施工期强越浪作用下围区板桩墙预留龙口局部冲刷研究

沈立龙,赵东梁，冯先导

(1.中交第二航务工程局有限公司，湖北 武汉 430040;2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北 武汉 430040;3.交通运输行业交通基础设施智能制造技术研发中心，湖北 武汉 430040;4.中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司，湖北 武汉 430040)

随着经济的发展和土地资源的紧缺，大型围海造陆工程日益增多。当围堤不断进占形成围区时，为了防止恶劣海况下强越浪水体或内部吹填砂时造成围区水位增高，进而威胁工程和施工安全，常在堤线上预留一个龙口让多余水体自由排出。而龙口区域属于流速骤然增大的区域，其流态复杂、流场紊乱。

扰动的水流易引起漩涡冲蚀龙口周围海床，导致河床下切、基底床沙被淘空等，进而降低龙口两侧结构物基础承载力和结构安全性[1-2]，因此，研究龙口周围的局部冲刷十分重要。

目前，结构物局部冲刷的大量研究多集中于桥墩、丁坝、管线、防波堤等结构物[3-7]，涉及龙口的研究多在围海堵口或河道截流等工程合龙施工技术方面[8-9]，而水动力特性与局部冲刷研究相对较少，尤其针对板桩墙等直立结构上预留的排水龙口结构。

为研究施工期强越浪作用下围区板桩墙预留龙口局部冲刷特性，依托海外某大型围海造陆港口工程，借助 CFD 软件，建立了龙口冲刷模型，分析了龙口区域流场分布规律和局部冲刷特点，为降低冲刷程度和减少泥沙的流失提供了针对性建议，可为类似工程提供一定参考。

1 工程概况

某海外大型围海造陆港口工程主要包含1 480 m LEE防波堤、443 m高桩码头和800 m钢板桩码头，中间为吹填陆域区。施工期间，由LEE防波堤、高桩码头后方沉箱和板桩码头的前板桩墙共同围成围区(图1)，排水龙口布置在板桩码头的前板桩墙约中部位置，前板桩墙由AZ桩和HZ桩相扣组合而成，排水龙口总宽度为20 m，龙口节段仅施打前沿HZ型主桩，预留HZ桩间的12组AZ板桩不施工，以形成排水龙口(图2)，施工中为保证弱轴方向刚度，HZ桩顶端采用横梁加固。除龙口节段外，两侧均为封闭的HZ桩+AZ桩的板桩墙。

图1 海外某大型围海造陆港口工程施工中鸟瞰图

图2 排水龙口结构

港口工程地处地中海东岸，该区域属于典型的地中海季风气候，季风期间(11月—次年3月)极端波况频发，以风浪作用为主导，有效波高可达3.5 m以上。季风期间强越浪水体主要通过LEE防波堤和沉箱顶部进入围区。为减少越浪量，LEE堤和沉箱顶部提前放置一排混凝土预制块。强浪越进围区后引起内部水位增高，增多水体主要通过龙口排出围区，此时会造成龙口流速骤然增大，且不同时刻越浪量不同，造成龙口流速大小不一，流场复杂、混乱，进而加剧龙口局部冲刷。龙口流速主要通过越浪量求得，即简化为单位时间越浪量除以过水面积。根据《海港水文规范》[10]，越浪量可采用下列公式进行计算：

(1)

式中：Q为单位时间单位堤宽的越浪量(m3·m-1·s-1)；H′c为胸墙墙顶在静水面以上的高度(m)；H为有效波波高(m)；b1为胸墙前肩宽(m)；B为经验系数；KA为护面结构影响系数；Tp为谱峰周期(s)；m为斜坡坡度系数；d为建筑物前水深(m)；g为重力加速度(ms2)。

2 数学模型

2.1 基本方程

连续性方程：

(2)

动量方程：

(3)

(4)

(5)

式中：u、v、w分别为x、y、z方向上的流速分量；Gx、Gy、Gz分别为x、y、z方向上的体加速度；Ax、Ay、Zz分别为x、y、z方向上流体面积分数；fx、fy、fz分别为x、y、z方向上的黏滞力加速度;VF为流体的体积分数;p为作用在流体微元上的压强；ρ为流体密度；t为时间。

2.2 RNG k-ε模型

对于湍流情况，采用RNGk-ε模型。RNGk-ε模型是k-ε模型的改进方案，由Yakhot和Orzag[11]提出，在RNGk-ε模型中，通过在大尺度运动和修正后的黏度项体现小尺度的影响，而使这些小尺度运动系统地从控制方程中去除。RNGk-ε模型能更好地计算具有剪切力的流体区域，适用于水流对泥沙造成局部冲刷的模拟运算。其表达式如下：

(6)

(7)

2.3 泥沙运动方程

泥沙运动方程参考文献[12-13]，推移质输沙律方程和悬移质输沙方程表达式为：

(8)

(9)

τ=0.5cp(u21+u22+u23)

(10)

τcv=φ(ρc-ρ)gd

(11)

式中:c为常系数，取值为 0.19;u1、u2、u3分别为海床表面附近水平、垂向和横向脉动流速;ρ为水的密度;ρc为泥沙密度;φ为临界希尔兹参数。

2.4 模型搭建

根据工程现场龙口实际尺寸建立计算模型，见图3。图中h1为海床面至水面深度,h2为砂层厚度，L1为模型长度，L2为模型宽度。龙口尺寸与工程现场保持一致，HZ桩宽度为0.46 m，间距为1.787 m，挡砂结构高度3 m。计算水深为h1=7 m。

图3 龙口结构

计算域进口设置为速度入口边界，左右均设置为对称边界，计算域顶部设置为指定压力边界，模型网格尺寸为0.3 m，局部进行一定加密处理。

因围区内部属于吹填区，砂质较为松散，施工期在强越浪作用和内部吹填砂时，部分砂会随水体流出围区。为了降低损失，在龙口区域HZ桩间布置多个挡砂结构。挡砂结构通过自身卡槽与两侧HZ桩相连，通过铁链悬吊着缓缓下放至海床面固定，并将铁链系在龙口顶部横梁上，以便后期挡砂结构拆除或调整其高度。

设定未布置挡砂结构的工况为工况a，布置挡砂结构的工况为工况b，数值计算模型见图4。

图4 龙口周围海床冲刷计算模型

3 计算结果分析

流场分布规律主要受制于龙口的结构形式，而流场的变化反过来会影响作用于结构物本身的水动力荷载，也会造成龙口区域局部冲刷，因此要研究排水龙口的局部冲刷问题，须先研究排水龙口处水流流场的特性。本文依托海外某大型围海造陆港口工程，基于CFD软件对两种结构龙口周围的流场分布规律和局部冲刷特点进行了研究，得到了以下结论。

3.1 龙口周围流场

通过计算结果发现：水体流经龙口时，水体水平横向急剧收缩并集中，流速骤然增大，水位壅高，龙口内外侧出现一定水位差，展现出“水跌”的水力现象。当水体流过龙口后，带动口门两侧水体移动，在口门的后部两侧流态紊乱，首先出现立轴旋涡。流经龙口的水体一部分径直流向后方，另一部分则向两侧斜向扩散，受扰动的水体范围增大，龙口后方两侧立轴旋涡也由最开始生成位置迁移至下方。

龙口处中间流速一般大于两侧流速[14-15]，而本工程龙口结构中存在多根HZ桩，水流受其影响，出现了两侧略大于中部的现象。

水平方向上，工况a和工况b的流场规律存在一定相似性，而垂直方向工况b因为挡砂结构的存在，垂直方向上水体也存在向上收缩并集中的现象，过水面积更小，龙口流速大于工况a，水体流经龙口后，在重力等作用下主流部分下潜，进而带动挡砂结构后方水体流动，形成顺时针旋涡，流场分布规律较工况a更加复杂，同时也一定程度上促进了挡砂结构后方泥沙的冲刷(图5～8)。同时，若挡砂结构未嵌入进砂层，部分水体会通过挡砂结构底部微小缝隙流出，砂层被慢慢冲刷后，流出水体逐渐发展成为射流，进一步扰乱了挡砂结构下放和后方原有流场，导致紊乱程度更大，反过来加剧了挡砂结构底部和后方泥沙的冲刷。

图5 工况a龙口周围水平向流速矢量

图6 工况b龙口周围垂向流速矢量(t=21 s)

图7 工况b龙口周围垂向流速矢量(t=60 s)

图8 龙口周围流速场三维图

3.2 龙口周围局部冲刷

针对以上两种工况，根据数值计算结果，分别模拟得到了不同时刻的冲刷床面形态。

水流流经龙口时，复杂的流场与高速的水流对泥沙床面产生的切应力超过泥沙的临界起动力，导致泥沙起动，造成龙口局部冲刷。工况a龙口后方冲刷形态和深度相对平均，基本没有太大高差区别(图9、10)，只有少数区域，如龙口两侧靠近AZ+HZ板桩墙位置，冲刷相对严重，与流速大小存在一定对应关系，属于重点冲刷防护区。计算得到最大冲刷深度约为1.5 m，冲刷范围覆盖到龙口后方约25 m。

图9 工况a龙口周围海床冲刷立面图

图10 工况a不同断面龙口冲刷深度曲线

针对工况b，由流场分布规律可知，龙口局部冲刷原因主要表现为两方面，一方面，少部分水体由开始挡砂结构底部微小缝隙流出，逐渐带动砂粒移动形成冲刷，以及最后挡砂结构底部和后方原有流场被扰动和改变，加剧冲刷；另一方面，水体流经龙口主流部分下潜，引起挡砂结构后方旋涡产生，同样较大促进了龙口周围海床冲刷(图11、12)。

图11 工况b龙口周围海床冲刷立面图

图12 工况b不同断面龙口冲刷深度曲线

冲刷发展过程主要表现如下：随着时间延续，约在t=98 s时，挡砂板底部输沙率开始增大，局部冲刷力度加强，冲刷坑加深；在t=123 s 时，输沙率开始较大，挡砂结构下方冲刷坑进一步加深，冲刷范围沿水流方向向龙口后方推移。随着冲刷的发展，床面形状的改变速度一定程度上加剧，在t=139 s 时，局部冲刷剧烈，冲坑继续向下游发展，深度逐渐增大。t=150 s和t=173 s时，冲刷范围和冲刷深度得到了进一步扩大，但冲刷速度逐渐减缓。一定时间后，冲刷状态趋于相对稳定。最终龙口后方靠近挡砂结构区域冲刷严重，最大冲刷深度达3.6 m，明显高于工况a，再向后方冲刷深度逐渐变浅，冲刷范围与工况a相似。同时因为多根HZ桩和大流速原因，龙口后方冲刷状态趋于梳齿状。

通过以上两种工况结果对比发现，结构复杂的工况b较工况a龙口周围流场复杂，局部流速大，冲刷程度剧烈。工况b中挡砂结构若没有嵌入进砂层，待下方冲刷逐渐形成水流通道后，挡砂结构将成为龙口局部冲刷的不利因素，因此建议挡砂结构安装时，应嵌入砂层一定深度，同时主流下潜水体对防止挡砂结构后方易产生冲刷，以及为保证挡砂结构下方的绝对安全，建议对龙口区域做一定其他防护措施处理(包括工况a)，如在龙口两侧冲刷范围内覆盖土工布，并用砂袋进行压载。龙口两侧，靠近AZ+HZ板桩墙区域流速最大，尤其工况a，对底坡形成的冲刷力度相对较强，是龙口护底防护相对重点部位。

4 结论

1)针对大型围区板桩墙排水龙口处的流场与局部冲刷分析，本文计算方法合理，该方法可在其他结构形式龙口或桥墩、丁坝、防波堤等结构局部冲刷计算中推广应用。

2)龙口位置属于流速骤然增大区，流场复杂但有一定规律，针对文中两种龙口结构工况，都存在不同程度局部冲刷，且龙口周围流场分布规律与海床局部冲刷特点存在一定对应关系，为了结构安全，建议一定防护处理。

3)龙口区域设置挡砂结构，目的是减少围区内砂的流失，但安装时若不嵌入进砂层一定深度，其下方易形成冲刷通道，存在冲刷风险，发展到一定程度，将更加扰乱龙口后方流场，加剧龙口底部和后方的冲刷程度，建议挡砂结构安装时应嵌入砂层一定深度，同时也采用其他防护措施。