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冲刷

/scour/
条目作者漆文刚

漆文刚

最后更新 2024-12-03
浏览 551
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水流或波浪作用下,河渠或海洋环境中的沉积物的运移,以及基础结构附近土体的流失或剥蚀现象。

英文名称
scour
所属学科
力学

按照发生机理的不同,可将冲刷分为如下三种类型:①一般冲刷。河渠或海床表面沉积物的自然运移过程,与是否存在结构无关。②断面缩窄冲刷。水中结构引起水流断面缩窄而导致的底床表面沉积物运移过程。③局部冲刷。由于基础结构扰流而引起的附近土体流失,其发生发展过程与结构物型式密切相关。

按照沉积物运动状态的不同,可将冲刷分为:①静床冲刷,又称清水冲刷。此时远离结构物的床面沉积物处于静止状态,而只有结构物周围的床面沉积物由于局部扰流而发生运动。②动床冲刷。远离结构物的底床表面沉积物在水流或波浪作用下也发生运动。

为了科学表征并准确判断床面条件处于静床或动床,一般可用希尔兹数来进行分析。希尔兹数定义为:

式中为床面摩阻流速;为重力加速度;为床面土颗粒的比重和粒径。希尔兹数反映了床面剪应力的大小,是作用在土颗粒上的拖曳力与土颗粒自重之比的表征。土颗粒开始发生运动时,对应的希尔兹数称为临界希尔兹数,用表示,它是土颗粒雷诺数的函数。当时为静床条件,时为动床条件。静床条件下,结构物周围的最大冲刷深度随希尔兹数的增加而显著增大;而对于动床条件,最大冲刷深度随希尔兹数的变化很小。静床与动床条件下结构物附近的局部冲刷发展过程存在显著差异。一般而言,静床条件下的局部冲刷深度增长相对缓慢,而动床条件下的局部冲刷深度随时间迅速增加,之后由于床面整体形态演化(如砂波)的影响而在平均值附近发生波动。

冲刷常常会对结构安全产生不利影响,导致基础结构失稳、堤岸倾覆、桥梁垮塌等一系列严重的工程事故。统计数据表明,河流中桥墩周围的冲刷是导致桥梁发生失稳破坏的最主要原因。在近年来方兴未艾的海洋风电工程以及海洋油气管道工程中,相关基础结构的设计已对结构物周围冲刷的影响有了充分的重视和系统的考量。对于工程设计而言,结构物周围的最大冲刷深度是一个关键的参量。基于量纲分析和大量的模型试验结果,针对不同的结构物型式,例如桩基础、海底管道、桥墩、防波堤等,已有众多的经验或半经验公式可用于最大冲刷深度的预测分析。工程上有多种防冲刷措施可用于结构周围土体的防护,根据防护原理的不同,一般可分为两类:一类是增加床面抵抗水流剪应力的能力,即在结构周围的床面上铺设各种防护材料(如抛石、防冲刷垫等),形成保护层从而抑制冲刷;另一类是减小桩周的水流剪应力,即在原有结构上设置各种型式的附属扰流结构(如导流片、螺纹线、结构开孔等),破坏结构原有的扰流流场,削弱水流对结构周围床面的侵蚀能力,从而弱化冲刷。

  • 钱宁,万兆惠.泥沙运动力学.北京:科学出版社,1983.

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