海上测风塔基础设计：冲刷类型及判定

结构物附近海床的冲刷根据不同的分类标准可以划分为不同类型。根据冲刷环境和海床条件可分为清水冲刷和浊水冲刷，根据冲坑类型和范围可分为局部冲刷和整体冲刷，根据结构物尺度和波浪要素可分为小尺度结构物冲刷和大尺度结构物冲刷。海上测风塔基础结构物杆件尺寸较小，当采用桩基型式时均属于小尺度结构物冲刷范畴。

在清水冲刷中，远离结构物的海床土颗粒不产生运移，当冲坑达到平衡深度后冲坑处于静态平衡中，此时水流无法再达到使土颗粒悬浮并被搬移的能力。在浊水冲刷中，整个结构物临近范围内仍然存在土颗粒的不断运移，冲坑达到的平衡深度仅仅处于动态平衡中，也即冲坑中被搬运走的土颗粒等于被水流从外围区域运至坑中并沉积的土颗粒[3]。

在进行冲刷分析或计算时，首先需要判定冲刷类型是清水冲刷还是浊水冲刷，因为冲坑深度与时间的关系，冲坑深度与水质点速度的关系等均与该冲刷类型密切相关。冲刷类型属于清水冲刷还是浊水冲刷应通过希尔兹参数（Shields Parameter）θ来判定，判定标准为

式中 θcr——临界希尔兹参数。

式（8-4）中希尔兹参数θ计算为

式中 Uf——结构物设置前海床水质点的最大剪切流速（注意不是质点流速）；

g——重力加速度；

s——土颗粒的比重；(www.xing528.com)

d——土颗粒粒径；

ρ——海水密度。

临界希尔兹参数θcr是海床土颗粒雷诺数Red的函数，雷诺数Red的计算为

式中 ν——运动黏滞系数。

Yalin&Karahan（1979）对各种土体和环境下的临界希尔兹参数θcr取值进行了大量试验[4]，鉴于通常情况下雷诺数Red＞10，工程应用中临界希尔兹参数可取θcr=0.05～0.06。

在清水冲刷情况下，冲坑深度随着希尔兹参数θ的变化非常明显。当希尔兹参数θ非常小时，冲坑深度基本为零，此时考虑冲刷放大效应的海床剪应力仍然很小，不足以产生土颗粒的运移。随着希尔兹参数θ的增大，冲坑深度急剧增大，当希尔兹参数θ＞θcr时，即达到了浊水冲刷状态，冲坑深度随希尔兹参数θ的增大变化趋于缓和。因为希尔兹参数θ与土颗粒的搬运能力密切相关，在浊水冲刷状态下冲坑内外土颗粒同时被运移而出现动态运移过程，坑内土颗粒虽然被带走，但坑外的土颗粒会不断沉积到坑内予以补偿，进而使得冲坑深度的变化趋缓。