螺旋桨洗流间歇冲刷的试验研究
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摘 要：随着船舶上的使用高功率发动机以及船舶机动性能的提高，螺旋桨洗流在实体式建筑物周围的冲刷正逐渐成为冲刷研究的重要内容之一。自行研发设计了一体化试验设备，利用该设备进行螺旋桨洗流对重力式码头海床间歇性冲刷试验研究，模拟不同工况下螺旋桨间歇性冲刷对冲刷深度的变化情况并与连续冲刷进行对比。试验结果表明：相比于连续冲刷，间歇冲刷会加深冲刷坑的深度。
关键词：螺旋桨洗流；间歇冲刷；模型比尺
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.024
0 引言
近年来在船舶上大规模的使用高功率发动机以及船舶机动性能的提高，螺旋桨洗流在实体式建筑物周围的冲刷直接影响结构物基础的稳定性。在螺旋桨洗流作用下，水体对重力式码头长期进行连续及间歇冲刷，造成码头海床稳定性降低，建筑物的基础一旦因冲刷失稳或码头面被冲刷淘空，不仅造成结构物本身的破坏，而且会威胁建筑物后方堆场上生命财产的安全，由此带来经济上的巨大损失。
陈民杰（2006）[1]采用模型比尺方法进行模型试验，并发现了最大冲刷坑的类型及其影响因素。Romisch 1975[2]、Verhey 1987、Hamill 1988对螺旋桨洗流冲刷特征的影响因素进行了研究，在工程实际中考虑到船舶停泊或起锚的随机性，螺旋桨洗流对海床造成的冲刷不可能一次性的连续完成，而是间歇的或不连续的逐渐达到累积的平衡冲刷状态。因此，有必要进行螺旋桨洗流间歇冲刷的试验研究。
本文拟通过物理试验方法进行不同工况下的螺旋桨冲刷试验，在物理试验的基础上再利用软件对冲刷情况进行模拟，研究间歇性冲刷与连续冲刷的异同及不同时间间隔对间歇冲刷最大冲刷深度的影响。
1 试验设备
试验在水力学实验室的水箱中进行，实验装置移动支架，水箱由试验系统、动力系统和测试系统组成。试验系统由水箱和排水管道组成，水箱的长、宽和高分别为2m、1.2m和1.2m，水箱的壁面采用钢化玻璃制作，以便观察试验现象，水箱的前端壁面拟定为重力式码头。
动力系统由移动支架和螺旋桨轴承固定系统组成。在水箱长轴方向的光杆轨道上，设置支架的目的一方面是用于搭载螺旋桨轴承固定系统，另一方面支架可带动螺旋桨沿水箱的长轴方向和竖直方向移动以便控制螺旋桨距离码头壁面的水平距离和距离海床面的高度。该系统由电机、轴承和变频器组成，变频器与电机相连，电机与轴承相连，轴承的前端固定有螺旋桨。分别为三相异步电机和变频器。电机输出功率为0.75kw，最大转速可达到2800rpm。与电机相匹配的变频器可控制电机的转速。
测试系统由轨道以及轨道上搭载的量测设备组成。沿水箱的两个长边方向各安装一根长度为2.3m的滚珠丝杆轨道，沿短边方向和竖直方向分别安装长度为1.4m和1.2m的滚珠丝杆轨道。竖直方向的轨道用以搭载流速仪和探头，搭载流速仪的轨道可上下移动。短边方向的轨道一方面用于搭载竖直方向的轨道和地形测量仪，另一方面可控制竖直方向的轨道以及地形测量仪沿短边方向移动。长边方向的轨道一方面用于搭载短边方向的轨道，另一方面可控制短边方向的轨道沿长边方向移动。控制轨道移动设备包括步进电机、驱动器和控制器，量测设备三维地形测量系统。三维地形测量系统用以获取海床地形图。
该系统由URI―Ⅲ型地形仪、轨道控制器、轨道、系统计算机四部分组成。系统联合运用超声和阻抗测量技术、计算机控制技术，实现二维全断面地形和三维多断面地形连续全自动快速扫描测量与成像、三维立体图的精确重建。
试验中重点对模型及水流的相似性进行研究，并得出冲刷规律，暂不考虑泥沙起动、沉降等相似条件。重力式码头的粗糙率相对于螺旋桨洗流对海床冲刷的影响较小，所以试验中采用玻璃板进行模拟，粗糙度对冲刷试验的影响忽略不计。
2 冲刷试验
定义：某一个螺旋桨在位于海床面某一高度处、距离水箱壁面某一位置处，在事先设定好的某一个转速下开始运转，运转的螺旋桨在水中产生洗流，洗流遇到壁面时产生反射，反射的水流冲击壁面前方的海床面从而引发冲刷，螺旋桨一直运转下去直到形成稳定的冲刷坑为止，这个冲刷过程称为连续冲刷。
间歇冲刷过程将连续冲刷的18分钟等分，单次冲刷的时间长度设定为2/3min、分别冲刷9/6次，其他过程与连续冲刷保持一致。
（1）在水箱底部铺设280mm厚的土样。先把干土放入水箱中，用铁铲翻搅使土样均匀，然后往土样中放入水，边放水边搅拌直至土孔隙中的气体排出。
（2）往水箱中注入850mm高度的水。在水压的作用下使土样固结2天。
（3）固定螺旋桨。将螺旋桨放置在桨叶底部边缘距离海床面高度C=150mm、距离水箱A壁面的距离分别取500mm、900mm和1200mm。
（4）设定螺旋桨转速。通过设定变频器将螺旋桨转速设定为700rpm，让螺旋桨运转，直到壁面A前面的冲刷坑稳定为止。
在开启螺旋桨的瞬间，紧邻码头面底部的砂土表面发生较为明显的淘刷现象，海床面逐渐形成明显的凹陷与凸起，随着时间的推移，当冲刷进行到18分钟时不再加深并发展为稳定的冲刷坑。
3 结论
（1）通过预设的不同工况下进行的试验得出：螺旋桨到码头面距离越小，最大冲刷量越大，相比于连续冲刷，间歇冲刷会加重冲刷深度的发展。
（2）在总冲刷时间一定的情况下，时间间隔越小，总冲刷次数越多，冲刷量越大且远离连续冲刷的最大冲刷量，相反，时间间隔越大，总冲刷次数变少，冲刷量减小且接近连续冲刷的最大冲刷量。
（3）相比于连续冲刷，间歇冲刷在未冲刷的时间间隔内，由于土体上覆有效应力降低，从而使土体密实度降低，从超固结土（Pc/Po>1）变为正常固结土或欠固结土（Pc/Po≤1），从而加重冲刷的形成。
参考文献：
[1]陈民杰.货柜船舶螺桨引致码头岸壁淘刷与附近流场探讨[D].台北：台湾海洋大学，2006.
[2]Fuehrer M. and Romisch K. Effects of modern ship traffic on islands and ocean waterways and their structures[C].
作者简介：韩定均（1991-），男，河北邢台人，在读硕士，研究方向：港口海岸及近海结构、岩土工程。
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