CN115538478A

CN115538478A - 一种抗冲刷基础

Info

Publication number: CN115538478A
Application number: CN202211295924.XA
Authority: CN
Inventors: 闫杰超; 胡勇; 张胡; 赵维阳; 陈述; 胡鹏; 郭凯阳; 刘燃; 马晨煜; 韩佳楠
Original assignee: China Railway Major Bridge Reconnaissance and Design Institute Co Ltd
Current assignee: China Railway Major Bridge Reconnaissance and Design Institute Co Ltd
Priority date: 2022-10-21
Filing date: 2022-10-21
Publication date: 2022-12-30
Anticipated expiration: 2042-10-21
Also published as: CN115538478B

Abstract

本申请涉及一种抗冲刷基础，其包括墩体、第一进水头、第一出水头和第一连接管；第一进水头设于所述墩体上，第一进水头具有第一迎流面，所述第一迎流面上开设有第一进水口；第一出水头设于所述墩体上，第一出水头具有第二迎流面，所述第二迎流面上开设有第一出水口；第一连接管设于所述墩体上，第一连接管的两端分别连接第一进水头和第一出水头，并与第一进水口和第一出水口共同形成水流通道；所述第一进水头位于第一出水头上方。本申请可以解决相关技术中抛石或其他硬防护措施可能受到海床二次冲刷或演变的影响，造成边缘或整体溃败可能，造成前期投入成本多，后期维护成本也多的情况。

Description

一种抗冲刷基础

技术领域

本申请涉及局部冲刷防护技术领域，特别涉及一种抗冲刷基础。

背景技术

随着海上风电场不断建设，其基础冲刷已成为海上风电维护主要难题之一。海上风电基础多为单桩基础，直径约为5.0～10.0m的大直径钢管桩基础。由于海洋环境水动力条件往往比内陆江河复杂，且其基础海床地质通常多以淤泥或粉细砂为主，近海风电场经常遭受台风等极端天气作用，造成基础局部冲刷或冲刷坑淤泥回淤，使得海上风电基础冲刷防护成为风电维护的难题之一。

目前，对于海上风电基础的维护多以抛石为主，以及近年来也出现的固化土冲刷防护技术，这些技术统称为硬防护，即通过改变桩周抵抗水流或波流起动能力以达到保护基础冲刷的目的。而海洋环境冲刷机理复杂，海上风电所处位置多位于近海，在近岸及沿海海流或潮汐作用下，其海床本身演变特性复杂，加之海上风电场面积大，影响范围广，造成风电场整体冲刷演变特性复杂。这种复杂的海床自然或人为影响演变机理是未知的，因此其引起的冲刷也是未知的。

根据海工建筑物冲刷防护“宜疏不宜堵”的原则，抛石或其他硬防护措施可能受到海床二次冲刷或演变的影响，造成边缘或整体溃败可能，造成前期投入成本多，后期维护成本也多的情况。

发明内容

本申请实施例提供一种抗冲刷基础，以解决相关技术中抛石或其他硬防护措施可能受到海床二次冲刷或演变的影响，造成边缘或整体溃败可能，造成前期投入成本多，后期维护成本也多的情况。

本申请实施例提供了一种抗冲刷基础，其包括：

墩体；

设于所述墩体上的第一进水头，其具有第一迎流面，所述第一迎流面上开设有第一进水口；

设于所述墩体上的第一出水头，其具有第二迎流面，所述第二迎流面上开设有第一出水口；

设于所述墩体上的第一连接管，其两端分别连接第一进水头和第一出水头，并与第一进水口和第一出水口共同形成水流通道；

以及，所述第一进水头位于第一出水头上方。

一些实施例中，所述第一进水口呈矩形、圆形或椭圆形。

一些实施例中，当所述第一进水口呈椭圆形时，其长半轴a₂₀满足：

mR≤a₂₀＜nR-2d₄

其中，R为所述墩体的半径，d₄为第一连接管的直径。

一些实施例中，所述第一出水口的横截面积小于所述第一进水口的横截面积。

一些实施例中，在所述墩体的外壁上，将所述墩体的迎流面垂向中心线朝所述墩体两侧移动，以得到两条边界线，所述墩体的外壁位于两条边界线之间的部分形成水流阻挡区，所述第一连接管位于所述水流阻挡区。

一些实施例中，所述边界线与所述墩体的迎流面垂向中心线所夹的圆心角为45°。

一些实施例中，所述第一出水口呈矩形、圆形或椭圆形；

和/或，所述第一迎流面呈矩形、圆形或椭圆形；

和/或，所述第二迎流面呈矩形、圆形或椭圆形。

一些实施例中，所述抗冲刷基础还包括：

设于所述墩体上的第二进水头，其具有第三迎流面，所述第三迎流面上开设有第二进水口；

设于所述墩体上的第二出水头，其具有第四迎流面，所述第四迎流面上开设有第二出水口；

设于所述墩体上的第二连接管，其两端分别连接第二进水头和第二出水头，并与第二进水口和第二出水口共同形成水流通道；

以及，所述第二进水头位于第一出水头和第二出水头上方，且所述第一进水头位于第二出水头上方。

一些实施例中，所述抗冲刷基础还包括：

设于所述墩体上的第三进水头，其具有第五迎流面，所述第五迎流面上开设有第三进水口；

设于所述墩体上的第三出水头，其具有第六迎流面，所述第六迎流面上开设有第三出水口；

设于所述墩体上的第三连接管，其两端分别连接第三进水头和第三出水头，并与第三进水口和第三出水口共同形成水流通道；

以及，所述第三进水头位于第一出水头、第二出水头和第三出水头上方，且所述第二进水头位于第三出水头上方，所述第一进水头位于第三出水头上方。

一些实施例中，所述第一进水头、第二进水头和第三进水头自上而下依次布置，且所述第一进水头与第二进水头在所述墩体轴向上的间距不小于第一预设值，所述第二进水头与第三进水头在所述墩体轴向上的间距不小于第二预设值。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种抗冲刷基础，本申请利用上部波流流速大、压强大特点，在墩体上设计第一进水头、第一出水头和第一连接管，将其引导至下部，形成喷水，抵消来流水流，从而减弱墩周马蹄涡系强度，以达到减缓冲刷的效果。

相比于抛石或其他硬防护措施，本申请在墩体上设计第一进水头、第一出水头和第一连接管，属于一种主动冲刷防护措施，其整体设计将有效减少工程投资及对周边有较小的负面影响，有着较高的经济效益。

由于第一进水头上形成有第一迎流面，第一出水头上形成有第二迎流面，这使得第一进水头和第一出水头呈扁平状，由于这种扁平状结构的存在，沿着迎流面形成的下潜水流在遇到第一进水头和第一出水头时，将受到阻挡，进而不能顺利的下潜至底部河床，将极大的减小局部冲刷的产生。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的抗冲刷基础一个视角示意图；

图2为本申请实施例提供的抗冲刷基础另一个视角示意图；

图3为本申请实施例提供的第一进水头示意图；

图4为本申请实施例提供的水流阻挡区所在位置示意图。

图中：1、墩体；2、第一进水头；20、第一迎流面；21、第一进水口；3、第一出水头；30、第二迎流面；31、第一出水口；4、第一连接管；5、第二进水头；50、第三迎流面；51、第二进水口；6、第二出水头；60、第四迎流面；61、第二出水口；7、第二连接管；8、第三进水头；80、第五迎流面；81、第三进水口；9、第三出水头；90、第六迎流面；91、第三出水口；10、第三连接管；11、水流阻挡区。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在详述本申请设计方案前，需要对本申请设计基于的流体力学或水流动力学理论进行叙述。申请人在风电基础冲刷方面做了大量的研究，并发现引起风电基础局部冲刷的水动力要素是墩周马蹄涡系，尤其对于大直径桩基，其两侧加速水流也是引起局部冲刷的重要因素。墩周马蹄涡系是由墩前下潜水流引起的，下潜水流形成的根本原因是基于来流流速内在的流速指数分布特征，即上部大，下部小。当来流水流冲击风电基础，将在迎流面形成停滞压强，压强大小也相应上强下弱，相应不同水深层的停滞水流将在迎流面中心形成上、下两股水流，但最终叠加的结果是形成沿着迎流面冲击其墩前底部河床的下潜流速，该下潜水流是形成墩前及墩周马蹄漩涡重要原因。同时，迎流面其它水流受挤压将高速绕过墩周两侧，并在墩侧分离形成墩后尾涡，吸卷泥沙。由此可见，来流水流强度，下潜水流强度及墩侧压缩水流是决定风电基础局部冲刷的重要因素，相应的，如何减小冲刷也应从减弱或削弱上述影响因素强度着手。

也正是获知上述影响因素，参见图1、图2和图3所示，本申请实施例提供了一种抗冲刷基础，其包括墩体1、第一进水头2、第一出水头3和第一连接管4；第一进水头2设于墩体1上，第一进水头2具有第一迎流面20，第一迎流面20上开设有第一进水口21；第一出水头3设于墩体1上，第一出水头3具有第二迎流面30，第二迎流面30上开设有第一出水口31；第一连接管4设于墩体1上，第一连接管4的两端分别连接第一进水头2和第一出水头3，并与第一进水口21和第一出水口31共同形成水流通道，第一进水头2位于第一出水头3上方。

当基础遭遇来流水流与波浪冲击时，其在上层水流形成较大压强，尤其在迎流面上，而设置的第一进水口将吸收一部分水流，该部分水流通过第一连接管被输送至下部相应第一出水口，在第一出水口形成一定流速的反向水流，该反向水流可削弱来流水流及下潜水流强度，从而减弱墩周马蹄涡系强度，以达到减缓冲刷的效果。

本申请利用上部波流流速大、压强大特点，在墩体上设计第一进水头、第一出水头和第一连接管，将其引导至下部，形成喷水，抵消来流水流，从而减弱墩周马蹄涡系强度，以达到减缓冲刷的效果。

本申请提供的抗冲刷基础，可以应用于海上风电基础，也可以应用于其他需要抗冲刷的基础中，而不仅仅限于海上风电基础。

需要说明的是，为了更好地抵消来流水流，第一出水头3位于第一进水头2的正下方，从而正面面对来流水流。

由于第一进水头2上形成有第一迎流面20，第一出水头3上形成有第二迎流面30，这使得第一进水头2和第一出水头3呈扁平状，由于这种扁平状结构的存在，沿着迎流面形成的下潜水流在遇到第一进水头2和第一出水头3时，将受到阻挡，进而不能顺利的下潜至底部河床，将极大的减小局部冲刷的产生。

第一进水口21的形状有多种选择，比如，作为示例，第一进水口21呈矩形、圆形或椭圆形，可以根据实际抗冲刷需求选择。由于椭圆形具有较大截面积，以使水流进入，椭圆形收缩结构相对矩形等具有尖锐棱角结构更平滑，对水流影响较小，可以优选采用椭圆形。

第一出水口31的形状有多种选择，比如，作为示例，第一出水口31呈矩形、圆形或椭圆形，可以根据实际抗冲刷需求选择。由于椭圆形具有较大截面积，以使水流喷出，椭圆形收缩结构相对矩形等具有尖锐棱角结构更平滑，对水流影响较小，可以优选采用椭圆形。

第一迎流面20的形状有多种选择，比如，作为示例，第一迎流面20呈矩形、圆形或椭圆形，可以根据实际抗冲刷需求选择。由于椭圆形具有较大宽度的接受来流水流的冲击，椭圆形收缩结构相对矩形等具有尖锐棱角结构更平滑，对水流影响较小，可以优选采用椭圆形。

第二迎流面30的形状有多种选择，比如，作为示例，第二迎流面30呈矩形、圆形或椭圆形，可以根据实际抗冲刷需求选择。由于椭圆形具有较大宽度的接受来流水流的冲击，椭圆形收缩结构相对矩形等具有尖锐棱角结构更平滑，对水流影响较小，可以优选采用椭圆形。

当第一进水口21呈椭圆形时，其长半轴a₂₀满足：

mR≤a₂₀＜nR-2d₄

其中，R为墩体1的半径，d₄为第一连接管4的直径，m、n均为调整系数。根据实际抗冲刷需要，可以对m和n进行赋值，比如，作为示例，在一个优选实施方式中，m＝0.1，

当a₂₀≥0.1R时，当第一进水头2以迎流面垂向中心布置于风电墩上时，迎流水流或波流流场冲击迎流面时，形成下潜水流范围基本在0.2R范围，因此，第一进水口21长度满足该条件时，可以起到阻隔下潜水流发展的作用。

当

时，主要考虑水流或波流在风电墩两侧45°附近处形成的加速水流流速最大，相当于迎流面横向

左右位置，但考虑到进口结构需要渐变且对接直径为d₄的连接管，连接管垂直布置为主不宜大于两侧45°位置，避免连接管本身产出负面影响，引起大于墩体本身产生的加速水流，因此，初步认为a₂₀最大不得大于

a₂₀值具体数值需要考虑连接管本身可以阻挡或减弱墩体两侧水流流速效果。

对于第一进水头2的纵向长度(垂直于迎流面方向)，需要给冲击至第一进水口21水流一定缓冲距离，避免水流直接反射出去，达不到第一进水口21中的水流足够从第一连接管4通至下部第一出水口31，因此第一进水头2的纵向长度不宜过短，具体数值，可以根据实际需求设计。

参见图3所示，第一进水头2采用收缩式扁管结构，使得第一进水头2自第一进水口21逐渐地缩小至与第一连接管4连接。具体地，在短轴方向上，第一进水头2背面上下两侧朝中部收缩，而在长轴方向上，朝第一连接管4所在方向收缩，同时，第一进水头2背面上部不与墩体1表面贴合，第一进水头2背面位于墩体1的迎流面垂向中心线靠近第一连接管4的这一部分与墩体1表面贴合。

为了获得较大出水流速抵冲来流流速，在一些优选的实施方式中，第一出水口31的横截面积小于第一进水口21的横截面积。

参见图4所示，在墩体1的外壁上，将墩体1的迎流面垂向中心线朝墩体1两侧分别移动，以得到两条边界线，墩体1的外壁位于两条边界线之间的部分形成水流阻挡区11，第一连接管4位于水流阻挡区11。

边界线的位置可以根据实际需要确定，比如，作为示例，边界线与墩体1的迎流面垂向中心线所夹的圆心角为45°。

当将连接管设置在墩体1两侧45°以内时，当剩余水流绕过墩体1经过此处时，受到连接管的阻挡，部分水流被截留在连接管处，在连接管处耗能，从某种程度也可以减小绕流水流强度，最大限度的减小影响冲刷的各种水流强度因素。

当连接管的数量不止一个时，如图1所示，墩前的若干连接管形成“回”字型的消涡系统，利用这个“回”字型的消涡系统，可以抑制墩侧形成加速水流，进一步地减小绕流水流强度，最大限度的减小影响冲刷的各种水流强度因素。

进水头、出水头以及相应的连接管的数量可以根据实际抗冲刷需要增加。

比如，作为一个示例，参见图1和图2所示，在一些优选的实施方式中，抗冲刷基础还包括第二进水头5、第二出水头6和第二连接管7，第二进水头5设于墩体1上，第二进水头5具有第三迎流面50，第三迎流面50上开设有第二进水口51；第二出水头6设于墩体1上，第二出水头6具有第四迎流面60，第四迎流面60上开设有第二出水口61；第二连接管7设于墩体1上，第二连接管7的两端分别连接第二进水头5和第二出水头6，并与第二进水口51和第二出水口61共同形成水流通道；第二进水头5位于第一出水头3和第二出水头6上方，且第一进水头2位于第二出水头6上方。

再比如，作为一个示例，参见图1和图2所示，抗冲刷基础还包括第三进水头8、第三出水头9和第三连接管10，第三进水头8设于墩体1上，第三进水头8具有第五迎流面80，第五迎流面80上开设有第三进水口81；第三出水头9设于墩体1上，第三出水头9具有第六迎流面90，第六迎流面90上开设有第三出水口91；第三连接管10设于墩体1上，第三连接管10的两端分别连接第三进水头8和第三出水头9，并与第三进水口81和第三出水口91共同形成水流通道；第三进水头8位于第一出水头3、第二出水头6和第三出水头9上方，且第二进水头5位于第三出水头9上方，第一进水头2位于第三出水头9上方。

第一进水头2、第二进水头5和第三进水头8，以及第一出水头3、第二出水头6和第三出水头9的形状和尺寸，可以各自独立地进行设计，但是从成本上考虑，其形状、尺寸可以全部相同，也可以只是形状相同，在尺寸上做区别，或者使进水头的尺寸和形状相同，出水头的尺寸和形状相同，但是进水头与出水头的形状相同、尺寸不同。

其他的进水头、出水头，包括相应的迎流面、进水口和出水口的形状、尺寸，都可以借鉴上述第一进水头2的相关形状以及尺寸参数进行确定，在此处就不赘述。

需要说明的是，出水头、进水头采用椭圆形时，如图1中所示，可以选择长轴水平、短轴竖直的方式布置，也可以选择长轴竖直、短轴水平的方式布置，在此不做严格限定。

很显然，为了更好地抵消来流水流，第一进水头2、第二进水头5和第三进水头8，以及第一出水头3、第二出水头6和第三出水头9成一字排列，位于墩体1的迎流面垂向中心线上，如图2中所示，虚线即为墩体1的迎流面垂向中心线。这样设计具有阻止墩前下潜水流发展的作用，起到减弱墩周漩涡强度的作用。

参见图1和图2所示，为防止进水口堵塞情况，第一进水头2、第二进水头5和第三进水头8自上而下依次布置，且第一进水头2与第二进水头5在墩体1轴向上的间距不小于第一预设值，第二进水头5与第三进水头8在墩体1轴向上的间距不小于第二预设值。其中，第一预设值和第二预设值的大小，依据实际情况确定，只要能够防止进水口堵塞即可。

总之，本申请结合射流理论、势流理论及冲刷机理，从减缓墩前来流水流或波浪强度、下潜水流强度及绕流水流强度出发，最大限度的减少墩前的冲刷深度，加之其设计相对较为简单，有着较好的经济效益和社会效益。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种抗冲刷基础，其特征在于，其包括：

墩体(1)；

设于所述墩体(1)上的第一进水头(2)，其具有第一迎流面(20)，所述第一迎流面(20)上开设有第一进水口(21)；

设于所述墩体(1)上的第一出水头(3)，其具有第二迎流面(30)，所述第二迎流面(30)上开设有第一出水口(31)；

设于所述墩体(1)上的第一连接管(4)，其两端分别连接第一进水头(2)和第一出水头(3)，并与第一进水口(21)和第一出水口(31)共同形成水流通道；

以及，所述第一进水头(2)位于第一出水头(3)上方。

2.如权利要求1所述的抗冲刷基础，其特征在于：

所述第一进水口(21)呈矩形、圆形或椭圆形。

3.如权利要求2所述的抗冲刷基础，其特征在于：

当所述第一进水口(21)呈椭圆形时，其长半轴a₂₀满足：

mR≤a₂₀＜nR-2d₄

其中，R为所述墩体(1)的半径，d₄为第一连接管(4)的直径。

4.如权利要求1所述的抗冲刷基础，其特征在于：

所述第一出水口(31)的横截面积小于所述第一进水口(21)的横截面积。

5.如权利要求1所述的抗冲刷基础，其特征在于：

在所述墩体(1)的外壁上，将所述墩体(1)的迎流面垂向中心线朝所述墩体(1)两侧移动，以得到两条边界线，所述墩体(1)的外壁位于两条边界线之间的部分形成水流阻挡区(11)，所述第一连接管(4)位于所述水流阻挡区(11)。

6.如权利要求5所述的抗冲刷基础，其特征在于：

所述边界线与所述墩体(1)的迎流面垂向中心线所夹的圆心角为45°。

7.如权利要求1所述的抗冲刷基础，其特征在于：

所述第一出水口(31)呈矩形、圆形或椭圆形；

和/或，所述第一迎流面(20)呈矩形、圆形或椭圆形；

和/或，所述第二迎流面(30)呈矩形、圆形或椭圆形。

8.如权利要求1所述的抗冲刷基础，其特征在于，所述抗冲刷基础还包括：

设于所述墩体(1)上的第二进水头(5)，其具有第三迎流面(50)，所述第三迎流面(50)上开设有第二进水口(51)；

设于所述墩体(1)上的第二出水头(6)，其具有第四迎流面(60)，所述第四迎流面(60)上开设有第二出水口(61)；

设于所述墩体(1)上的第二连接管(7)，其两端分别连接第二进水头(5)和第二出水头(6)，并与第二进水口(51)和第二出水口(61)共同形成水流通道；

以及，所述第二进水头(5)位于第一出水头(3)和第二出水头(6)上方，且所述第一进水头(2)位于第二出水头(6)上方。

9.如权利要求8所述的抗冲刷基础，其特征在于，所述抗冲刷基础还包括：

设于所述墩体(1)上的第三进水头(8)，其具有第五迎流面(80)，所述第五迎流面(80)上开设有第三进水口(81)；

设于所述墩体(1)上的第三出水头(9)，其具有第六迎流面(90)，所述第六迎流面(90)上开设有第三出水口(91)；

设于所述墩体(1)上的第三连接管(10)，其两端分别连接第三进水头(8)和第三出水头(9)，并与第三进水口(81)和第三出水口(91)共同形成水流通道；

以及，所述第三进水头(8)位于第一出水头(3)、第二出水头(6)和第三出水头(9)上方，且所述第二进水头(5)位于第三出水头(9)上方，所述第一进水头(2)位于第三出水头(9)上方。

10.如权利要求9所述的抗冲刷基础，其特征在于：

所述第一进水头(2)、第二进水头(5)和第三进水头(8)自上而下依次布置，且所述第一进水头(2)与第二进水头(5)在所述墩体(1)轴向上的间距不小于第一预设值，所述第二进水头(5)与第三进水头(8)在所述墩体(1)轴向上的间距不小于第二预设值。