一种克服水下结构局部冲刷物理实验比尺效应问题的方法技术

本发明专利技术属于海洋工程、港口、海岸及近海工程研究领域，提出了一种克服水下结构局部冲刷物理实验比尺效应问题的方法，对水下结构物的局部冲刷进行准确预报。本发明专利技术基于土体的表观冲刷速率，建立了可针对水下结构物局部冲刷进行准确预报的方法，有效克服泥沙局部冲刷物理实验比尺效应难题；适合任意结构形式在任意沉积物类型条件下的局部冲刷预报；本发明专利技术将水下结构泥沙局部冲刷问题转化成为传统的海洋工程水动力学问题。本发明专利技术可以考虑流动条件随时间的变化以及流动方向的变化，这在以往的局部冲刷分析预报模型中是无法考虑的。本发明专利技术所提出的方法可以直接应用到水下结构物的局部冲刷预报，在位稳定性以及防冲刷措施设计等研究领域。领域。领域。

【技术实现步骤摘要】
一种克服水下结构局部冲刷物理实验比尺效应问题的方法


[0001]本专利技术涉及海洋工程、港口、海岸及近海工程研究领域，具体涉及一种克服水下结构局部冲刷物理实验比尺效应问题的方法。

技术介绍

[0002]各类水下结构物，如海底管缆、固定式风机基础、水下生产系统、固定式海上采油平台基础等，在流体流动的作用下，极易诱发这些结构物周围发生严重的局部冲刷，导致结构发生在位失稳破坏，造成巨大的经济损失和环境灾难。因此，国内外的众多学者针对水下结构的局部冲刷问题开展了诸多研究工作。
[0003]水下结构的局部冲刷问题涉及到流体
‑
结构
‑
海床之间的强烈非线性相互作用，该物理过程具有明显的三维特性。对于水下结构局部冲刷的研究，数值模拟面临着计算量大的巨大挑战，难以在短时间内获得水下结构的冲淤特性。此外，数值模拟通常采用流体流动+湍流封闭模型+泥沙输运的模式开展，有关泥沙输运模型(推移质和悬移质输沙)都是在松散均匀沙的基础上建立的。我国近海海域的海底沉积物以淤泥质、粉砂质为主，与松散均匀沙相比(不具有粘性效应)，这些海底沉积物形式往往具有迥然不同的起动条件和输运特性，使得针对原型水下结构冲刷的数值预报会产生较大的误差。因此，现阶段有关水下结构局部冲刷的研究工作主要依赖室内物理实验。但是，受限于实验室水槽或水池尺寸的限制，必须将原型水下结构进行几何缩尺才能开展物理实验。因此，相关的物理实验结果将不可避免地受到模型比尺效应的影响。模型的比尺效应主要体现在以下的几个方面：1)影响水下结构物局部冲刷的参数众多，目前没有任何一种相似律可以满足所有物理参数的相似要求；2)泥沙颗粒不能按照几何比尺进行缩尺，否则会导致泥沙物理、力学特性的重大改变，使得实验结果失真。因此，目前有关水下结构物局部冲刷的物理实验均是偏态的；3)目前的水下结构物局部冲刷基本只考虑弗汝德相似，忽略了雷诺相似。这主要是因为弗汝德相似和雷诺相似天然相悖，无法得到同时满足。而实际的情况为，雷诺数会深刻影响结构物周围的流态，进而影响到基础的局部冲刷；4)现行的物理实验结果外推到原型的精度强烈依赖于对主控变量的选择。实际上，影响水下结构局部冲刷的参数之间是相互关联、耦合的，他们共同决定了水下结构周围的冲刷特性，这使得主控变量的选择较为困难。上述这些因素导致实验室物理实验的结果在进行原型外推时会产生较大的误差，并且误差难以量化，甚至会造成不同的研究者针对同一原型水下结构局部冲刷进行模型化外推预报时的结果也会千差万别，这些因素极大地限制了实验室物理实验结果的工程应用价值。
[0004]此外，还有较多的学者没有考虑局部冲刷物理实验中的比尺效应问题，而是针对特定的水下结构形式，基于对大量物理实验的观测结果的归纳、总结和分析，建立了相关的经验预报公式，直接用于水下结构物局部冲刷的预报工作，以水下垂直圆柱结构为例，在单向流作用下平衡冲刷深度的经验预报公式如下：
[0005][0006]上式中，S
c
表示垂直圆柱在单向流作用下的平衡冲刷深度，D表示垂直圆柱的直径。对于波浪作用下垂直圆柱的局部冲刷平衡深度公式如下式所示：
[0007][0008]其中，S
w
表示波浪作用下垂直圆柱的平衡冲刷深度，KC＝U
w
T/D表示Keulegan
‑
Carpenter数，U
w
表示波浪边界层外水质点流速的幅值，T表示波浪周期。该公式的有效范围为KC≥6，其主要原因在于当KC<6时，圆柱前方的马蹄涡无法形成，而马蹄涡是圆柱结构发生局部冲刷的根本原因，此时不会发生局部冲刷。
[0009]而对于波流联合作用下的垂直圆柱局部冲刷问题，可以采用如下的经验公式进行平衡冲刷深度的预报：
[0010][0011]其中，S表示波流联合作用下垂直圆柱的局部冲刷平衡深度；A和B为常系数，可以采用如下的公式进行计算：
[0012][0013]其中，U
cw
＝U
c
/(U
c
+U
w
)，U
c
表示单向流的流速。
[0014]需要说明的是，以上的经验预报公式均是针对水下垂直圆柱局部冲刷平衡冲刷深度进行预报，但这些公式只适用于特定的结构形式，不具有普适性。此外，这些公式的建立均是基于实验室的松散均匀沙所建立的，无法考虑工程现场粘性土的输运特性，因此其预报精度、适用范围均存在一定的局限性。
[0015]综上所述，目前针对海底结构物局部冲刷的预报方法均存在一定的局限性，尤其是物理实验无法克服比尺效应难题，无法准确考虑工程现场粘性土的输运特性，导致预报精度均布高，因此，亟需发展全新的海底结构局部冲刷的工程化预报方法，克服泥沙局部冲刷物理实验模型比尺效应难题，形成客观、准确的工程化外推方法，准确地预报各类水下结构物的冲淤特性，从而为各类水下结构的设计、安全运行和维护提供科学依据和技术保障。

技术实现思路

[0016]为解决现有技术存在的上述问题以及满足水下结构物的冲刷评估以及在位稳定性设计等的切实需求，本专利技术的目的为：提供一种克服水下结构局部冲刷物理实验比尺效应问题的方法，从而有效克服泥沙物理实验比尺效应难题，为海底结构物的局部冲刷分析预报、在位稳定性设计以及防冲刷措施的设计提供科学依据和技术保障。该方法从局部冲刷的物理本质出发，即无论何种水下结构物类型，何种海床沉积物(土体)特性，结构发生局部冲刷的物理本质为结构物周围海床的剪切应力τ大于土体的临界剪切应力τ
cr
，应用该方法，可实现对水下结构局部冲刷发展过程以及冲刷平衡剖面的准确预报，从而有效克服局部冲刷物理实验的比尺效应难题。
[0017]本专利技术的技术方案如下：一种克服水下结构局部冲刷物理实验比尺效应问题的方法，包括以下步骤：
[0018]步骤A、建立不同沉积物输运特性公式
[0019]无论何种水下结构物形式，其局部冲刷的发展过程和土体的特性密切相关，具体来讲，包括土体的输运率、输运模式(推移质输沙、悬移质输沙、推移质和悬移质联合输沙)以及土体的临界起动应力。对于实际的工程而言，由于土体的特性相对比较复杂，目前尚未有统一的公式进行描述，需要开展土体表观冲刷速率物理实验，获得不同流动条件下，土体表观冲刷速率与海床剪切应力的定量关系以及临界起动应力；通过开展不同流动条件下的土体表观冲刷速率物理实验，建立土体表观冲刷速率预报公式：
[0020]χ＝σ(τ
c
‑
τ
cr
)
ε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0021]其中，χ表示土体表观冲刷速率，该物理量表征的是单位时间内，在一定的流速条件下，无结构物时土体的冲刷深度；σ和ε为常系数，通过对土体表观冲刷物理实验测量得到的数据，经最小二乘法拟合获得，两个常系数表示土体的输运能力；τ
cr
表示土体的临界剪切应力，表征土体的抗冲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种克服水下结构局部冲刷物理实验比尺效应问题的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A、建立不同沉积物输运特性公式开展土体表观冲刷速率物理实验，获得不同流动条件下，土体表观冲刷速率与海床剪切应力的定量关系以及临界起动应力；通过开展不同流动条件下的土体表观冲刷速率物理实验，建立土体表观冲刷速率预报公式：χ＝σ(τ
c
‑
τ
cr
)
ε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，χ表示土体表观冲刷速率，该物理量表征的是单位时间内，在一定的流速条件下，无结构物时土体的冲刷深度；σ和ε为常系数，通过对土体表观冲刷物理实验测量得到的数据，经最小二乘法拟合获得，两个常系数表示土体的输运能力；τ
cr
表示土体的临界剪切应力，表征土体的抗冲刷能力；τ
c
表示流体流动引起的海床剪切应力；当τ
c
>τ
cr
时，土体发生输运，进而产生冲刷；海床剪切应力通过对测量得到的流速剖面分析获得的，在流体作用下，水平流速在深度方向上的分布符合如下的对数率分布：其中，U(z)表示高度z处测量得到的水平流速，κ＝0.4表示卡门常系数，z0表示海床糙率高度，与海床沉积物的中值粒径d
50
相关，其计算方法为z0＝d
50
/12，u
*
表示底摩阻流速；当已知空间一点的流速后，应用公式(2)，计算底摩阻流速；当海况情况为单向流作用时，公式(1)中的海床剪切应力τ
c
采用如下的公式进行计算：其中，ρ表示水体的密度；对于公式(1)中的土体临界剪切应力，其计算方法为当土体表观冲刷速率χ＝10
‑7m/s时对应的海床剪切应力，该分析土体临界剪切应力的方法同样...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐国强，吕林，乔东生，宋志伟，闫俊，吴甜宇，滕云飞，王滨，高山，
申请(专利权)人：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：