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硕士学位论文桩柱基础扰流环冲刷防护实验研究Scour Protection around the Pile with Controlling Ring作者姓名：学科、专业：学 号：指导教师：完成日期：丈it理工人学Dalian University of TechnologyY2415543大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外,本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意.若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。_大连理工大学硕士学位论文摘 要桩柱是港口工程和海洋工程中常见的构件，广泛用于高桩码头、海洋平台结构等建 筑结构，桩柱基础在海流作用下基础周围局部流场发生了改变，桩柱底床产生局部冲刷，基础的冲刷减小了桩柱的入土深度，降低了桩柱的承载力，影响r结构的稳定性，危害 极大，工程中必须正视这个问题并采取相应的防护措施。由于传统冲刷防护措施的局限性，近年来出现了若干新型防冲刷措施，通过改变引 起局部冲刷的流场因素，来减弱或抑制局部冲刷。马蹄涡是引起桩柱基础局部冲刷重要 的流场因素，研究马蹄涡及削弱它的方法具有重要工程意义。本文结合目前出现的通过 改变引起桩柱局部冲刷流场的方法来抑制桩柱基础的局部冲刷，提出利用扰流环吸引、捕捉马蹄涡，削弱马蹄涡引起的流场扰动来防护局部冲刷。实验分短历时冲刷初始阶段 和长历时达到平衡冲刷两部分进行，以水流流速、扰流环截面形状、扰流环安放在桩柱 底部距离沙面的位置作为主要研究参数：在冲刷平衡状态条件下重点研究了冲刷初始阶 段条件下实验效果较好的扰流环参数的冲刷防护效果。实验结果给出了各工况的冲刷坑形态、最大深度及冲深监测点冲深历时曲线，分析 了扰流环在不同截面形状、不同安装位置、不同冲刷时间、不同流速下的防护效果。实 测数据的结果表明：在均匀来流作用下，扰流环能不同程度地抑制马蹄涡，减小立柱基 础的局部冲刷，效果最佳时泥沙冲刷量能减小40%以上。这种新的冲刷防护措施结构简 单、易于安装、能适应各个方向来流，为桩柱基础的局部冲刷防护提供有用的参考依据。关键词：桩柱基础；局部冲刷；马蹄涡；扰流环；冲刷防护桩柱基础扰流环冲刷防护实验研究Scour Protection around the Pile with Controlling RingAbstractPier which is widely used in the structure such as high-pile wharf and offshore platforms is a common structure in harbor engineering and ocean engineering.When a pier stands in the flow,the presence of it will change the flow field around it.The changes will break the original balance state of the sediment,leading to local scour.The local scour around the pile foundation will influence the bearing capacity and stability of the structure with an decrease in the embedded depth.The local scour does great harm to the structure and should be take into consideration in engineering.Due to the limitation of the traditional protective measures for local scour,in recent years several new protective measures have been proposed through changing the flow field factors which cause local scour.Horseshoe vortex plays an important role in the problem of local scour around the foundation of a pier.Studying methods that weaken the horseshoe vortex has important engineering significance.Based on the current scour protection methods,a new method is presented that a controlling ring is attached to the lower part of a pier to weaken the horseshoe vortex so thus to reduce the local scour around the pier in this paper.The controlling ring weaken the horseshoe vortex by changing the flow situation of the pier foundation.The flow changed when the protruding horseshoe vortices wrap around the controlling ring.The effects of the ring are investigated through laboratory experiments.The experiments include two parts:under the initial stage of the scour and under the local scour equilibrium stage.Uniform flow is used in experiments and the rings vertical positions are varied to adjust its distance from the sea bed.The main variable parameters are current velocity,the cross-section shape of the control ring,the location that a ring is attached to the lower part of the pier.The parameters under the local scour equilibrium stage that shows better results at the initial stage is focused research.The experimental data,shape of the local scour hole,scour limit depth and the scour depth-time curve at different observation point,are monitored.Finally,this paper presents an analysis under different conditions which is compared based on the analysis of measured data and corresponding charts.The experimental data shows that the controlling ring can weaken the horseshoe vortex,and reduce the seabed material removal up to 40%or more.This scour protection measure is simple and easily installed,and is adaptable to uncertain flows direction.This can provide useful reference basis for scour protection around pier.-II-大连理工大学硕士学位论文Key Words：countermeasurePiers foundation;Local scour;horseshoe vortex;controlling ring;scour桩柱基础扰流环冲刷防护实验研究目 录摘 要.1Abstract.II1绪论.11.1 选题意义及研究问题描述.11.2 国内外研究综述.41.3 本文研究内容.162模型实验研究介绍.192.1 实验设备.192.1.1 实验水槽及造流系统.192.1.2 采集系统.192.2 实验研究方法.212.2.1 实验相似准则.212.2.2 实验相关参数.222.2.3 实验方案与组次.2423实验模型布置与实验步骤.263短历时实验研究.313.1 大圆柱模型.323.1.1 圆环实验组次.323.1.2 扁环实验组次.353.2 小圆柱模型.373.2.1 圆环实验组次.373.2.2 扁环实验组次.394长历时实验研究.434.1 圆柱模型.434.1.1 圆扁环.434.1.2 方扁环.464.2 方柱模型.534.2.1 沿来流正向.554.2.2 沿来流斜向.585无量纲分析比较.62-IV-大连理工大学硕士学位论文5.1 短历时实验与长历时实验比较.625.2 长历时圆柱与方柱结果比较.625.3 不同扰流环效果及其位置影响分析.636结论与展望.646.1 结论.646.2 展望.64参考文献.66攻读硕士学位期间发表学术论文情况.69致 谢.70大连理工大学学位论文版权使用授权书.71-V-大连理工大学硕士学位论文1绪论1.1 选题意义及研究问题描述桩柱是港口工程和海洋工程中常见的构件，广泛用于高桩码头、海洋平台、海上风 机基础等建筑结构。当采用桩基础的海洋工程建筑物建造在可冲刷海床上后，桩柱的存 在将改变其基础附近的水流的流动情况，这种流动情况的改变将会使桩柱周围的泥沙打 破原来的平衡状态，泥沙输运增强，在基础周围的海床面上产生局部冲刷，形成直径为 数倍桩径的倒圆锥形冲坑。Whitehouse和Harris等(2011)川对欧洲海上风电场实测的局 部冲刷数据表明，大直径单桩基础周围的冲坑最大深度可达到桩直径的1.38倍。由此估 算，若单桩直径为5米，则冲坑深度可达到7米左右，可见局部冲刷问题极大地威胁了 它的安全工作。事实上基础的局部冲刷减小了桩的入土深度，不但降低了桩基础的承载 能力，还使结构的自振频率发生改变，对建筑物的动力响应特性和稳定性造成极为不利 的影响，而结构的维修及防护的费用也是非常高。因此，如何应对桩柱基础局部冲刷及 其产生的不利影响，是港口工程和海洋工程中必须解决的问题，具有重大意义。常见的桩柱从截面形状上分有圆柱、椭圆形柱、正方形柱等，下面以直立圆柱为例 对桩柱周围的局部冲刷问题进行描述。水流作用下直立圆柱周围的局部流场比较复杂，如图1所示，圆柱周围的水流结构三个最显著特点结构为桩基础迎流面产生下降流、基础周围形成马蹄涡、桩后形成尾涡等复杂的流场形态网网。下降流在桩基础迎流面 底床上产生淘刷作用，马蹄涡和绕桩柱的高速水流在桩两侧形成冲刷区，马蹄涡还把冲 刷起来的泥沙颗粒向远离桩的方向搬运，尾涡在桩后形成的低压把床面附近的泥沙吸离 底床移向下游，这些复杂的流场形态是形成局部冲刷的主因。归根结底，直立桩立 于流场之中，改变了桩基础附近的水流结构，是产生局部冲刷的基本条件。泥沙平衡的 破坏是这样引起的，原本泥沙处于静平衡不发生运动，由于桩柱的存在，水流的改变，会使泥沙发生移动；而对原木泥沙处于动平衡的情况，原来的平衡被破坏，泥沙的运动 进一步加强。泥沙原本平衡的破坏，导致冲刷或者淤积，在桩柱周围出现冲刷坑，远离 桩柱的地方，泥沙的运动受桩柱结构物的影响逐渐减弱而变小，慢慢淤积下来，这样在 桩柱基础周围就形成了局部冲刷地形。清水冲刷和动床冲刷是局部冲刷的二种情形。清水冲刷是冲刷坑内的泥沙受冲刷损 失后没有来自上游的泥沙补偿，原因是桩柱上游的来流速度不足以使上游床面上的泥沙 起动，而在桩柱基础附近由于桩柱的存在形成的局部水流的变化加强了泥沙的运动，形 成了冲刷坑。在清水冲刷中，当坑内水流无法将泥沙冲走时，冲刷坑的形态不再改变，1-桩柱基础扰流环冲刷防护实验研究达到一个静平衡状态，清水冲刷在冲刷发展的初始阶段冲刷坑深度随时间显著增大，最 后增长逐渐变缓直至基本不再变化达到一个最大冲刷深度，也就是达到冲刷平衡的深 度，其深度随时间的历时变化曲线如图1-2曲线a所示。区别于清水冲刷这种情况，不 但桩柱附近有冲刷坑出现，冲刷坑内发生泥沙运动受到冲刷损失，而且在水流未受到桩 柱影响的来流上游广大床面上也有泥沙运动，从上游输运来的泥沙不断补充冲刷坑内同 时冲刷坑内泥沙也在不断输运出去，这种情况叫动床冲刷。这是因为上游的来流速度较 高，使上游床面上的泥沙起动并向下游运动；柱附近冲刷坑内和远处水流未受到圆柱影 响的沙床上都有泥沙输运。对动床冲刷来说，由于泥沙推移的整体性，所以上游会不断 有新的泥沙补充进冲刷坑，当坑内的泥沙量输出输入量相同时，会达到一个动平衡状态。一般在为动床冲刷情况时的水流流速较大，桩柱基础附近及水流未受到桩柱基础影响的 广大床面上，冲刷坑深度随时间急速增大，最后坑深达到动平衡，冲刷坑深度随时间在 一定值附近上下摆动，如图1-2曲线b所示，这是因为桩柱基础附近上游输沙输运的普 遍存在，形成沙波，沙波的不断推进，导致桩柱基础周围冲坑不断受到影响，进而冲刷 坑深度随之围绕着平衡深度定值上下波动。不论是清水冲刷的平衡状态还是动床冲刷的 平衡状态，当冲淤达到最终平衡状态时，即由坑内损失的泥沙量与从坑外补充进的坑内 的泥沙量相等，冲刷坑深度基本不再变化，称为最大平衡冲刷深度。由于桩柱基础的局 部冲刷减小了桩柱的入土深度，降低了桩的承载力，影响了结构的稳定性，危害极大，因而是减小冲刷坑的深度是局部冲刷防护的关键问题。-2-大连理工大学硕士学位论文图1.2冲刷深度随时间的变化Fig.1.2 Scour depth-time curves桩柱基础的局部冲刷深度的影响因素众多，从物理条件因素来看网叫影响水流作 用下圆柱基础局部冲刷坑平衡深度的主要因素有：（1）柱体的直径：柱体的直径一般与最大冲刷深度近似成正比；（2）泥沙粒径：泥沙粒径增大时，床面泥沙冲刷起动速度增大，冲刷变困难，要 达到的一定的冲刷深度的流速也必须增大；（3）泥沙的粘性：泥沙粘性大，冲刷较困难；4）水深：一般情况下，水深在一定范围内时，水越深冲刷坑深度越大；（5）底床形态；沙波使冲刷深度有半沙波高的波动现象。各国发表桥墩局部冲刷的最大深度估算公式有很多，近期的公式有西安公路交通大 学周玉利通过回归方法得到的：hb=0.304K129即5 3o-0.13p0.6 1（）式中：须表示局部冲刷坑深度的计算值，单位取m,取一般冲刷后床面算；Kg为 系数，由桥墩形状决定；A为行近水流的深度（m）,取一般冲刷后水深；8为桥墩的计算 宽度（m）；。为底床泥沙平均粒径（m）；P为行近水流的流速（m/s）,取一般冲刷后墩前流 速。从引起桩柱基础局部冲刷的流场因素来看，主要是桩基础迎流面产生下降流、基础 周围形成马蹄涡、桩后形成尾涡等复杂的流场形态。桩柱基础扰流环冲刷防护实验研究基于对桩柱局部冲刷机理、冲深影响因素的研究，出现了许多局部冲刷防护的措施，下面对国内外的研究进行综述。1.2 国内外研究综述目前防局部冲刷的方法主要分两类：一、提高基础周围地基材料的抗冲刷能力，主 要措施是在可能的冲刷范围内铺设块石防护层或柔性材料防护层；二、在基础周围布设 有一定形状的挡水结构，扰乱水流并消耗部分水流的能量，从而减少水流对基础周围海 床的冲刷。第一类方法的典型措施是铺设块石防护层，如图1.3所示在块石层下需先铺设 倒滤层防止块石沉入软基中，但在深水条件下倒滤层和块石层很难精确定位铺设，铺设 块石防护方法的施工工作量较大，使用过程中的维护费用高，整体性较差，特别是当床 面有较大冲刷形态出现时，块石会被埋置到冲刷坑范围内，导致抛石层彻底失去防护作 用。抛石防护耗费石料量极大，非常不经济实用，当施工现场附近缺少足够多的石料供 应时这点缺陷尤为明显。Wonnan(1989)阿通过现场检测表明，块石防护层经常失效。Nielsen和Liu等(2012)1网的实验也表明，倒滤层需要一定的厚度才能阻止块石层的沉降 失效。Tang和Ding等(2009)在圆柱周围的5倍柱径范围内的底床上，安放边长为 0.240.85倍圆柱直径的空心四面体框架，通过实验表明可使最大冲深减少50%。Tang 和Ding等(2009)的方法本质上与块石防护层的原理类似，如图1.4,工作原理是利用 框架群间接提高基床的抗冲刷能力，当水流经过四面体框架时框架增加了涡流，消耗了 一部分能量，水流速度量级、湍流强度、旋涡能量都得到削弱，积物在结构里沉积，保 护了床面。起到消能减冲作用减小桥墩周围水流的紊动强度，从而使泥沙落淤，提高了 基础周围地基材料的抗冲刷能力。空心四面体框架架群能耗散水流的能量、降低其附近 的水流流速，起到减速防冲和促淤的效果。李最森、唐洪武等(2011)I1习研究表明，相 同条件下框架群的防护效果除受墩前行近流速、墩前水深影响外，还和框架群的整体布 设密度密切相关。此法对墩柱冲刷防护效果良好，不受来流角度和沉积物移动的影响，适应性强，但是在实际应用时也面临沉降失效的问题，施工也比较繁琐。类似原理的还 有混凝土锐链排、四脚混凝土块等方法，Fothorby等(1993)口可用混凝土模袋、混凝土 连锁排对桥墩局部冲刷进行防护，基本原理与块石很类似，他们的研究发现此法具有很 多优点比如施工速度快、可以水下作业、整体性强、强度高、浇筑柔性大、造价不高、冲刷防护性能好等，主要是由于混凝土模袋起到软性模板作用，混凝土通过压力吹填至 密实成型。但是，该方法施工工艺较复杂，对水下施工条件要求高，比如当水下地形陡-4-大连理工大学硕士学位论文峭时无法精确定位铺设防护效果不好，当水深较大、水流较急时，水下施工难度很大，这种情况下即使勉强施工成功，施工后铺设的连锁排由于适应底床变形的能力较差，造 成防护连锁排底部边缘处易受二次局部冲刷，危害巨大。混凝土较链排应用于墩柱防护，具有整体性能好、能机械化施工、容易取材、生产工厂化、易控制质量等优点，但造价 较高，容易抛锚破坏。Bertoldi(1993)皿对四脚混凝土块进行了桥墩局部冲刷防护的 可行性研究。基本原理与块石很类似，研究结果发现，桥墩本身所特有的勾连性使得与 抛石石块尺寸和质量相当的四脚混凝土块的稳定性更好，防护效果更佳。但是，用四脚 混凝土块的造价非常高，比抛石防护要高得多，而且也面临块石防护的一些局限性，比 如深水条件下的施工难度较大，定位困难，四脚混凝土块需要精确地布置于墩柱周围才 有防护效果。一/_ _yy水流方向 桥墩抛石层图1.3抛石防护Fig.1.3 Riprap protection图1.4空心四面体框架防护布设侧面图(a)及实物图(b)Fig.1.4 Side view of tetrahedral frames protection and the physical map-5-桩柱基础扰流环冲刷防护实验研究由于第一类方法大多数都花费非常昂贵I间，出现了第二类方法，利用挡水结构消耗 部分水流的能量，挡水结构的形式多种多样。Odgaard和Wang(199D在桥墩上游的水 底安装导流板(如图1.5所示)，改变基础周围的流速和床面剪切应力分布，可使最大 冲深减30%-50%。Haque和Rahman等(2007)网运用墩前排桩防护，在桥墩上游打设 一组矮桩阻挡水流，如图1.6,可使桥墩处最大冲深减少50%。墩前排桩防护方法其实 就是献祭桩群防护。献祭桩群防护在桥墩上游按一定规则布设，这样使得桥墩处于献祭 桩群的尾流区域，改变了桥墩基础周围的流速和床面剪切应力分布，献祭排桩本身就会 受到水流的冲刷，偏离了墩前的高速水流方向，使得桥墩所处尾流区域水流速度降低，有效减小了桥墩基础周围旋涡体系的紊动强度，进而有效地遏制了桥墩基础周围的局部 冲刷。一般情况下实际应用比较困难，因为不仅排桩群中桩的数量、桩相对于桥墩的尺 寸、桩伸出水面的高度、桩群的布设形势以及桩群与桥墩的相对位置会影响排桩防护效 果，而且流速稍微改变方向桩群的作用就会减小甚至消失。Melville等田试验研究了最 佳布设形式的排桩的防护，结果也表明随着桩的数量的增加，桩群的布设范围就越大，进而桩群的尾流区域也就越大，从而防护能力得到相应提高，最佳效果时排桩防护能减 小50%左右的冲刷深度。在清水冲刷条件下墩前排桩防护方法的防护效果很好。也建议 在一般防护工程设计过程中，不要采用墩前排桩这种防护形式，他的研究也发现在动床 冲刷条件下，特定的床面形态如沙纹、沙丘等的传播会直接影响排桩的防护效果，而且 排桩对水流方向变化适应能力极差，而桥墩前水流的流向经常因为底床等因素的影响而 改变，此时前排桩防护方法效果急剧减小甚至失效。6大连理工大学硕士学位论文图1.5圆柱上游安放导流板的防冲刷方法（Taferojnoruz和Gaudio等囚），2010）Fig.1.5 submerged vanes protection剖面图图1.6墩前排桩防护（房世龙等）Fig.1.6 sacrificial piles protectionWang和Cheng等(2011)因)针对桥墩的局部冲刷防护问题，提出把旧轮胎套在桥墩 上游的多根桩上，形成多空隙塔柱形式的挡水结构，如图1.7。塔柱的直径、厚度、高 度、与桥墩之间的距离都是需要考虑的重要参数。原理是环形塔柱的孔穴提供了水流向 下的能量的耗散空间，有效的减小了影响下游桥墩的水流的能量，环形塔柱的几何形状 桩柱基础扰流环冲刷防护实验研究引起的摩擦力降低了水流的动能，降低了冲刷深度。通过模型实验证明，这种方法可使 桥墩处最大冲深减少65%。这种方法适应性不强，水流流向稍微改变，效率就会明显降 低，而且参数组合比较复杂。(b)塔柱防护示意图图1.7多空隙塔柱式防护Fig.1.7 ring columns as pier scour countermeasures.(a)schematic diagram of different diameter of ring columns;(b)the configuration of ring columns and bridge pier.(Wang 和 Cheng 等人，201】)上述几种方法虽然有明显的减弱冲刷的效果，但要在桥墩上游额外打桩或建造其他 设施，施工成本高，占用空间大，而且只能防护特定方向的来流引起的冲刷。除了上述 两类方法外，还有第三类方法，就是有针对性地消除产生局部冲刷的流场形态，以达到-8-大连理工大学硕士学位论文抑制或减弱局部冲刷的效果。如前面图1.1所示，在波浪和海流作用下，桩基础迎流面 产生下降流、基础周围形成马蹄涡、桩后形成尾涡等复杂的流场形态，这些复杂的流场 形态是形成局部冲刷的主因。第三类方法即通过设法消除下降流、马蹄涡、尾涡三个引 起冲刷的流场因素，来防止局部冲刷。从广义上来说，第三类方法与第二类方法一样，都是通过改变流场来防止局部冲刷，但显然第三类方法针对对象更具体、原理更清晰、效果更好，因此可作为单独的一类方法。Ettema(1980)t2415 Heidarpour 和 Afzalimehr 等(2010)，Zarrati 和 Chamani 等(2010)即，Alireza等(2010)同用附加挡圈(如图1.8所示)防止墩柱迎流面的下降水 流的淘刷作用，在清水冲刷条件下可以显著减少冲坑深度。护圈安装在海床面以下时效 果较好，但这也无疑增加了施工难度，使之只能在墩柱的建造阶段进行安装。在较强的 动床冲刷条件下，底床面形成大的沙波形态，当沙波的波谷经过墩柱时，使位于护圈以 下的桩基础暴露在水流中，这时挡圈就失去了防护作用。另外研究表明，护圈相对于墩 柱的安置位置、护圈的尺寸大小以及使用何种形式的护圈都是影响护圈防护效果的关键 因素，这无疑也增加了运用的不方便性。Chiew(1984严7】采用在墩柱基础周围加设矮沉 箱的方法来防止冲刷，实验发现在沙波经过时，沉箱本身会产生更严重的冲刷，从而使 这种方法效果大打折扣。Singh(2001)28)指出采取附加挡圈方法可以阻挡和消杀下降水 流，减小马蹄形旋涡强度，实验结果显示挡圈半径是柱径的2倍时，与没有防护的桥墩 相比能减少68%的冲刷。DargahiB)研究认为，当护圈埋置于海床面以下距离为水深0.015 倍位置时，护圈的防护效果最好，冲刷坑深度和泥沙冲刷量的减小最为明显，此时的冲 刷深度与无任何防护时的冲刷深度相比能够减小50%0%。成兰艳等(2012)刈提出 环翼式挡板局部冲刷防护，试验结果表明防护效果明显，最佳时最大冲刷坑深度能减小 57%,同样也面临流向角度问题。总结挡圈防护的研究成果发现，挡圈防护方法在特定 条件下对床面冲刷的防护作用很明显，比如清水冲刷条件下防护效果显著，动床冲刷条 件下，由于底床形态的出现和床面高程最终降低护圈的防护效果，甚至导致护圈失效。而且最致命的是都不能适应来流方向的改变。-9-桩柱基础扰流环冲刷防护实验研究图1.8圆柱附加挡圈的防冲刷方法(Masjedi和Bejestan等叫2010b)Fig.1.8 Collars attached to circular pierChiew(1992)因1提出在墩柱上开缝的方法，如图1.9,使得墩柱迎流面的部分水流经 开缝流过，减弱了沿墩柱表面的下降水流，从而减小水流对底床面的冲刷。桩柱基础前 迎流面产生的下降流、基础周围形成马蹄涡、桩后形成尾涡等态的共同作用冲刷了桥墩 周围床面，造成泥沙的损失，桥墩墩体开缝能够削弱下降水流的强度并能改变水流状态 抑制马蹄形旋涡的形成和发展壮大，是桥墩局部冲刷防护理想方法之一。根据在桥墩的 不同位置开缝，防护效果有所不同，Chiew(1992)指出开缝的宽度、长度和位置是重要 的参数，当开缝宽度为墩柱直径的1/4时，在清水冲刷时可使平衡冲坑深度减少20%,若把缝宽加大到为墩柱直径的1/2,则冲坑深度可减少30%常见的有墩柱床面附近开 缝和墩柱水面附近开缝，如图1.5,然而在墩柱的主体结构上开缝，必然会影响结构的 强度和承载能力，也使结构的形状变复杂，对施工不利。Kumar等网的研究成果认为，桥墩墩体所开缝与水流方向的夹角达到45。时,墩周冲刷坑深度达到无任何防护措施时 的最大冲刷坑深度，开缝防护的作用完全消失。在实际运用开缝防护过程中，除了桥墩 前水流方向的改变使得开缝并不能削弱桥墩基础周围的水流强度造成开缝防护作用的 失败外，漂浮物或冰排等可能堵塞桥墩墩体上的所开得缝，导致开的缝部分甚至全部失 效，进而降低其防护的效果。大连理工大学硕士学位论文Fig.1.9(a)pier with slot near sediment bed;(b)pier with slot near water surfaceDey和Sumer等(2006)四】研究了在波浪和流作用下，利用隔流板和在立柱上螺旋 形扰流条(如图1.10所示)的方法防局部冲刷的效果；隔流板是平行于来流方向、在圆 柱轴线所在的垂直面内向上下游延伸的平板；在6 KC100的波浪条件下，尾涡是引起 冲刷的主要原因，隔流板可抑制尾涡的形成和脱落，使最大冲深减少约60%,而螺旋形 扰流条可使最大冲深减少约50%：在恒定流条件下，沿柱面的下降水流和马蹄涡是冲刷 的主要原因，螺旋形扰流条可减弱下降水流和马蹄涡，可使最大冲深减少约46%,而此-11-桩柱基础扰流环冲刷防护实验研究时隔流板的效果不明显。隔流板必须与来流平行，若来流方向与隔流板夹角较大，则在 板边缘产生的涡反而会产生更严重的局部冲刷：螺旋形扰流条除了给墩柱的制作施工带 来难度外，也增大了桩的阻水效果，使作用在墩柱上的水动力大大增加。Single threaded pile Double threaded pile Triple threaded pile图1.10圆柱附加螺旋形扰流条的防冲刷方法（Dey和Sumer等人，2006）Fig.1.10 Threaded pile protection综上所述，传统的块石防护防冲刷方法，随着块石在波、流作用下的移动和沉降，其防护效果逐渐减弱，且需要覆盖的面积大、成本高。而在桩基础上游设置各种挡水结 构的方法除了成木高、深水区施工困难等缺点，还只能防护特定方向的水流引起的冲刷.利用附加挡圈、桩体开缝、附加螺旋形扰流条等方法都是设法消除引起局部冲刷的流场 因素来防止冲刷，取得了一定效果，但都有各自的缺陷，如改变了承载结构形式、适用 条件有限、安装施工困难、增大了结构上的水动力荷载等。近年来新型防冲刷措施，通过改变引起局部冲刷的流场因素，来减弱或抑制局部冲 刷得到了许多关注研究，旨在提出用于桩基础的新型低成本、高效的局部冲刷防护措施。Richardson E.V.and Davis S.R.（2001）6）,指出桩柱局部冲刷的主要因素基础周围 的马蹄涡和尾涡引起，如图1.1和1.11。R.L.Simpson等（2001）河研究发现当边界层 流过障碍物体时，就会形成绕着障碍物旋转的马蹄涡。这种漩涡是不稳定的，会导致水 流的高湍流强度，水面压力的迅速增大，障碍物附近的传输比增强。这种情况发生在桩 柱周围会直接导致泥沙随着时间被冲刷。从流体动力学角度，形成大规模马蹄形旋涡的 本质包括：（1）上游旋涡的流入；（2）有限范围的停滞区域：（3）涡丝的纵向延伸；-12-大连理工大学硕士学位论文(4)通过粘度的涡的融合。障碍物创造了停滞区域，涡线沿着障碍物旋转，漩涡通过 涡丝的纵向延伸得到增强，在障碍物前积累旋转，融合成大规模的马蹄涡，这种现象发 生在许多实际工程中，如船舶中的船体与舱龙骨等附体相连接、飞机的机体与机翼相连 接、高层建筑物、河/海流中的桥墩以及透平机械的桨叶等(R.L.Simpson)(2001),显然，这种融合形成的马蹄涡是上游流入在障碍物前停滞区域内形成的。一般要经过形 成、增长，达到平衡和破坏过程，在这样高强度紊动过程中，伴随着水流的高湍流强度，水面压力的迅速增大，障碍物附近的传输比增强，产生的绕着物体旋转的马蹄涡，此马 蹄涡不稳定，摆动会产生强的湍流，产生一强的负压力梯度，破坏尾部流场的均匀性，增加附近的流体振荡。(RLSimpson)(2001)研究了如何控制这种马蹄涡的形成和壮 大，他的结论很明显指出不可能消除各个角度来流引起的涡分离。Fig.1.11 Streamlined body(wingXSimpson,2001).为了解决这个问题，美国佛罗里达大西洋大学的SuTsungYhowJ利用氢气泡可视 化技术在水槽中进行了实验研究，希望由此出发找到控制马蹄涡的一个简便方法。他在 实验布置示意图如1.11,并在水槽中安装了压力测量仪器，实时观察了随时间变化的挡 板前马蹄涡流动的形成、发展和变化过程，这个实验展示了定常流状态下的障碍物前马 蹄涡的形成、增长，达到平衡和破坏过程，如图1.12.实验中发现在障碍物前方放置小 的控制条，比如翼型状控制条，引起初始状态的马蹄涡绕着控制条旋转，如图1.14。马 蹄涡绕着控制条旋转控制了马蹄涡的振荡，使马蹄涡紧附着控制条，改善了挡板前的流 动，整个流场的流线走向明显改善，控制条削弱了马蹄涡的扰动，降低了涡流强度和不 稳定性，使得流动变得稳定。实验中实测结果显示水面表层的压力波动减小，如图1.15。-13-桩柱基础扰流环冲刷防护实验研究图1.13挡板前马蹄涡的发展、平衡Fig.1.13 growths equilibrium14-大连理工大学硕士学位论文图L14马蹄涡的抓捕Fig.1.14 vortex fusion-With Control-Without Control(身)EfuoBdsS舌 d9876543201 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 OSFrequency(Hz)图L15Fig.1.15 Control significantly alters power spectrum of the pressure这种抓捕方法对各个方向来流都有效果，而且简单实用，对局部冲刷防护应用有着 重要意义区本文基于这种控制技术设计实验研究桩柱基础的冲刷防护问题。-15-桩柱基础扰流环冲刷防护实验研究1.3本文研究内容本文在总结国内外研究成果基础上，结合这些成果的思路及实际问题，提出一种新 型的冲刷防护装置，尝试利用扰流环来抑制马蹄涡，达到冲刷防护的目的，实验概念图 如图1.16 o图L16实验构想图Fig.1.16 the laboratory idea本文通过物理模型实验系统地研究马蹄涡驻留环放置桩基础局部冲刷的机理和效 果，在均匀来流作用下做了物理模型实验，对此法有效性进行了初步研究。实验实物图 如图1.17与1.18所示。本文内容如下：第一章这部分阐述了研究工作的意义，提出马蹄涡对桩柱基础的影响，桩柱是港口 工程和海洋工程中常见的构件，具有工程意义和实际价值。回顾了桩柱基础冲刷防护的 相关研究基础，为本次研究工作提供思路。本章着重介绍了削弱马蹄涡的基本原理，以 及依靠削弱马蹄涡来抑制局部冲刷的方法，最后提出实验中采用的扰流环装置方法。第二章物理模型实验介绍。本部分详细叙述模型实验的基本设计与布置，并对实验 研究方法进行说明。第三章短历时实验研究，着重研究几种扰流环的效果。进而在第四-16-大连理工大学硕士学位论文章长历时实验研究相关有效的扰流环组次。第五章进行无量纲分析比较，第六章结论展 望。图1.17圆柱圆环、圆扁环实验图Fig.1.17 The cylinder and the certain rings in the test桩柱基础扰流环冲刷防护实验研究图1.18圆柱及方扁环实验图Fig.1.18 The cylinder and the certain ring-18-大连理工大学硕士学位论文2模型实验研究介绍2.1 实验设备2.1.1 实验水槽及造流系统实验在大连理工大学建设工程学部土木水利学院港口航道与海岸工程实验室的不 规则波流水槽中进行。实验水槽见图2.1,其主要尺寸：长47 m,宽1m,深L3m。图2.1实验水槽Fig.2.1 The water tank这座水槽具有波浪双向流浑水实验水槽及其不规则波造波机控制系统，进出水流采 用清水、浑水两套储水库，加流系统为双向无极变速自循环加流系统。本实验进出水流 使用浑水储水库，采用无极变速可控制循环造流系统。水槽的前端为加流口，尾端为出 流口，采用单向流作用。2.1.2采集系统测量流速采用的是南京水利科学研究院所开发的LGY-H型智能流速仪，实验中按 设计的流速控制每个工况流速，水槽流速的控制是无极变速可控制造流系统，流速取的 是平均流速，实验过程中保证时时监测。冲淤地形用淤厚仪测量，由日本研制，原理是 根据探头发出的超声波反射，所以测量过程中要保证地形被水覆盖，某点的地形冲淤值 是实验开始前该测点的高程读数与测