CN111291470A - 一种快速预测海洋桩局部冲刷深度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种快速预测海洋桩局部冲刷深度的方法，包括：首先确定流体、泥沙和桩基的参数：海流流速、海水水深、泥沙颗粒粒径和桩基直径；接着得到影响桩周海床局部冲刷深度的无量纲参量；然后将处理后的无量纲参数带入桩周海床局部冲刷深度计算公式，得到桩周海床局部冲刷深度；接着通过该桩基的冲刷深度结合两根桩基的间距以及与来流夹角来预测其相邻桩基的局部冲刷深度。本发明可以简便地预测海洋环境中桩基的局部冲刷深度，并根据上游桩基的冲刷深度快速预测下游桩基的局部冲刷深度，能更好的应用于工程设计，提高工作效率。

Description

一种快速预测海洋桩局部冲刷深度的方法

技术领域

本发明涉及土木工程技术领域，具体地，涉及一种快速预测海洋桩局部冲刷深度的方法。

背景技术

海洋桩基在海洋中长期承受着波浪、海流等海洋荷载的作用，极易发生局部冲刷问题。在国内外海洋开发工程中，曾发生过多起灾难性海洋桩基倒塌事故。因此，合理预测海洋桩基局部冲刷深度对于保证桩基的安全稳定是十分重要的。现阶段，针对桩基的局部冲刷深度预测主要是以河流环境中的桥墩冲刷深度计算为主。我国的桥墩桩周海床局部冲刷深度计算公式规范是采用《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30-2015)中提出的两个公式进行冲刷深度计算，选取两种方式的最不利情况。美国ASSHTTO LRFD规范建议采用CSU方程来进行桥梁局部冲刷深度设计。此外，2011年Ettema R和Melville B W在《Evaluationof bridge scour research:Pier scour processes and predictions》一书中提出考虑水流流速、水深以及泥沙颗粒粒径的计算桩周海床局部冲刷深度的经验公式Sheppard-Melville方程。2017年喻鹏在博士学位论文《改进数值模型与群桩基础桥墩局部冲刷的CFD模拟》中根据数值结果提出了桩周海床局部冲刷深度计算公式。

但是现有规范和研究中桩基的局部冲刷深度主要是以河流环境中的桥墩冲刷深度计算为主，且仅针对的是单桩基础的局部冲刷计算，没有考虑海洋环境的不同以及两根桩基之间的相互影响及其相应的冲刷深度。

因此提出适一种快速预测海洋桩基局部冲刷深度的方法尤为重要，为确定和预测桩基的冲刷深度以及提供支持。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种快速预测海洋桩局部冲刷深度的方法，根据上游桩基的冲刷深度快速预测下游桩基的局部冲刷深度，为海洋群桩布置设计提供依据。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种快速预测海洋桩局部冲刷深度的方法，用于预测布置在海洋内的桩基的冲刷深度，所述方法包括以下步骤：

S1、首先确定流体、泥沙和桩基的参数，其中所述流体参数包括海流流速V、海水水深h，所述泥沙参数包括泥沙颗粒粒径d₅₀，所述桩基的参数包括桩基直径D；

S2、用所述桩基直径D和所述海流流速V对各个参数进行无量纲化处理，确定无量纲参数相对水深，弗劳德数以及相对泥沙粒径；

S3、将处理后的无量纲参数带入所述桩基的桩周海床局部冲刷深度计算公式，确定单桩基础在海洋环境中的局部冲刷深度；

S4、根据S3的结果，用位于上游的桩基的冲刷深度预测下游相邻桩基的局部冲刷深度。

优选的，海流流速V、海水水深h以及泥沙颗粒粒径d₅₀通过水文地质条件和现场测量获得，桩基直径D通过现场测量或相关设计文件获得。

优选的，所述S2中，用所述桩基直径D和所述海流流速V对各个参数进行无量纲化处理指的是，

式中，S_m为桩周最大冲刷深度，Fr为所述桩基的弗劳德数，可表示为：

其中V为所述海流流速，D为所述桩基直径，g为重力加速度，h为所述海水水深，d₅₀为所述泥沙颗粒粒径,f表示冲刷深度计算方程。

进一步优选的，S2中，用桩基直径D和流速V对各个参数进行无量纲化处理时，水深无量纲处理为

弗劳德数无量纲处理为

泥沙颗粒粒径无量纲处理为

冲刷深度无量纲处理为

最终相对冲刷深度

表示为

Fr，

的函数。

优选的，所述S3中，桩周海床局部冲刷深度计算公式根据相对水深

的大小分为两种情况：

当相对水深

时，桩周海床局部冲刷深度计算公式可表示为：

当相对水深

时，桩周海床局部冲刷深度计算公式可表示为：

式中，S_m为桩周最大冲刷深度，Fr为所述桩基的弗劳德数，可表示为：

其中V为所述海流流速，D为所述桩基直径，g为重力加速度，d₅₀为所述泥沙颗粒粒径。

优选的，所述S4，包括：

确定上下游桩基在横流向的投影间距l_s；

根据投影间距l_s的大小及上下游桩基间距确定上游桩基干扰系数K₁；

根据l_s、K₁快速预测下游桩周海床局部冲刷深度。

进一步优选的，通过下游的桩基与位于上游的桩基之间的桩间距G以及上下游桩基径向连线与海流的来流夹角θ_p确定上下游桩基在横流向的投影间距，具体为：

l_s＝(α_ssinθ_p-1)D

式中，l_s为上下游桩基在横流向的投影间距，α_s为桩基间距系数，可表示为：α_s＝G/D，其中G为所述桩间距，D为所述桩基直径。

进一步优选的，下游桩基冲刷深度表示为上游桩基的函数，具体为：

S′_m＝K₁S_m

式中：式中：S_m为上游桩基的冲刷深度，S′_m为下游桩基的冲刷深度。

进一步优选的，K₁为上游桩基的干扰系数，具体取值为：

当α_ssinθ_p-1＜-0.5时，K₁＜1；

当α_ssinθ_p-1≥-0.5时，K₁取值介于1-1.3之间。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

1)本发明可以简便地确定海洋环境中桩基的局部冲刷深度，并根据上游桩基的冲刷深度快速预测下游桩基的局部冲刷深度，为海洋群桩布置设计提供依据。

2)本发明具有简单，高效等优点，方法所需参数获取方便，具有广泛的工程应用和实用性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一优选实施例的方法流程图；

图2为本发明一优选实施例的上下游桩基示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一种快速预测海洋桩局部冲刷深度的方法的优选实施例流程图。如图1所示，包括以下步骤：

S1：首先确定流体、泥沙和桩基的参数，包括：海流流速V、海水水深h以及泥沙颗粒粒径d₅₀，这些参数获取途径为当地水文地质条件和现场测量获得。

S2：接着用桩基直径D和流速V对各个参数进行无量纲化处理，确定无量纲参数相对水深

弗劳德数

以及相对泥沙粒径

相对冲刷深度

表示为

Fr，

的函数，具体为：

S3：处理后的无量纲参数带入桩周海床局部冲刷深度计算公式，确定单桩基础在海洋环境中的局部冲刷深度。根据相对水深大小分为两种情况，具体为：

当相对水深

时：

当相对水深

时：

这是因为海洋环境中浅海区域水深变化会对桩周海床局部冲刷深度产生影响，深水区域水深变化对桩周海床局部冲刷深度影响不再明显，因此按相对水深将单桩基础在海洋环境中的局部冲刷深度分为两种情况，提高预测结果的准确性。

S4：确定上下游桩基在横流向的投影间距l_s，如图2所示。根据投影间距的大小及桩基间距确定上游桩基干扰系数K₁，最后快速预测下游桩周海床局部冲刷深度，具体为：

l_s＝(α_ssinθ_p-1)D

上式中：α_s为桩基间距系数，可表示为：α_s＝G/D。

下游桩基冲刷深度表示为上游桩基的函数，具体为：

S′_m＝K₁S_m

上式中：K₁为上游桩基的干扰系数，具体取值为：

当α_ssinθ_p-1＜-0.5时，K₁＜1；

当α_ssinθ_p-1≥-0.5时，K₁取值介于1-1.3之间。

K₁具体取值可参考表1：

表1：K₁取值范围

本发明可以简便地预测海洋环境中桩基的局部冲刷深度，并根据上游桩基的冲刷深度快速预测下游桩基的局部冲刷深度，以此往复，可以以一根单桩桩基为切入点，对其余桩基的冲刷深度进行预测，从而实现海洋群桩的冲刷深度的快速预测，为海洋群桩布置设计提供依据，具有广泛的工程应用和实用性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种快速预测海洋桩局部冲刷深度的方法，用于预测布置在海洋内的桩基的冲刷深度，其特征在于：包括：

S1、确定流体、泥沙和桩基的参数，其中所述流体参数包括海流流速V、海水水深h，所述泥沙参数包括泥沙颗粒粒径d₅₀，所述桩基的参数包括桩基直径D；

S2、用所述桩基直径D和所述海流流速V对各个参数进行无量纲化处理，确定无量纲参数相对水深，弗劳德数以及相对泥沙粒径；

S3、将处理后的无量纲参数带入所述桩基的桩周海床局部冲刷深度计算公式，确定单桩基础在海洋环境中的局部冲刷深度；

S4、根据S3的结果，用位于上游的桩基的冲刷深度预测下游相邻桩基的局部冲刷深度。

2.根据权利要求1所述的一种快速预测海洋桩局部冲刷深度的方法，其特征在于：S2中，用所述桩基直径D和所述海流流速V对各个参数进行无量纲化处理，具体为：

式中，S_m为桩周最大冲刷深度，Fr为所述桩基的弗劳德数，可表示为：

其中V为所述海流流速，D为所述桩基直径，g为重力加速度，h为所述海水水深，d₅₀为所述泥沙颗粒粒径，f表示冲刷深度计算方程。

3.根据权利要求1所述的一种快速预测海洋桩局部冲刷深度的方法，其特征在于：S3中，当相对水深

时，所述桩周海床局部冲刷深度计算公式表示为：

式中，S_m为桩周最大冲刷深度，Fr为所述桩基的弗劳德数，可表示为：

其中V为所述海流流速，D为所述桩基直径，g为重力加速度，h为所述海水水深，d₅₀为所述泥沙颗粒粒径。

4.根据权利要求1所述的一种快速预测海洋桩局部冲刷深度的方法，其特征在于：S3中，当相对水深

时，所述桩周海床局部冲刷深度计算公式表示为：

式中，S_m为桩周最大冲刷深度，Fr为所述桩基的弗劳德数，可表示为：

其中V为所述海流流速，D为所述桩基直径，g为重力加速度，h为所述海水水深，d₅₀为所述泥沙颗粒粒径。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种快速预测海洋桩局部冲刷深度的方法，其特征在于：所述S4，包括：

确定上下游桩基在横流向的投影间距l_s；

根据投影间距l_s的大小及上下游桩基间距确定上游桩基干扰系数K₁；

根据l_s、K₁快速预测下游桩周海床局部冲刷深度。

6.根据权利要求5所述的一种快速预测海洋桩局部冲刷深度的方法，其特征在于：所述确定上下游桩基在横流向的投影间距l_s是：通过下游的桩基与位于上游的桩基之间的桩间距G以及与上下游桩基径向连线与海流的来流夹角θ_p确定，具体为：

l_s＝(α_ssinθ_p-1)D

式中，l_s为上下游桩基在横流向的投影间距，α_s为桩基间距系数，可表示为：α_s＝G/D，其中G为所述桩间距，D为所述桩基直径。

7.根据权利要求5所述的一种快速预测海洋桩局部冲刷深度的方法，其特征在于：所述根据l_s、K₁快速预测下游桩周海床局部冲刷深度，其中：

下游桩基的冲刷深度表示为上游桩基冲刷深度的函数：

S′_m＝K₁S_m

式中：S_m为上游桩基的冲刷深度，S′_m为下游桩基的冲刷深度。

8.根据权利要求5所述的一种快速预测海洋桩局部冲刷深度的方法，其特征在于：所述上游桩基干扰系数K₁，其中：

当α_ssinθ_p-1＜-0.5时，K₁＜1；

α_s为桩基间距系数，可表示为：α_s＝G/D，其中G为所述桩间距，D为所述桩基直径。

9.根据权利要求5所述的一种快速预测海洋桩局部冲刷深度的方法，其特征在于：所述上游桩基干扰系数K₁，其中：

当α_s sinθ_p-1≥-0.5时，K₁取值介于1-1.3之间；

α_s为桩基间距系数，可表示为：α_s＝G/D，其中G为所述桩间距，D为所述桩基直径。

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