在不同水动力作用条件下，对护岸结构对套管基础防护效果的实验研究

《Applied Surface Science》：Experimental investigation of riprap protection for a jacket foundation under varying hydrodynamic actions

针对近海风电场 jacket 基础冲刷防护问题，通过水槽试验分析不同水流强度（FI=0.7-0.9）和 riprap 保护范围（0.5D-2D）下冲刷深度变化规律。研究表明，采用 riprap 防护可将最大冲刷深度降低约80%，且保护范围超过1.5D时，冲刷坑面积和体积减少幅度达96%-98%。当水流强度较高时，石笼边缘易发生冲刷脱落，需通过调整石笼尺寸（4.2-5.2mm）和覆盖范围优化防护效果。最后建立 riprap 稳定性评价体系，提出临界雷诺数（Stab=0.70）作为结构失效判据。

　　在海洋工程领域，尤其是海上风电场建设中，钢架基础作为关键的结构支撑，其抗冲刷性能直接影响到整个系统的稳定性和安全性。尽管钢架基础在设计和施工过程中得到了广泛的应用，但针对其保护措施的研究仍相对有限。因此，本研究旨在评估碎石层作为保护措施在单向水流（清流冲刷）和波流联合作用（活床冲刷）条件下的有效性。通过分析碎石层厚度、粒径以及保护范围等因素对冲刷特性的影响，研究为设计和优化碎石保护层提供了重要的理论依据和技术支持。

随着海上风电场的建设，改变了局部的水动力条件，原有的水流模式和流速受到干扰。这种扰动导致了湍流的增加，表现为向下流动和马蹄涡旋的形成，从而加剧了沉积物的搬运，形成了冲刷坑。这些冲刷现象对桩基结构提出了多方面的挑战，包括降低其横向支撑力和动态特性，增加疲劳应力振幅，减少自然振动频率和海上风电设备的使用寿命。此外，冲刷还会降低基础的有效埋深和承载能力，同时增加倾覆力矩和水平位移，从而引发一系列结构安全问题。因此，采取有效的冲刷防护措施对于确保海上风电设备的可靠运行至关重要。

在现有的研究中，桩基的冲刷防护措施主要分为三类：非防护措施、主动防护措施和被动防护措施。非防护措施侧重于提高基础结构的刚度，以维持其在恶劣海洋环境下的正常运作。主动防护措施则是通过引入特定的结构形式来干扰下流和马蹄涡旋，从而减少对海底土壤的侵蚀作用。这些措施包括挡板、支架、桩槽等。而被动防护措施则通过增强床面与水流之间的剪切应力来保护基础，通常包括碎石层、沙毯和固化土壤保护等。

碎石层作为一种常见的被动防护措施，被广泛应用于减少桩基周围的冲刷。这种技术通过在基础周围布置合适尺寸和级配的碎石来保护下方的沉积物。碎石层的粗糙表面和不规则形状有助于增加床面摩擦力，从而降低海底的流速。通常，碎石层的厚度设置为碎石粒径的2到4倍，以确保其在实际施工中的有效性。此外，碎石层顶部的高程应设置在或低于床面，以进一步提升保护效果。

研究表明，水流强度与冲刷深度之间存在密切关系。在清流冲刷条件下，水流形成的涡旋大小与结构的直径密切相关。在相同的水流条件下，矩形桩所需的碎石粒径通常比圆柱形桩更大。为了确定合适的碎石粒径，研究人员提出了一个公式，该公式基于水流速度、碎石密度和影响系数等参数。此外，通过物理模型试验，研究人员发现碎石层的保护范围与冲刷程度之间存在线性关系，即随着保护范围的增加，保护效果也会增强。

在实际应用中，碎石层的性能受到多种因素的影响，包括碎石粒径、保护范围和水流强度。为了评估碎石层在不同条件下的保护效果，研究人员进行了详细的实验分析。实验结果表明，当水流强度较小时，碎石层能够有效减少冲刷深度。然而，当水流强度增加时，碎石层的保护效果会有所下降，尤其是在水流强度达到一定阈值时，碎石层可能会发生边缘侵蚀和部分碎石流失。

为了更全面地评估碎石层的保护性能，研究人员还考虑了不同水流条件下的冲刷特征。例如，在波流联合作用条件下，水流强度的增加会导致冲刷深度的增加，但碎石层的保护范围和粒径对冲刷深度的影响较为显著。此外，研究人员还分析了碎石层在不同水流条件下的损坏情况，包括剪切破坏、筛分破坏和边缘破坏等。这些破坏形式不仅影响碎石层的稳定性，还可能导致碎石层的整体失效。

研究还探讨了碎石层的损坏评估方法。通过将保护区域划分为多个子区域，并对每个子区域进行详细的侵蚀分析，研究人员能够更准确地评估碎石层的保护效果。这种方法不仅有助于识别冲刷的热点区域，还能够评估碎石层在不同水流条件下的稳定性。实验结果表明，碎石层的稳定性与其粒径和保护范围密切相关，较大的粒径和更广的保护范围能够有效减少冲刷深度和损坏程度。

在实际工程应用中，设计和选择合适的碎石层对于确保海上风电设备的长期稳定运行至关重要。研究人员建议，根据具体的水动力条件和工程需求，合理选择碎石粒径和保护范围，以优化碎石层的保护效果。此外，还需要考虑碎石层的施工过程和运输、放置等实际问题，以确保其在实际应用中的可行性和有效性。

本研究通过实验分析和理论探讨，揭示了碎石层在不同水流条件下的保护机制和关键参数的影响。这些发现不仅为海上风电设备的结构设计提供了重要的参考，还为海洋工程中其他类似结构的冲刷防护提供了理论支持和实践经验。未来的研究可以进一步探讨碎石层在不同环境条件下的性能变化，以及如何通过优化设计来提高其保护效果。