柔性消能导流桩基冲刷防护装置开发设计研究

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东海大桥桥墩基础冲刷防护方案研究

世界桥梁2019年第47卷第4期（总第200期）17东海大桥桥墩基础冲刷防护方案研究陈述（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉430052）摘要：受长江、钱塘江来水来沙和人类活动的影响，东海大桥所在水域海床发生普遍冲刷，桥墩周围发生较大局部冲刷$为防止海床进一步冲深，保证该桥运营安全，对桥墩基础冲刷防护方案进行研究$根据自然条件和工程特点，主体防护区采用袋装碎石上层压载袋装混凝土干混料的防护方案；采用失效风险方法进行比选，确定周边防护区采用复合材料勾连体的防护方案$以该桥某桥墩为例，依据相关规范和研究成果，提出桥墩基础具体冲刷防护方案，开展先导性物理模型试验，依据试验结果及工程实际对防护方案进行优化$结果表明：铺设3层复合材料勾连体时防护结构整体稳定性更强，防护区内形成淤积，促进了防护体与海床的结合，对主体防护区稳定起到积极作用；优化后的防护方案总体能够满足桥墩基础冲刷防护要求$关键词：东海大桥；桥墩!冲刷；复合材料勾连体；先导性物理模型试验；防护方案中图分类号：U443.2；U442.32文献标志码：A文章编号：1671—7767（2019）04—0017—051引言在需要跨越河流、河口甚至海湾建设桥梁时，桥梁基础受到水流、波浪和潮汐等综合作用，桥墩局部冲刷情况变得非常复杂）12$研究表明，海洋环境中的桥墩局部冲刷机理、冲刷坑形态和冲刷过程与径流作用时有较大区别，最大冲刷深度预测难度较大$韩海骞等3认为径流较潮流条件下的桥墩冲刷深度减少20%〜30%，且最大冲刷深度位置变化较大；Han等4研究表明，最强动力条件一致时，潮汐往复流与径流条件下的最大冲刷深度基本一致，但达到冲刷平衡时间更长；Qi等5发现由波浪引起的向上渗流可能会削弱周围沙土的单位浮力，使砂层更容易受到冲刷$针对跨越河流的桥梁基础冲刷防护，戴荣尧等］6对实测数据和试验资料进行分析，在确定水流底部漩辐影响范围的前提下，建立了局部冲刷防护范围计算公式；蒋焕章7通过试验研究了局部冲刷坑在墩头前缘和两侧的宽度计算，提出了局部冲刷防护范围计算公式$上述成果可作为研究跨海桥梁基础冲刷防护范围的参考$针对桥梁基础局部冲刷防护措施，Chiew等8按防护机理将其分为2类，一类是采用增加周边床面抗冲能力的防护措施进行防护，另一类是减小水流冲刷力的工程措施达到防护目的$Tafarojnoruz 等9研究发现，防护措施不当甚至可能造成负面效果$高正荣等）10*、贾界峰等⑴*及樊俊生通过对苏通大桥防护方案研究，提出拋投袋装沙作预防护和运用下沉护坦原理作为冲刷防护设计理念，以及平面设计分区方法和纵向分层防护结构$近年来，国内外的研究者提出了一些新的空间透水框架防护结构，如房世龙等）13*在对传统防护工程措施进行优缺点比较的基础上，着重对四面体透水框架群防护方法进行了介绍;魏祥等）14*在对国内外岸滩防护工程调研基础上，通过模型试验对勾连体基本结构特性进行系列研究，认为勾连体铺设2层以上时整体勾连效果显著，孔隙率能够达到90%以上$目前，拋石防护因其取材便利、施工简单、造价较低等特点，在跨越河流的桥梁基础局部冲刷防护工程中得到了较广泛的应用，但适用于具备深水、强浪、潮汐、腐蚀等特征的跨海桥梁基础的局部冲刷防护措施则相对少见$本文在对国内外研究成果整理分析的基础上，结合东海大桥工程海域自然条件和防护工程特点，对桥墩基础冲刷防护方案进行研究$2工程概况东海大桥建于2005年，起始于上海浦东新区芦潮港，至浙江省嵊泗县小洋山岛，全长约32.5km，是我国第一座跨海大桥$桥梁下部为高桩承台结构,桩基为PHC管桩和钢管桩$大桥所在海床属于长江口水下三角洲南翼向海延伸部分，地质以粘土质粉砂和粉砂质粘土为主，中值粒径在0.004〜0.018mm之间$根据验潮站和实测资料分析，该收稿日期2018—11—05作者简介:陈述（1983—），男，高级工程师,2004年毕业于武汉大学港口海岸及治河工程专业，获学士学位（E-mail chens@）$18世界桥梁2019,47(4)海域潮汐属非正规浅海半日潮，多年平均潮差约为3m,大潮垂线平均流速可达2m/s,受台风影响最大波高可达7m,平均含沙量约1.0kg/m3$大桥既受潮汐、波浪的影响，同时还受钱塘江和长江径流下泄以及人类活动的影响，海域床面冲刷严重$ 2002年至今，大桥管理单位组织对大桥桥墩的海床进行了9次扫描，经分析,大部分桥梁基础周围出现了明显的冲刷现象，桥墩处普遍冲深在5〜10 m（见图1）$为防止桥墩处海床面冲刷进一步发展而影响到大桥整体结构安全，需尽快实施东海大桥冲刷防护工程$3桥墩基础冲刷防护方案比选桥墩冲刷防护类型种类繁多，根据该工程自然条件和防护要求，结合类似防护工程经验）15*,认为通过铺设护底材料增加桥梁基础周围海床的抗冲能力，同时降低水流流速以减小床沙淘刷的防护思路是合理的$考虑到在冲刷坑抛填时应避免施工过程中对桥梁桩基和牺牲阳极块产生损坏等因素，保证工程实施的安全性和可行性，推荐冲刷坑主体防护区采用袋装碎石上层压载袋装混凝土干混料的防护方案$复合材料勾连体系是一种开放式空间框架结构，由复合材料圆管灌注混凝土而成，耐腐蚀、受力、透水性能好，在群体勾连状态下防护结构整体稳定性强$采用失效风险（Failure Risk,简称FR）方法，对于周边防护区的防护措施，引进复合材料勾连体防护，对周边防护区采用复合材料勾连体与抛石防护进行比较（见表1）$桥墩编号（a）大桥西侧桥墩编号（b）大桥东侧图1东海大桥冲刷现状表1抛石防护和复合材料勾连体防护比较防护类型水毁方式剪切破坏抛石防护卷扬破坏边缘破坏复合材料勾连体整体溃败水毁影响抛石被水流冲走泥沙通过抛石之间的空隙被冲走抛石层边缘失稳防护体被冲散，失去整体勾连性,个体发生位移监测方法抛石位置移动抛石下方存在淘刷空间抛石位置移动勾连体的位置发生移动维护手段扩大抛石范围或者增加抛石厚度优化级配采用土工织布作为滤层在抛石边缘设置护坦增加单个构件自重、优化杆件受力性能或增加单位面积勾连体数量防护工程成功与否主要与防护类型水毁可能性、水毁后的影响（包括生命安全与经济损失）、监测难易及维护成本等有关$防护工程的失效风险主要从防护失效造成的结果、防护失效发生的概率及监测的难度3个方面进行评价$对不同影响因素的敏感性进行赋值，各因素的敏感性按等级分为1〜10,其中防护失效造成的结果按照影响较小、适中、中高和高分为4个风险等级，取值分别为1、4、7和10；防护失效发生的概率按照不可能、可能性小、可能和可能性大分为5个等级，取值分别为2、4、6、8、10；监测难度按照简单、一般、较难和困难分为4个等级，取值分别为1、4、7和10$其值越小则防护工程水毁的风险越小，反之亦然$定义FR为防护工程的失效风险「9*,即：FR$%（X1&2，…，X Q（1）式中，X1&2，…，X”为防护类型的各影响因素$抛石防护相比复合材料勾连体防护可能会带来更高的运营维护成本，且抛石防护的整体性相对较差，工程量相对较大）16*$结合环保方面要求，抛石防护失效造成的结果赋值大于复合材料勾连体防护，分别为7与4；对于失效发生概率，抛石防护与复合材料勾连体防护分别赋值6与4；对于监测难度，抛石防护涉及到底部淘刷泥沙的问题，需要泥沙取样分析,监测难度较大，抛石防护与复合材料勾连东海大桥桥墩基础冲刷防护方案研究陈述19体防护分别赋值为7与4。

一种水下桩基础冲刷防护装置及其施工方法[发明专利]

专利名称：一种水下桩基础冲刷防护装置及其施工方法
专利类型：发明专利
发明人：陈新明,郭小江,陈晓路,刘溟江,姚中原,陈佳志,张宇,闫姝,张波,邱旭,郭雨桐,曾崇济,唐巍
申请号：CN202011467631.6
申请日：20201214
公开号：CN112459131A
公开日：
20210309
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开的一种水下桩基础冲刷防护装置及其施工方法，属于海上风电桩基础冲刷防护工装技术领域。

包括若干阵列排布的沉排组件，相邻沉排组件之间通过柔性索相互连接，铺设在海上风电桩柱周围的海床上；沉排组件包括骨架和沙被，沙被固定在骨架上。

由于沙被下面是由绳索连接而成的成片的骨架，相互之间起到一定的支撑作用，因而整个冲刷防护装置不会因为局部小的冲刷坑的形成而产生大的位移，避免了海床裸露面积扩大，由于海床裸露面积较小，局部冲刷坑在达到较小深度以后即达到稳定状态，面积和深度不再继续扩展，从而从冲刷机理上实现了对桩基础周边海床冲刷的根本扼制。

申请人：华能灌云清洁能源发电有限责任公司,中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司,华能海上风电科学技术研究有限公司,华能国际电力股份有限公司江苏清洁能源分公司
地址：222228 江苏省连云港市灌云县临港产业区管委会办公楼609室
国籍：CN
代理机构：西安通大专利代理有限责任公司
代理人：张海平
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不同冰盖条件下导流体对桥墩局部冲刷防护作用研究

不同冰盖条件下导流体对桥墩局部冲刷防护作用研究
贾小波;牟献友;高鹏程;李扒拴
【期刊名称】《泥沙研究》
【年(卷),期】2024(49)1
【摘要】基于桥墩基础的减冲防护原理,设计了一种稳定性高的防冲装置—导流体。

为探究导流体对桥墩局部冲刷的防冲效果,在不同流速及覆盖条件下,采用不同形状
的导流体进行模型试验。

通过分析冲刷特性、最大冲坑深度、下潜流水力特性、冲坑体积和冲坑面积,选出最优形状和最佳安装位置。

试验结果表明:当导流体底边高
8 cm、安装位置在墩前2d时,防冲效果最好;当流速为0.32 m/s时,安装导流体可
使桥墩最大冲深减小59.3%,冲坑体积减小76.1%,冲坑面积减小79.0%,下潜流流
速及紊动强度明显减小。

通过敏感性分析得出安装距离是影响导流体防冲效果的主要影响因素。

【总页数】9页(P65-72)
【作者】贾小波;牟献友;高鹏程;李扒拴
【作者单位】内蒙古农业大学水利与土木建筑学院;呼和浩特市托克托县乡村振兴
统筹发展中心
【正文语种】中文
【中图分类】TV131.6;U442.3
【相关文献】
1.冰盖条件下桥墩局部冲刷研究进展
2.冰盖下桥墩局部冲刷随时间变化的试验研究
3.冰盖下桥墩局部最大冲刷深度试验研究
4.不同水力条件下圆柱桥墩局部冲刷试验研究
5.钩环式护圈对冰盖下桥墩局部冲刷影响的试验研究
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—80 —石油机械CHINA PETROLEUM MACHINERY2019年第47卷第2期◄海洋石油装备>柔性消能导流桩基冲刷防护装置开发设计研究李森^王天英2(1.中国石油大学（华东） 2.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院）摘要：为保障桩基水工建筑物的安全运行，针对现有桩基防冲刷技术的不足，在深入研究桩周流场分布特点的基础上，运用能量耗散原理，使用柔性材料，研发了一种既可应用于河流，也可应用于近海的柔性消能导流桩基冲刷防护装置。

针对埕岛油田某固定式海洋平台，对未设置防护装置和设置防护装置两种工况的桩腿进行流固耦合数值仿真模拟。

通过对桩腿流速分布、分离点以及流场特征参数等详细的比较研究，验证了所研发柔性消能导流防冲刷装置良好的防护效果。

该装置可用于以桩柱为基础的浅基础固定式平台、海上风机基础和桥墩等多种结构的安全防护，工程应用前景广阔。

关键词：流固耦合；桩腿；冲刷防护；柔性材料；CFD中图分类号：TE951 文献标识码：A DOI: 10. 16082/ki.issn. 1001-4578.2019.02.012 New Scouring Protection Device for Pile Foundation with Flexible MaterialLi Sen1,2 Wang Tianying2(1. China University o f Petroleum (Huadong)；2. Drilling Technology Research Institute, Shengli Petroleum Engineering Co., Ltd., SINOPEC)Abstract: To ensure the safe operation of pile-based hydraulic structures, considering the insufficient anti- scour technology of the existing pile foundation ，based on the in-depth study of the distribution characteristics of the surrounding flow field, the flexible materials are used to develop a new scouring protection device for pile foundation based on energy dissipation principle that can be applied to both rivers and offshore environment. By taking a fixed offshore platform in Chengdao Oilfield as case study, the fluid-solid coupling numerical simulation is carried out on the pile legs with/without protective devices. Comparison on the flow velocity distribution, separation point and flow field characteristic parameters of the pile legs verify the protection effect of the developed flexible energy dissipation diversion anti-scouring device. The device can be used for the safety protection of structures like shallow foundation fixed platform, offshore wind turbine foundation and bridge pier, presenting broad application prospects.Keywords：fluid-solid coupling；pile legs；scouring protection；flexible material；CFD0引言桩基冲刷是桥梁、码头、栈道或固定式平台 (如导管架平台、自升式平台以及海上风电基础）等水工结构物普遍存在的问题[1_3]。

桩基冲刷会产生一系列严重后果[4_7]:①桩基的侧向、轴向性能以及承载能力降低。

②桩体受腐蚀范围加大。

③结构物附属管线易于折断。

④冲刷裸露严重时，可能产生掏空，导致基础滑移甚至失稳。

⑤冲刷严重时，在结构物受力不均或轮船停靠碰撞等作用下，可能导致结构倾斜甚至整体倒塌的严重后果。

因此，为保护水工建筑物的安全，必须对桩基采取冲刷防护与治理措施。

目前，桩基冲刷防治一般采取仿生水草、抛石、混凝土沉排垫、开缝防护、桩前排桩防护和淹*基金项目：“十三五”国家重点研发计划重点专项“临海油气管道和陆上终端设施检验评价与安全保障技术”（2016YFC0802300)。

2019年第47卷第2期李森，等：柔性消能导流桩基冲刷防护装置开发设计研究—81 —没槛防护等方法[8]。

仿生水草效果好，但属于国外专利，价格偏贵。

拋石和混凝土沉排垫只是被动地提髙粧周土体的抗冲能力，不能从冲刷产生的根本原因入手，水流作用大以及作用变化较大时，容易发生移走，施工质量也不容易保证；而且，由于砂石或混凝土块等固态物体比床面的刚度大得多，波流仍然对河（海）床上的泥沙有冲刷，导致床底“二次冲刷”问题的出现。

因此，为了在使用期限内保证冲刷不发展到基础，需要对基础周边很大范围进行处理，费用比较昂贵，而且后期再维护也比较困难。

开缝防护、粧前排粧防护和淹没槛防护受水流流向限制，主要适于河流中粧墩的冲刷防护，在近海环境下防护效果不明显。

为解决目前粧基防冲刷技术的不足，笔者在深入研究粧周流场分布特点的基础上，运用能量耗散原理和能量转换理论，使用柔性材料，研发了一种主动型柔性消能导流防冲刷装置，并利用流固耦合数值仿真模拟验证了所研发柔性防护装置的有效性。

1柔性消能导流桩基冲刷防护装置研发理论依据理论上，经过圆柱形桩柱的流场由下潜水流、马蹄形漩涡和尾涡等水流组成[9]。

粧周流场分布如图1所示。

各部分水流的特点如下[1()]。

图1桩柱周围流场分布示意图Fig. 1 Schematic diagram of flow fielddistribution around the pile1.1下潜水流前进水流撞击桩柱后，由于桩柱阻水，靠近自由液面附近的桩柱上游不远处的部分水流向上；部分水流则沿粧柱表面以较快的速度向下运动，形成下潜水流，进而形成主镟涡，是粧基冲刷的主要动力。

1.2马蹄形漩涡因海床摩阻作用，近底前进水流的纵向流速沿垂线存在流速梯度，即上部流速较大而近底流速最小，形成了压力梯度，在桩柱的上方形成高水头，而遇粧柱阻碍，在粧柱表面快速向下流动，形成横轴顺时针漩涡，与临底纵向水流汇合，这股粧前的下潜水流在床底翻滚绕过圆柱，形成围绕粧柱卷绕的螺旋状马蹄形漩涡。

1.3尾涡圆柱两侧水流则收缩集中，动能增加，绕过圆柱旋转，在粧后形成范围较大的尾涡。

根据对圆柱绕流流场的特点分析可知，前进水流在粧基附近产生的多重漩涡体系，三维边界层分离和高强度的水体紊动将造成粧基周围的局部冲刷。

因此，可以从控制冲刷水流入手，基于主动改变圆柱的受力和流场分布，减小冲刷原动力的思想，分别针对下潜水流、马蹄形漩涡和尾涡来设计粧基冲刷防护装置。

对于下潜水流，可采用减缓水流能量或改变水流与粧柱的作用方式来处理；对马蹄形漩涡，可采用阻碍水流急速下冲的手段或增大泥沙启动动力来应对；对于尾涡，可采用减小尾流的措施来应对。

2柔性消能导流防冲刷装置方案设计2.1柔性消能导流防冲刷装置方案冲刷防护装置的机理和研发思路是：通过深入考察冲刷形成与发展的内在机理，从粧基局部冲刷的内在影响因素出发，从扰动水流结构入手，运用能量耗散思想及受力缓冲原理，在粧腿上包敷软质吸能柔性材料，吸收来流的动能，减弱来流水流强度，减少粧腿所受的作用力，有效降低来流的流速，主动减小粧周漩涡的影响，从而减小或防止粧基局部冲刷。

柔性消能导流防冲刷装置的方案设计图见图 2〜图4。

装置主要由柔性护套、刚性导流板和柔性护垫三部分组合而成，其中，柔性护套包敷在粧柱上，刚性导流板配置在柔性护套的顶部，柔性护垫铺设于粧基四周。

2.2柔性消能导流防冲刷装置的组成如图2〜图4所示，柔性消能导流防冲刷装置的组成主要有柔性护套、刚性导流板（包括环形护圈和短护筒）、柔性护垫、尼龙搭扣、锚绳、锚、粧腿、泥面和结构加强筋。

柔性护套由具有大变形能力、刚度小、阻尼系数大、保形性好、耐腐蚀的硅橡胶或聚氨醋等吸能材料制成。

柔性护套的两个侧边使用尼龙搭扣对接或搭接包覆在粧腿上，柔性护套的顶部位置使用刚性导流板固定。

柔性护套的作用是消耗来流的运动能，减小来流流速，从而减小下潜水流的速度。

—82 —石油机械2019年第47卷第2期图2柔性消能导流防冲刷装置示意图Fig. 2 Schematic diagram of a flexible energy dissipationdiversion scouring protection device作用。

环形护圈上下端使用加强筋进行结构加强。

刚性导流板的作用是阻挡和消杀来自粧腿迎水面的下潜水流，改变其大小与方向，迫使下潜水流向两侧分流，减小马蹄形漩涡的强度。

结构加强筋1 一粧腿;2—柔性护套;3—短护筒;4 一环形护圈。

1一锚绳；2—尼龙搭扣；3—柔性护垫;4 一粧腿。

图5柔性护垫示意图Fig. 5 Schematic diagram of the flexible and soft pad柔性护垫（见图5)铺设于粧基四周的海底面上。

柔性护垫可使用具有大变形能力、刚度小、阻尼系数大、耐腐蚀的硅橡胶或聚氨醋等吸能材料制成，材料可选用与柔性护套相同的材料，但刚度需小于海底面土的刚度。

柔性护垫由整块或多块柔性材料组成，多块柔性材料呈圆形轴向排列形成柔性护垫，柔性护垫的侧边可使用尼龙搭扣对接或搭接成整体，即形成一个圆盘形的柔性护垫，柔性护垫的内边缘通过绑扎绳绑缚在粧腿根部处。

柔性护垫图3刚性导流板立面示意图Fig. 3 Schematic diagram of vertical cross sectionof the rigid diversion plate1 一粧腿;2—柔性护套;3—环形护圈;4 一短护筒。