達20 cm，打開已固定頻率的變頻器，進行9 h的促淤試驗，試驗結束后放干水槽，按同樣的方法測量沖刷坑深度。

圖10 水槽中網格覆蓋

4)取出中性網格，整平沙床后，測量此時的床面高程，然后將中性網格覆蓋在圓樁周圍的平整床面上，向水槽內蓄水，保持相同的水流條件，進行9 h的防護試驗，試驗結束后測量沖刷坑深度。

5)按上述步驟進行5個不同網孔大小的中性網格防沖促淤試驗，試驗工況見表2。根據試驗步驟進行中性網格對圓樁局部沖刷的防護和促淤試驗，記錄每組工況中圓樁局部沖刷坑的形態(tài)變化和沖刷深度數值。

表2 試驗工況

2.3 試驗結果及分析

2.3.1 中性網格的防沖促淤效果

利用微型攝像頭進行觀測記錄，得到無防護沖刷、網格防護沖刷(沖刷前鋪設網格)以及網格促淤(已出現沖刷坑)3種情況下，圓樁正前方床面高度隨時間的變化，如圖11所示。結果表明，經過長達9 h的沖刷后，各工況下圓柱周圍均發(fā)展出穩(wěn)定的局部沖刷坑。無防護沖刷情況下，圓柱周圍出現明顯沖坑，且在前90 min沖坑發(fā)展迅速，之后樁前沖刷深度隨沖刷時間的增加而出現波動現象，但基本穩(wěn)定在60 mm；在網格防護情況下，前40 min樁前沖刷深度迅速增加到24 mm，之后沖刷深度的波動與無防護沖刷工況相似；將網格覆蓋在沖刷坑表面后，隨著沖刷時間的增加網格下方淤積的泥沙逐漸增多，沖刷深度逐漸降低，9 h后基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時樁前沖刷坑深度減小到37 mm。

圖11 沖刷/淤積高度發(fā)展過程(S=17.9)

圖12展示了網孔大小為7 mm×7 mm的中性網格的防沖促淤效果?？梢钥闯觯行跃W格防護后，局部沖刷范圍大大減小，沖刷深度顯著降低，且樁前以及樁兩側的網格上方出現較多的淤積泥沙，對于已經形成的沖刷坑，中性網格也有較好的修復效果。

圖12 網格覆蓋后的防沖促淤結果(S=17.9)

2.3.2 網孔大小對防沖促淤效果的影響

理論上講，中性網格的網孔越大，來沙越容易從網孔下落進入沖刷坑，但坑內水流強度也越大，泥沙越易被沖刷。而網孔尺寸太小時，會出現上游來沙不能迅速落入沖刷坑內，促淤效率降低。因此，需要研究網孔大小對防沖促淤效果的影響，篩選出合適的網孔尺寸。

圖13顯示5種不同網孔大小的中性網格覆蓋后圓樁周圍局部沖刷形態(tài)，總體來看，在網格防護下幾乎沒有出現局部沖刷坑，最大沖刷深度及沖刷坑的范圍隨著孔徑減小而逐漸減小。對比分析樁前和樁兩側的沖刷深度可以發(fā)現：在網格的防護作用下，沖刷深度可降低44%(S=28.2)至92%(S=7.7)；S=23.1和S=28.2的網格防護效果相差很小。此外，樁后的防護效果最為顯著，5種網孔尺寸的網格都可以使樁后幾乎不出現局部沖坑，并且網格上方均出現了淤積現象。

圖13 不同孔徑的網格防護下局部沖刷情況

圖14顯示5種不同網孔大小的中性網格對已存在沖刷坑的促淤修復效果，總體來看，5種網孔大小的網格都可以大幅度修復原有沖刷坑，S=7.7 時，樁前沖刷深度可降低73%，樁兩側的沖刷坑深度可降低81%；樁后沖刷坑被泥沙淤滿并出現堆積。

圖14 不同孔徑的網格防護下沖刷坑修復情況

結合數值模擬的結果分析可以發(fā)現，網孔尺寸對防沖促淤效果的影響規(guī)律與對沖刷坑內流速的影響規(guī)律一致：沖刷坑內最大流速值和沖刷坑深度均隨著孔徑比的減小而減小。此外，S=7.7的網格對局部沖刷的防護和修復效果最好，但是樁前的床面出現了明顯的隆起，這是由于網孔尺寸偏小，導致落淤的泥沙較多，部分泥沙沒有落入沖刷坑內而是淤積在樁前的網格結構上方。

綜上所述，中性網格具有較明顯的防沖促淤作用，但S不同時防沖促淤效果差別較大，在文中試驗的水沙條件下，初步建議S小于8。

3 討 論

中性網格結構可以弱化沖刷坑內水流強度，降低水流的挾沙能力，大大減輕圓樁周圍的局部沖刷程度。但值得注意的是，其網孔大小十分重要，最佳網孔尺寸可能會隨泥沙和流速等條件而變化，文中研究提出的最佳孔徑比適用于無黏性細砂的沖刷條件。之后還需開展深入試驗，擴大網孔比的試驗范圍，并擴大泥沙參數、來流流速、水深等試驗范圍。由于無黏性泥沙和黏性泥沙對樁墩沖刷的響應規(guī)律不同，一方面黏性泥沙一旦被起動或起揚，泥沙顆粒就不容易停止運動，因此，黏性泥沙的運動往往是推移和懸移兩種形式并存[19]；另一方面，中性網格受紊流及樁墩作用而可能發(fā)生微幅振動，對其接觸的黏性泥沙可誘發(fā)流化[20]，此時的防護效果也許不同。

4 結 語

采用數值模擬方法分析了清水沖刷下中性網格覆蓋前后沖刷坑內的水動力變化，以及網孔尺寸對沖刷坑內流速的影響，揭示了中性網格的防沖促淤機理。在此基礎上開展水槽試驗，研究了不同網孔尺寸中性網格的防沖促淤效果，得出以下結論：

1)中性網格結構防護下，樁前來流幾乎不受影響，但沖刷坑內水動力被弱化，具體表現為流速明顯減小，原有下潛水流、馬蹄形漩渦和尾渦的結構被破壞，沖刷坑內原本強烈的渦系結構均變成了較完整的回流，大大減弱了對樁周圍泥沙沖刷的水動力。

2)中性網格結構的覆蓋可以有效抑制水下樁墩附近的局部沖刷，使局部沖刷坑的范圍顯著縮小，沖刷坑深度也明顯降低；對于已經存在的局部沖刷坑，中性網格的覆蓋作用會促進泥沙落淤，較大程度地淤滿原有沖刷坑。

3)孔徑比對沖刷坑內的水動力弱化和防沖促淤效果有較大影響且影響規(guī)律相似。隨著孔徑比的減小，沖刷坑內的流速極值逐漸減小，中性網格對圓樁局部沖刷的防護及修復效果越好。在文中水槽試驗范圍下，當孔徑比S=7.7時，在沖刷坑形成前鋪設中性網格可同比削減沖刷深度92%，平衡沖刷坑形成后再鋪設中性網格最大沖刷深度可同比削減73%。當試驗泥沙為細砂時，初步建議S小于8。