通过安装一种类似网状的促进淤积的垫子来修复单桩周围的冲刷坑问题

《Ocean Engineering》：Scour hole remediation around a monopile by installing a net-like siltation-promoting mat

　　

郭毅宏|于美新|张天航|于国亮|张敏熙

上海交通大学海洋与土木工程学院，中国上海200240

摘要

桩基周围的局部冲刷威胁着海上结构的稳定性。传统的护坡措施可以防止进一步的侵蚀，但通常无法促进沉积物自然填充到现有的冲刷坑中，因此修复能力有限。为了解决这一局限性，本研究提出了一种类似网状的促沉积垫（NSPM），该垫能够在减弱近床流体的同时促进沉积物在冲刷坑中的沉积。通过水槽实验评估了NSPM在单桩周围的修复效果，重点研究了安装深度、孔径大小、桩径和迁移床形的影响。结果显示，NSPM具有很强的促沉积能力，在最佳条件下填充率通常超过70%，甚至可达到80%以上。安装深度被确定为关键参数；当垫子安装在迁移床形的低洼处时，可以达到最佳效果。孔径大小控制了流速衰减和沉积物供给之间的平衡，最佳孔径大小是沉积物粒径d₉₅的9.0倍以下。开发了一个经验公式来预测平衡填充率，相对误差低于15%。这种NSPM为移动性沙质海床的护坡和冲刷坑修复提供了一种实用且经济有效的解决方案。

引言

在沿海、海洋和河流工程中，桩基支撑的水力和海上结构周围的局部冲刷始终是一个长期存在的严峻挑战（Zhang等人，2022年；Lu等人，2024年）。流体动力学、沉积物输送和结构几何形状之间的复杂相互作用会导致严重的床面侵蚀和桩基暴露，对桥梁、海上风力涡轮机和其他海洋设施的结构稳定性和使用寿命构成严重威胁（Melville和Coleman，2000年；Sumer和Fredse，2002年；Xiang等人，2019年；Lv等人，2021年）。尤其是在浅水到中等水深区域，单桩仍是海上风力涡轮机的主要基础类型（Zhao等人，2025年）。然而，单桩周围的局部冲刷可能非常严重。平衡冲刷深度通常超过1.5D，在接近沉积物运动阈值的条件下可能接近2.0–2.5D（Zhang等人，2022年；Wang等人，2024年）。因此，已经开发并实施了各种保护措施来确保结构完整性。

传统的护坡措施，如护岸石料（Richardson和Davis，1993年；Wang等人，2023年）、土工布层（Craswell和Akib，2020年）和其他床面防护装置（Liang等人，2022年；OuYang等人，2022年），主要用于增加局部抗侵蚀能力。虽然这些被动策略在抵抗进一步侵蚀方面有效，但它们往往需要大量材料，施工成本高昂，并且在动态沉积环境中需要频繁维护。更重要的是，它们只能防止进一步冲刷，而不能在冲刷坑形成后促进海床的自然恢复。

为了解决这些局限性，人们越来越关注通过改变流体动力学和沉积物管理策略来削弱涡流结构、重新引导沉积物输送或减少近床剪切应力（Unger和Hager，2007年；Zhang等人，2025年）。例如，使用了领套（Tang等人，2023年；Shahhosseini等人，2025a，2025b）、牺牲桩（Elngar等人，2024年；Zheng等人，2025年）、开槽单桩（Bestawy等人，2020年）、浮动幕布（Wang等人，2014年）和床面矮墙（Esmaeili Varaki等人，2022年；Javidi Vahdati等人，2024年）等主动措施。这些措施不仅保护了床面，还利用自然沉积物输送过程实现冲刷坑的自我修复。然而，许多方法仍存在实际限制：牺牲桩成本高昂；领套和平板可能引发次级边缘冲刷；而在强水流条件下，浮动装置可能无效。

近年来，柔性护坡系统，如格宾垫、填充岩石的Reno垫和可移动混凝土块垫受到了越来越多的关注。与刚性结构不同，这些柔性垫可以适应复杂的海床变形并有效贴合床面。它们通过物理隔离床面沉积物与桩诱导的涡流产生的高剪切应力来发挥作用。研究和工程应用已证明它们在保护水下管道和河岸免受侵蚀方面的有效性（Xie等人，2019年；Bhandari，2019年；Wei等人，2024年；Brocca等人，2025年）。然而，在将这些传统垫子应用于现有冲刷坑的修复时，存在一个主要限制。传统的垫子通常填充有石头、砾石或混凝土块以确保稳定性和重量。这种密集的填充物形成了几乎不透水的屏障，阻止悬浮沉积物和床面负载沉积物通过垫子。因此，尽管这些系统可以阻止进一步冲刷的发展，但其低渗透性阻碍了悬浮沉积物和床面负载沉积物进入冲刷坑，从而阻碍了回填。因此，有效修复现有冲刷坑不仅需要防止进一步侵蚀，还需要促进沉积物流入和沉积在冲刷坑中，以促进形态恢复。

本研究在保留柔性适应性的同时，克服了传统填充石头垫的“不透水”缺点，提出了一种类似网状的促沉积垫（NSPM），如图1所示。与传统作为不透水防护层的柔性垫不同，NSPM是一种轻质且透水的结构，旨在减弱冲刷坑内的流速，增强沉积物沉积，并促进现有冲刷坑的自然恢复。数值模拟（Zhang等人，2025年）表明，NSPM显著降低了冲刷坑内的流速和湍流强度，从而减少了沉积物输运能力并促进了自然填充。因此，NSPM提供了两个互补的优点：（i）减轻进一步冲刷；（ii）通过沉积物沉积加速冲刷坑的修复。Jia等人（2023年）实验研究了一种类似的“蜂窝结构”，发现其将最大侵蚀深度减少了约26–27%。然而，垫子几何形状对修复过程的具体影响仍需进一步量化。

本研究的目的是定量评估NSPM在单桩基础上的冲刷坑修复效果。尽管NSPM在提前安装时也可以提供一定程度的预防保护，但本研究主要关注其在冲刷坑修复中的作用。为此，进行了一系列水槽实验，研究了安装深度、孔径大小和桩径对NSPM促沉积效果的影响。特别关注了迁移床形的影响，因为它们显著影响NSPM的稳定性和性能。最后，开发了一个经验公式来估算在不同流速和几何条件下的NSPM沉积填充率。研究结果为NSPM作为有效、经济且具有韧性的护坡和修复工具提供了实用的设计指南。

部分摘录

屏蔽系数的理论分析

将类似网状的促沉积垫（NSPM）安装到局部冲刷坑中，通过降低垫子下的流速和湍流来改变近床流动结构。这种流体动力学的衰减减少了床面剪切应力，促进了沉积物的逐步沉积。为了量化这一效应，定义了一个无量纲屏蔽系数ξ，用来表征流速衰减程度和垫子下的平衡冲刷深度：$\xi =h_r/h_0\text{,}$' role="presentation">$\xi =h_r/h_0\text{,}$

结果与分析

共进行了48次水槽实验，系统研究了NSPM安装深度、孔径大小、桩径、流速强度和床形迁移对NSPM沉积填充性能的影响。测试条件和结果总结在附录的表A.1中。

讨论

presente实验表明，所提出的类似网状的促沉积垫（NSPM）是一种有效的方法，可以减少单桩基础周围的局部冲刷并促进沉积物自然填充。与传统主要旨在防止进一步侵蚀的护坡措施不同，NSPM旨在减弱现有冲刷坑内的近床流速，同时允许沉积物通过孔径进行交换。因此，这些结果提供了有用的启示。

结论

本研究开发并实验测试了一种类似网状的促沉积垫（NSPM），旨在减少单桩周围的局部冲刷并促进沉积物填充。主要研究结果总结如下。

NSPM显著减少了冲刷坑内的近床流速，从而降低了沉积物输送能力并促进了自然沉积。在测试的活床条件下，沉积填充率通常

CRediT作者贡献声明

郭毅宏：撰写 – 原稿撰写，可视化，研究。于美新：研究，正式分析。张天航：验证，研究。于国亮：资源获取，项目管理，资金筹集，概念化。张敏熙：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原稿撰写，监督，数据管理，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（批准号：52171268）的支持。