流动强度和振动-流动对齐角度对振动单桩周围护坡材料保护效果的影响：一项实验研究

《Ocean Engineering》：Effects of flow intensity and vibration–flow alignment angle on riprap protection around a vibrating monopile: An experimental study

研究通过物理模型实验，探讨不同水流强度和振动-水流方向夹角下 riprap 保护结构的稳定性及冲刷发展规律，发现水流强度直接影响冲刷深度，振动-水流夹角对冲刷指标的影响程度不同，动态扩大阻隔面积是主导冲刷深度的关键因素，并基于实验数据提出预测多个冲刷指标的工程经验方程。

　　

唐子豪|布鲁斯·W·梅尔维尔|阿萨德·Y·沙姆塞尔丁|关大伟

新西兰奥克兰大学土木与环境工程系

摘要

护岸石是保护海上风力涡轮机单桩基础免受局部冲刷最广泛采用的方法之一。然而，其在单桩振动作用下的性能尚未得到充分理解。本研究通过一系列物理模型实验，研究了在三种流速强度和单桩振动与稳定水流之间三种对齐角度下护岸石的稳定性及冲刷发展情况。结果表明，流速强度对冲刷有直接影响，流速越大，冲刷深度越深。相比之下，振动与水流的对齐角度对不同冲刷指标的影响程度不同。特别是，动态扩大的阻塞面积在控制冲刷深度方面起着主导作用。基于实验数据，提出了用于预测多种冲刷指标的经验公式。这些公式在工程应用中表现出可接受的准确性，并为设计振动单桩基础周围的护岸石保护提供了实用指导。这些发现有助于提高海上风能基础设施冲刷防护策略的可靠性。

引言

海上风能是目前最受欢迎的可再生能源之一。然而，单桩基础周围的局部冲刷仍然是影响海上风电场稳定性和安全性的一个挑战。已经创建并测试了多种冲刷防护措施（Chambel等人，2024年）。在所有冲刷减少方法中，护岸石保护是目前实际应用中最广泛使用的方法之一（Najafzadeh等人，2018年；Najafzadeh和Oliveto，2020年）。然而，护岸石保护的失效及其相关的维护成本限制了其整体效果。为了实现稳定的护岸石保护，研究护岸石保护的失效机制变得至关重要。

Chiew（1995年）研究了单桩周围的护岸石保护，并提出了仅在水流作用下的护岸石失效机制，将护岸石失效分为剪切失效、边缘失效和筛选失效。Petersen等人（2015年）通过实验研究了波浪和水流作用下单桩基础护岸石的边缘冲刷，发现水流是决定最大冲刷深度的关键因素。Nielsen等人（2015年）研究了筛选作用引起的护岸石沉降，他们的研究表明，护岸石层的沉降是由于沉积物未能及时填充到护岸石颗粒之间的空隙中造成的。Nielsen和Petersen（2019年）通过实验研究了波浪和水流作用下的护岸石剪切失效，发现护岸石剪切失效主要是由马蹄形涡流和尾流涡流引起的。同时，水深与桩尺寸的比例以及石块大小与桩尺寸的比例对护岸石的运动至关重要。Lauchlan和Melville（2001年）以及Chiew（2004年）将护岸石失效的研究扩展到了活床和床面退化情景，指出床面破坏和床面退化都是护岸石失效的重要原因。De Vos等人（2011年、2012年）使用静态和动态方法测试了波浪作用下的护岸石保护，其中动态方法允许护岸石颗粒因波浪剪切而部分移动。基于此，Fazeres-Ferradosa等人（2020年）使用了一种扩展方法进行护岸石损伤分析。Wu等人（2022年）研究了尺度效应对护岸石稳定性的影响，发现大规模和小规模实验产生了相似的结果，尽管小规模测试结果往往更为保守。使用级配良好的材料进行护岸石保护已被证明比使用级配狭窄的材料具有更好的稳定性（Schendel等人，2016年、2018年）。此外，通常使用双层护岸石系统来增强保护稳定性。该系统由底部的细粒护岸石层和顶部的粗粒护岸石层组成（Esteban等人，2019年；Tang等人，2022年；Deltares，2023年）。

根据现有文献，波浪和水流产生的流体动力作用通常被认为是护岸石运动和失效的主要因素。然而，海上区域的复杂动态条件为单桩基础周围的护岸石保护带来了额外的安全挑战。特别是，由风、波浪和移动叶片共同作用引起的单桩结构的横向振动非常显著。然而，关于横向振动对单桩基础冲刷保护影响的研究仍然不足。Cuéllar等人（2009年、2012年）通过实验揭示了振动单桩基础周围沉积物的沉降和对流运动。Al-Hammadi和Simons（2016年、2020年）研究了单桩振动对局部冲刷过程的影响。他们的实验数据表明，单桩振动条件下的平衡冲刷深度低于非振动条件。此外，他们的研究还调查了有无振动的情况，发现间歇性振动的存在会导致冲刷深度增加。Guan等人（2019年）通过实验研究了振动单桩周围的局部冲刷深度，发现即使在没有水流的情况下，单桩基础周围也会形成沉积物沉降孔。平衡冲刷深度的减少归因于振动引起的沉积物密实化。Yao等人（2022年）对振动桩周围的沉积物回填进行了实验测试，发现粗粒沉积物倾向于停留在对流区的上层，而细粒沉积物更可能被纳入沙流中。Yao等人（2025b）进行了沙箱实验，以研究振动桩结构周围分层沙床的颗粒分离特性。结果表明，颗粒大小和振动条件都可能影响沉积物分离。Wang等人（2025年）的三维实验表明，振动幅度是影响沙子变形的主要参数。Najafzadeh等人（2025年）采用机器学习方法对单桩基础上的护岸石保护进行了损伤评估，结果表明机器学习技术可以显著提高预测准确性。

Tang等人（2023b）对单桩振动对护岸石保护的影响进行了初步研究，并提出了一种新的失效机制，称为振动引起的沉降失效。实验中采用了与水流方向一致的连续振动，表明振动幅度显著影响平衡冲刷深度，而振动频率影响冲刷的时间演变。然而，现有实验中采用的始终对齐的振动和稳定水流方向并不能完全反映真实的海洋条件，可能会影响观察到的冲刷深度和护岸石失效机制。实际上，单桩振动是由风、波浪和叶片旋转的共同作用引起的，而海洋环境中的风和波浪方向并不一定与周围稳定水流对齐。因此，单桩振动方向和稳定水流方向之间可能存在角度差异，如图1所示。此外，来流速度的变化也可能影响振动单桩周围护岸石层的性能。

因此，本研究在多种流速强度和振动-水流对齐角度下进行了实验，以更好地理解流速强度和单桩振动对护岸石保护和局部冲刷的影响。本研究扩展了Tang等人（2023b）关于振动单桩基础护岸石保护的研究结果，特别考虑了稳定水流和单桩振动不对齐的情况，从而更真实地反映了实际海洋条件下的护岸石性能。

本文的其余部分组织如下：第2节描述了实验设置和方法论。第3节展示了不同振动条件下的护岸石保护结果，并介绍了新的经验公式用于关键冲刷指标。第4节讨论了潜在机制，概述了研究的局限性，并为未来的研究提供了建议。最后，第5节总结了主要发现。

实验设置和单桩振动相似性关系

实验在奥克兰大学的流体力学实验室进行，使用的是循环水沙槽。沙槽宽1.5米，长45米，两侧有玻璃墙。如图2(a)所示，沙槽在水和沙入口下游25米处设有一个沉积物凹陷区，使得测试段的沉积物深度可达1米。本研究使用了摄影测量技术生成了床面地形的数字高程图。

实验结果

如图3所示，边缘冲刷深度（S_g）定义为护岸石层上游边缘周围的冲刷深度，这对评估护岸石保护的稳定性至关重要。沉降深度（S_e）是指护岸石保护围绕单桩边缘的变形距离，例如，护岸石初始顶面与平衡深度之间的变化距离。而最大下游冲刷深度（S_d）表示在护岸石层下游检测到的冲刷深度。

讨论

根据现有结果，增加振动-水流对齐角度可能会导致振动单桩周围护岸石的沉降深度增加。一个可能的解释是，当横向振动与来流方向成一定角度时，单桩会动态改变有效阻塞面积，从而改变水流引起的侵蚀和护岸石沉降。如图16所示，当水流和振动方向垂直时，阻塞面积达到最大。

结论

护岸石保护被广泛用于减轻局部冲刷。然而，单桩振动引入了护岸石失效的额外风险，并改变了局部冲刷机制。本研究通过物理实验研究了流速强度和振动-水流对齐角度对振动单桩周围护岸石保护下冲刷发展的影响。本研究的主要结论如下：

1)

在清水条件下，水流的影响

CRediT作者贡献声明

唐子豪：撰写——原始草稿，可视化，验证，方法论，调查，数据整理，概念化。布鲁斯·W·梅尔维尔：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，概念化。阿萨德·Y·沙姆塞尔丁：撰写——审稿与编辑，监督，概念化。关大伟：撰写——审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52571288）的支持。第一作者感谢奥克兰大学的技术人员和本科生在实验室中的协助。