一种超临界流条件下基础局部冲刷的水槽试验方法技术

本发明专利技术公开了一种超临界流条件下基础局部冲刷的水槽试验方法，结合表面激波和高速水流的实验室再生控制方法，在风浪流水槽再生了缓坡上破碎波产生的激波和束窄水流产生的高佛汝德数流体，以模型砂局部起动动力条件控制工程结构基础局部冲刷，以此构建超临界流条件下结构基础冲刷实验测量段，为海上风电及水利工程中基础冲刷坑的预测和相应防护工程设计产生高精度的数据源。

A flume test method for local scour of foundation under supercritical flow

【技术实现步骤摘要】
一种超临界流条件下基础局部冲刷的水槽试验方法
本专利技术属于海上风电及水利工程中基础冲刷
，具体涉及一种超临界流条件下基础局部冲刷的水槽试验方法。
技术介绍
在水深小于20米的内陆架海区，潮波受到水深和地形的限制，变形比较大而不能通过数值模拟很好地解决基础局部冲刷问题。现有的局部冲刷水槽试验方法通常直接模拟波流作用下的原型基础冲刷以获得冲刷坑的形态，其主要的缺陷是：(1)常常不能区分基础附近的亚临界和超临界流态，这种超临界流态包括：1.表面波浪破碎引起的激波流；2.体积上的超临界流，如浅水潮流和破波流合成的沿岸流；(2)无法保证形成冲刷坑的泥沙滑动、滚动和跳跃和层移的推移质移动形态而不发生扬动，由于超临界流往往产生基础附近泥沙的扬动(泥沙冲刷扬起后随水流冲走)，现有技术测量的结果往往包括扬动引起的普遍冲刷。同时现有技术在河流桥墩冲刷等基础局部冲刷试验中也存在类似的缺陷。
技术实现思路
本专利技术提出了一种超临界流条件下基础局部冲刷的水槽试验方法，在风浪流水槽再生了缓坡上破碎波产生的激波和束窄水流产生的高佛汝德数流体，以模型砂局部起动动力条件控制工程结构基础局部冲刷，使风浪流水槽仅发生底沙表层移动，而不发生完全移动，并根据该局部起动构建测量段，为海上风电及水利工程中基础冲刷坑的预测和相应防护工程设计产生高精度的数据源。为达到以上目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种超临界流条件下基础局部冲刷的水槽试验方法，包括：设置风浪流水槽的有机玻璃前坡，使入射波在缓坡爬坡的过程中波浪破碎而产生激波流，设置风浪流水槽中水体流态，获得测量段水体体积的超临界流态；以模型砂局部起动动力条件控制工程结构基础局部冲刷，使风浪流水槽仅发生底沙表层移动，而不发生完全移动，并根据该局部起动构建测量段；对风浪流水槽进行造波，在冲刷坑底沙平衡后，量测工程结构基础局部冲刷最大冲刷深度、冲刷坑形态和范围；待风浪流水槽平稳再造波，重复量测。进一步的，所述设置风浪流水槽的有机玻璃前坡，使入射波在缓坡爬坡的过程中波浪破碎而产生激波流，包括：设置前坡的坡度为m＝1/5～1/20，试验中根据工程区实测海床坡度设置为原型海床坡度；设置前坡坡顶水深d1为入射波有效波高Hs的0.5至2倍。进一步的，所述设置风浪流水槽中水体流态，获得测量段水体体积的超临界流态，包括：前坡段与工程区测量段按照超临界流Fr>1设置，倒坡按照亚临界流Fr≤1设置；测量段水体体积超临界流态控制方程为：Fr1＝U1/(gd1)1/2＞1；坡前亚临界流的佛汝德数和坡顶超临界流的佛汝德数满足：当d0/d1＝n时，其中，d0为坡前工程区水深，U0为坡前水流流速，Fr0为坡前亚临界流的佛汝德数，U1为坡顶水流流速，d1为坡顶测量段水深，Fr1为坡顶超临界流的佛汝德数，n为倍数，g为重力加速度。进一步的，所述以模型砂局部起动动力条件控制工程结构基础局部冲刷，使风浪流水槽仅发生底沙表层移动，而不发生完全移动，并根据该局部起动构建测量段，包括：测量段采用模型砂，工程结构桩基对称布置在测量段中心线；基础局部冲刷测量段水深d1控制方程为：其中，和分别表示海底泥沙完全移动临界水深和表层移动临界水深。进一步的，所述海底泥沙完全移动临界水深和表层移动临界水深计算如下：其中，H0，L0分别表示入射波高和波长，φ50为泥沙中值粒径，L为水深d1处的波长，H为水深d1处的波高。进一步的，所述模型砂起动相似准则为：其中，λd为水深比尺，为起动流速比尺，λv为流速比尺。进一步的，所述模型砂粒径大于0.10mm。进一步的，所述对风浪流水槽进行造波，包括：在风浪流水槽一端安装不规则生波机；不规则波采用规范谱，每次连续造波600～7200秒。进一步的，所述风浪流水槽设置佛汝德数相似的正态比尺，λFr＝1，同时在风浪流水槽实验中，满足几何相似准则，原型对模型的水深比尺λd设置为20～50。进一步的，试验在长30m以上风浪流水槽中进行。本专利技术所达到的有益效果：本专利技术能够模拟高佛汝德数的试验方法，即，对超临界流条件下内陆架海区的泥沙起动和基础冲刷的进行定量分析的试验方法：1.针对波浪破碎的激波流；2.浅水潮流和破波流合成的沿岸流，该试验方法能够精确测量桩基工程基础局部冲刷坑深度和形态；同时该方法也适用于在超临界挟沙径流条件下(表面变形较大及高佛汝德数)的桥墩等水利工程基础局部冲刷试验。附图说明图1为本专利技术超临界流条件下基础局部冲刷试验原理图；图2为本专利技术基础局部冲刷风浪流水槽试验前坡设置示意图；图3为本专利技术实施例中风浪流水槽测试前后状态；图3(a)为测试前满足控制条件的风浪流水槽状态，图3(b)为试验后得到的冲刷坑。具体实施方式下面对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。本专利技术提供一种超临界流条件下基础局部冲刷的试验方法，为近海风电场、跨江大桥等水利工程基础冲刷坑的深度和形态的测定提供了最关键的实验数据来源。本专利技术结合表面激波和高速水流的实验室再生控制方法，在风浪流水槽再生了缓坡上破碎波产生的激波和束窄水流产生的高佛汝德数(Froudenumber)流体，同时本专利技术提供了该超临界流水利控制方法对应的原型沙或人工模型沙起动控制方法，以此构建超临界流条件下结构基础冲刷实验测量段，旨在为海上风电及水利工程中基础冲刷坑的预测和相应防护工程设计产生高精度的数据源。本专利技术实验布置不同于传统风浪流水槽实验设置不能区分基础附近的亚临界和超临界流态，本专利技术在水流条件上设定为表面波和体积流二者皆为超临界流，即，1.表面波浪破碎引起的激波流；2.体积上的超临界浅水潮流。参见图1，本专利技术提出的在风浪流水槽波浪和水流条件设置方案是：波浪破碎产生的超临界流和同样是超临界流的高佛汝德数潮流组合，在此前提上以模型砂的局部起动动力条件控制工程结构基础局部冲刷，通过测量段水深控制模型砂起动仅发生底沙表层移动(滑动、滚动，跳跃层移等，回到床面)，而不发生完全移动(扬动，不再回到床面)，并根据该局部起动构建测量段。旨在限制冲刷产生于基础结构模式的范围，以确保测定的数据为工程结构模式引起的基础局部冲刷，而不是由于高速水流产生的与结构模式无关的普遍性冲刷。本专利技术技术方案的具体实施步骤如下：(1)现场调研采样分析工程区海床原型沙的粒径晶相等参数，在能够满足起动相似准则条件下风浪流水槽实验采用原型沙为宜，一是自然状态海床处于平衡状态，在相似的波流条件下，原型沙的起动条件与自然界一致可在试验室再现床沙的起动；一是工程后桩基结构引起的基础局部冲刷过程主要是床沙的滑动、跳跃和层移运动模态，在实验中采用原型沙利于控制床沙运动模态和避免床沙的扬动(床沙起动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超临界流条件下基础局部冲刷的水槽试验方法，其特征在于，包括：/n设置风浪流水槽的有机玻璃前坡，使入射波在缓坡爬坡的过程中波浪破碎而产生激波流，设置风浪流水槽中水体流态，获得测量段水体体积的超临界流态；/n以模型砂局部起动动力条件控制工程结构基础局部冲刷，使风浪流水槽仅发生底沙表层移动，而不发生完全移动，并根据该局部起动构建测量段；/n对风浪流水槽进行造波，在冲刷坑底沙平衡后，量测工程结构基础局部冲刷最大冲刷深度、冲刷坑形态和范围；/n待风浪流水槽平稳再造波，重复量测。/n

【技术特征摘要】
1.一种超临界流条件下基础局部冲刷的水槽试验方法，其特征在于，包括：
设置风浪流水槽的有机玻璃前坡，使入射波在缓坡爬坡的过程中波浪破碎而产生激波流，设置风浪流水槽中水体流态，获得测量段水体体积的超临界流态；
以模型砂局部起动动力条件控制工程结构基础局部冲刷，使风浪流水槽仅发生底沙表层移动，而不发生完全移动，并根据该局部起动构建测量段；
对风浪流水槽进行造波，在冲刷坑底沙平衡后，量测工程结构基础局部冲刷最大冲刷深度、冲刷坑形态和范围；
待风浪流水槽平稳再造波，重复量测。


2.根据权利要求1所述的一种超临界流条件下基础局部冲刷的水槽试验方法，其特征在于，所述设置风浪流水槽的有机玻璃前坡，使入射波在缓坡爬坡的过程中波浪破碎而产生激波流，包括：
设置前坡的坡度为m＝1/5～1/20，试验中根据工程区实测海床坡度设置为原型海床坡度；
设置前坡坡顶水深d1为入射波有效波高Hs的0.5至2倍。


3.根据权利要求1所述的一种超临界流条件下基础局部冲刷的水槽试验方法，其特征在于，所述设置风浪流水槽中水体流态，获得测量段水体体积的超临界流态，包括：
前坡段与工程区测量段按照超临界流Fr>1设置，倒坡按照亚临界流Fr≤1设置；
测量段水体体积超临界流态控制方程为：
Fr1＝U1/(gd1)1/2＞1；
坡前亚临界流的佛汝德数和坡顶超临界流的佛汝德数满足：
当d0/d1＝n时，



其中，d0为坡前工程区水深，U0为坡前水流流速，Fr0为坡前亚临界流的佛汝德数，U1为坡顶水流流速，d1为坡顶测量段水深，Fr1为坡顶超临界流的佛汝德数，n为倍数，g为重力加速度。


4.根据权利要求1所述的一种超临界流条件下基础局部冲刷的水槽试验方法，其特征在于，所述以模型砂局部起动动力条件控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：李熙，姜振春，刘功鹏，禹芝文，徐德龙，黄春芳，罗成喜，张素香，陈询吉，
申请(专利权)人：李熙，
类型：发明
国别省市：江苏;32