如果在海底插一根桩或者棍子，它的冲刷范围和深度如何？

Posted 2022-01-07 xiaokcehui

有感于昨天在多波束上看到钻孔比实际的范围大很多，

一般海底钻孔，要下从海面到海底的套管，套管的直径为十几厘米，但是从上图中可以看出，套管形成了2m*1m的大坑。

那么，在海底插上一根管子或棍子，到底会形成一个多大和多深的坑呢？

开始在百度上搜索这个问题，一无所获，甚至相关的内容几乎没有，难道这个问题没有人研究吗？

然后在知网上搜索了一下，终于知道这个问题的学名叫局部冲刷。如果遇到一个问题，在百度搜索不到相关内容，很有可能是没有找到门。

1、下面重点介绍一下刘珊等《单向流作用下粘土中单桩基础冲刷试验研究》这篇文章

摘要：我国东南海域广泛分布粘土海床，本文针对单向流作用下粘土海床中单桩基础的局部冲刷问题，开展了五组不同水深和流速的室内水槽试验，并通过在模型桩内布设摄像头，实时监测捕捉桩周冲刷深度随时间的变化特征，分析粘土中单桩局部冲刷发展规律。研究发现：粘土冲刷的稳定时间与砂土冲刷相类似，冲刷坑的形状发展也较为相似，但是粘土海床冲刷坑的底部边界相对粗糙，这主要是由于粘土黏聚力所致；随着桩前入射流速的逐渐增加，桩周最大冲刷点的位置呈现出从桩侧向桩后发展的趋势；当水深和入射流速较大时，水流除了在桩周形成大范围的冲刷浅坑之外，还会在桩后1D 处形成直径大约为1D 的冲刷深坑。冲刷深坑的边界会延伸到单桩桩周，致使部分埋置桩身暴露，这很可能导致桩基承载力出现降低。

在海洋动力环境中，桩基础的局部冲刷问题严重威胁着海洋结构物的稳定与安全。桩体结构的存在阻碍并改变了原有的流场条件，水流不断冲击桩体表面，形成桩前下降水流、桩侧马蹄涡和后方尾涡。当海床表面土体无法抵抗水流作用在其上的切应力和吸应力时，土体颗粒将会被带起处于悬浮状态，而桩侧流线收缩和桩后尾涡的不断发放将土体颗粒快速带走，如图1 所示。随着桩周冲刷坑深度增加，由于遮蔽效应，冲刷坑底部流速大幅减小，当流速不足以使土体颗粒起动时，冲刷坑停止发展，即局部冲刷达到稳定。

这篇文章做一个很有意思的试验，试验所用模型桩为底部密封的圆筒形有机透明玻璃管，管长1.3m，壁厚5mm，外径D 为11cm。

（1）工况1：水深30cm，流速0.38m/s

（2）工况2：水深30cm，流速0.48m/s

（3）工况3：水深50cm，流速0.38m/s

（4）工况4：水深50cm，流速0.48m/s

（5）工况5：水深50cm，流速0.58m/s

本文针对单向流作用下粘土中单桩基础的局部冲刷问题，在透明模型桩内安装摄像头来实时监测桩周冲刷深度变化，进行了五组不同水深、不同流速下的试验，获得了桩周的最大冲刷深度、最小冲刷深度和平均冲刷深度和方位角随时间的变化，主要得到了以下结论：
（1）冲刷流速达到粘土起动流速后，桩周土体在马蹄涡和尾涡作用下迅速被卷起，桩周在较短时间内形成冲刷坑，冲刷坑减小了下冲水流的强度，使得后期冲刷速度降低，整体冲刷稳定时间与砂土类似。
（2）当水深确定时，随着流速的增加，最大冲刷点有从桩侧向桩后发展的趋势。
（3）当入射流速未达到粘土的起动流速时，桩后尾涡仅带走底床表面的软弱土体，形成斑驳的冲坑。当尾涡流速超过起动流速后，尾涡在桩体正后方后约1D 处形成了直径约1D 的深坑。
（4）流速越快，水深越大，涡流的强度越大，对单桩基础周围粘土的冲刷影响范围和深度也越大。

2、扩展阅读

翁博文等《单向流及往复流作用下桩基局部冲刷研究》
       摘要：局部冲刷是导致桥梁水毁的主要原因,研究桥梁桩基在单向流及往复流作用下局部冲刷特征具有重要意义。本文将通用数值模拟方法的结果与Melville经典冲刷试验的结果进行了比较,以验证该方法的有效性。基于实测数据和有效的数值模拟方法,建立了一座实桥的群桩模型,对单向流和潮流作用下桩周流场和冲刷特性进行了对比分析。研究发现:（1）单向流条件下冲刷坑表现出前冲后淤,往复流作用下冲刷坑的前后区域均表现出冲刷,且冲刷坑的范围大于单向流。（2）往复流条件下最大冲刷深度较单向流缩减了20%～30%。 

    王兆耀等《波流作用下大直径单桩的局部冲刷特征分析》
    摘要：局部冲刷是水利和海洋工程中常见的现象,波流耦合和桩径效应使得这一问题更加复杂。为了进一步研究波流作用下大直径单桩的局部冲刷特征,在CFD软件FLOW3D中建立波浪水槽的数值模型,并设计物理模型试验,通过对比局部冲刷的时空特征,验证了数值模拟的准确性。基于某海上风电场桩基工程,采用随机波描述波浪运动,大涡模拟计算湍流运动,分析了波流耦合作用下大直径单桩的局部冲刷特征。结果表明:局部冲刷的空间发展可以分为纵向切蚀、横向扩展和基本稳定3个阶段。最大冲刷深度出现在桩前,为4.9m,约为0.9倍的桩径。相对应地,局部冲刷的时间发展同样为3个阶段,即快速增长、缓慢增加和冲淤平衡。在20 h后,最大冲刷深度基本不变,冲刷达到稳定状态。

3、小结

（1）单向强流做作用下，会在桩后形成一个1D的深坑；

（2）双向流作用下，会在桩前和桩后形成一个70%-80%D的深坑；

（3）局部冲刷在20h，最大冲刷深度基本不变，冲刷达到稳定状态。