考虑暴露高度和波流条件的筒基冲刷试验研究

doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2024.11.016

考虑暴露高度和波流条件的筒基冲刷试验研究

岳鹏^,, 何奔, 李雨杰, 朱永强, 徐强^,, 国振

1. 浙江大学海洋学院，浙江舟山 316021

2. 浙江大学海南研究院，海南三亚 572025

3. 浙江省深远海风电技术研究重点实验室，浙江杭州 310058

4. 浙江大学建筑工程学院，浙江杭州 310058

5. 浙江大学海洋研究院，浙江舟山 316021

Experimental investigation on local scour of bucket foundation considering exposed height and hydraulic condition

YUE Peng^,, HE Ben, LI Yujie, ZHU Yongqiang, XU Qiang^,, GUO Zhen

1. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China

2. Hainan Institute, Zhejiang University, Sanya 572025, China

3. Key Laboratory of Far-shore Wind Power Technology of Zhejiang Province, Hangzhou 310058, China

4. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

5. Ocean Academy, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China

通讯作者: 徐强，男，副研究员. orcid.org/0000-0001-6075-2333. E-mail: 05clkxxq@zju.edu.cn

收稿日期: 2023-09-1

基金资助:

国家自然科学基金资助项目（52238008）；浙江省自然杰出青年项目（LR22E080005）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(226-2023-00090).

Received: 2023-09-1

Fund supported:

国家自然科学基金资助项目（52238008）；浙江省自然杰出青年项目（LR22E080005）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(226-2023-00090).

作者简介 About authors

岳鹏（2000—），男，硕士生，从事海工基础局部冲刷与海洋岩土材料的研究.orcid.org/0009-0001-1952-7764.E-mail：yuepeng@zju.edu.cn , E-mail：yuepeng@zju.edu.cn

摘要

针对吸力式筒型基础负压沉贯过程中到位率低、筒顶暴露突出海床，基础易出现局部冲刷的问题，开展大断面波流水槽局部冲刷试验，研究不同暴露高度和波流条件下筒型基础的局部冲刷发展过程、最终冲刷形态及深度、冲刷平衡时间等特征规律. 研究结果表明，纯流条件下，筒基周围冲淤沿来流方向对称分布，前后冲刷坑不贯通，最大冲刷深度往往出现在筒前. 当暴露高度与筒径的比值为0.1，流速为0.3 m/s时，最大冲刷深度可达基础埋深的1/3. 波流耦合作用时，掀砂能力增强，筒基周围出现砂纹地形，冲淤仍对称分布，最大冲刷坑深度达到冲淤平衡后会出现规律性波动. 最大冲刷深度和极限冲刷平衡时间随着筒型基础暴露高度的增大而增加，提出考虑暴露高度的筒基极限冲刷平衡时间计算公式.

关键词： 吸力筒基础 ; 局部冲刷 ; 波流耦合 ; 暴露高度 ; 冲刷特征 ; 冲刷平衡时间

Abstract

Wave-current flume experiments were conducted to analyze the scour temporal evolution, scour hole pattern, scour depth, and equilibrium scour time of the bucket foundation under various conditions, including different exposed heights and hydraulic conditions aiming at the low placement rate of the suction-bucket foundation, the issue of prominent seabed exposed bucket roof during suction penetration and the foundation’s susceptibility to local scouring. Results showed that the scouring phenomenon was symmetrically distributed along the flow direction under current-only conditions. The front and back of the foundation remained unaffected by penetration. The maximum scour depth occured in front of the foundation. The maximum scour depth reached one-third of the foundation burial depth when the ratio of exposed height to cylinder diameter was 0.1 and the flow velocity was 0.3 m/s. The sand lifting capacity was enhanced, leading to the formation of sand ripple terrain around the bucket foundation when combined waves and currents were present. The scouring and deposition remained symmetrically distributed despite these changes. The maximum scour pit depth exhibited regular fluctuations after reaching equilibrium. Both the maximum scour depth and the ultimate equilibrium scour time increased with increasing exposed height. A calculation formula for determining the ultimate scour equilibrium time applicable to different exposed heights was proposed.

Keywords： suction bucket foundation ; local scour ; combined wave and current ; exposed height ; scour characteristic ; equilibrium scour time

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本文引用格式

岳鹏, 何奔, 李雨杰, 朱永强, 徐强, 国振. 考虑暴露高度和波流条件的筒基冲刷试验研究. 浙江大学学报(工学版)[J], 2024, 58(11): 2347-2354 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2024.11.016

YUE Peng, HE Ben, LI Yujie, ZHU Yongqiang, XU Qiang, GUO Zhen. Experimental investigation on local scour of bucket foundation considering exposed height and hydraulic condition. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2024, 58(11): 2347-2354 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2024.11.016

吸力式筒型基础是大型薄壁壳体结构海上风机的基础型式，具有施工便捷、经济性好、抗倾覆承载力高和可回收重复使用等优点. 筒基础的现场安装主要包括自重贯入和负压沉贯2个过程，其中负压沉贯是实现筒基础沉贯到设计深度的重要步骤. 在负压沉贯过程中，筒内负压过大可能导致内部土体渗流扰动、土塞过度隆起的现象，导致吸力筒无法沉贯到设计深度，使得筒顶暴露突出于海床面^[1-3]. 吸力筒未沉贯到位的现象最早报道于1980年的Gorm油田吸力锚基础安装工程，得到了工业界和学术界的普遍关注^[4]. 吸力筒沉贯未到位除了影响其承载力之外，更重要的是突出于海床的筒体将扰动海底流场，产生局部冲刷现象.

目前，针对筒基础的冲刷特性研究相对较少且不完善. 王胜永^[5]定性地分析对比波流对筒基础和桩基础的冲刷特点，提出新的防冲刷措施，防止筒周土壤的冲刷. 于通顺等^[6-7]研究纯流和波流耦合下新型宽浅式复合筒基础的冲刷发展过程、冲刷坑形态及最大冲刷深度等特性，在0.5 m水深、0.3 m/s水流下最大冲刷深度达到0.2倍筒径. Stroescu等^[8-9]认为波流耦合作用下正常贯入到位的筒基最大冲刷深度小于桩基的最大冲刷深度，但未分析冲刷发展过程、极限冲刷平衡时间的特征. 周松望^[10]考虑筒基土塞的存在，研究波浪作用下筒基周围土体的响应特征，但未深入分析冲刷特征. 刘茜茜等^[11]设定固定的暴露高度，研究不同波高下筒基的冲刷特征. Lian等^[12]对纯流作用下不同暴露高度的三筒导管架基础局部冲刷形态和冲刷深度进行数值模拟，最大冲刷深度位置出现在筒侧. 任灏等^[13]研究3种埋置深度的三筒导管架基础的冲刷深度和冲淤形态，试验结果表明，波流作用下的最大冲刷深度大于纯流和纯波浪情况；波流作用下最大冲刷深度出现在筒前及两侧，筒后轻微淤积，形态呈三角形，出土筒身相较于全埋筒基础周边的冲刷特征更显著. 目前，关于筒型基础冲刷的研究尚有以下不足. 1）对存在施工土塞影响的筒基局部冲刷研究较少，且结论矛盾. 2）对于考虑暴露高度和波流作用的筒型基础极限冲刷平衡时间的特征尚不清楚.

本文开展大断面波流水槽的试验研究，针对吸力筒不同暴露高度、波流条件这些因素的影响，研究局部冲刷形态、冲刷深度及冲刷平衡时间的特征规律，提出考虑暴露高度的筒基础局部冲刷深度和平衡时间的计算公式，为吸力筒基础的设计提供理论参考.

1. 试验概况

1.1. 试验设置

本文试验基于浙江大学大断面波流水槽开展（见图1），长度为69.0 m，宽度为1.2 m，高度为1.6 m. 图1中，D、d分别为吸力筒和上部塔筒的模型直径. 水槽过流断面的最大平均流速可达0.3 m/s，最大造波水深为1.0 m，规则波最大波高为0.4 m（周期为1.4~2.0 s，水深为1.0 m）. 水槽中间布置有模型砂床，长度为3.0 m，宽度为0.8 m，深度为0.4 m. 吸力筒模型位于距砂床上游边缘2.0 m处，以保证动床冲刷时上游充足的来砂补给.

图 1

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图 1 试验所用波流水槽的示意图

Fig.1 Schematic drawing of wave-current flume used in present test

试验仪器设备的实物如图2所示. 根据场地、设备、供水流量等试验条件，确定模型的相似比尺^[14]. 如表1所示，保证水槽边壁对模型筒周流态的影响可以忽略^[15]（水槽宽度B与d满足B/d ＞ 8.0），λ_u为流速比尺，λ_l为水平尺度的几何比尺，λ_h为竖向尺度的几何比尺，λ_t为时间比尺. 物理试验模型的尺寸如表2所示，模型采用透明有机玻璃材质，从水槽上方固定.

图 2

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图 2 筒基础的局部冲刷试验仪器

Fig.2 Local scour test instrument for bucket foundation

表 1 筒基础的局部冲刷试验相似比尺

Tab.1 Local scour test similarity scale for bucket foundation

相似准则	相似比尺	计算值	相似比尺
重力相似	几何比尺	$ {{ \lambda }}_{\text{l}} $=$ {{ \lambda }}_{\text{h}} $	160
	流速比尺	$ {{ \lambda }}_{\text{u}} $=$ \sqrt{{{ \lambda }}_{\text{h}}} $	12.65
	时间比尺	$ {{ \lambda }}_{\text{t}} $=$ {{ \lambda }}_{\text{l}} $/$ {{ \lambda }}_{\text{u}} $	12.65

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表 2 试验原型与模型的尺寸

Tab.2 Dimension of test prototype and model

参数	原尺度/m	缩尺/cm
吸力筒直径	32.0	20.0
吸力筒高度	10.0	6.5
上部塔筒直径	5.5	4.0
水深	48.0	30.0

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试验用砂采用中值粒径d₅₀为0.16 mm的福建砂，砂的级配曲线如图3所示. 图中，w_B为小于某粒径的质量分数，d_s为土粒粒径. 当d与中值粒径d₅₀之比大于50时，基础周围局部冲刷与砂床粒径的关系不大^[14]，本试验中的d / d₅₀ = 250. 利用落砂法分4层填筑砂子，通过质量体积控制法保证每层的相对密实度约为65%. 向水槽中缓慢注水至所需水位，静置3 d，待砂土充分饱和后进行试验.

图 3

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图 3 试验用砂的级配曲线

Fig.3 Particle size distribution curve of sand used in present test

1.2. 试验波流条件的测定

在模型筒上游1 m处布置流速仪（acoustic doppler current, ADV）测定流速，沿水深方向，每间隔5 cm测定入射流速的分布，拟合0.3 m水深的断面流速曲线. 图4中，H为水深，U为流速. 从图4可知，当ADV探头被置于液面以下且深度不超过15 cm时，速度梯度很小，区域内所测的流速基本上小于主体流速的99%（边界层外）. 在后续试验中，将ADV探头固定于距床面15 cm处，测定水槽平均流速U_mean.

图 4

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图 4 水槽断面的流速分布曲线

Fig.4 Flow velocity distribution curve of flume section

波高仪距离出流口11.5 m，用于监测波面变化的情况. 将波高仪底部固定于距床面15 cm处，测定波浪波高H_wave和周期T.

1.3. 试验方案

试验一共设置4种暴露高度h（0 cm、0.5 cm、1 cm、2 cm，如图5所示）及4种波流条件，共设置13种工况（具体参数见表3）. 表3中，序号代码“T”表示正常全埋的筒基工况，“U”表示未正常贯入至指定深度的筒基工况，t为试验时间.

图 5

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图 5 吸力筒模型的暴露高度

Fig.5 Exposed height of suction bucket foundation model

表 3 筒基础局部冲刷试验工况参数的设置

Tab.3 Setting of local scour test condition parameter for bucket foundation

序号	H/cm	h/cm	U_mean/(m·s⁻¹)	H_wave/cm	T/s	t/h
T-1	30	0	0.2	0	0	6
T-2	30	0	0.3	0	0	2
T-3	30	0	0.3	5	1	2
U-1	30	0.5	0.2	0	0	6
U-2	30	1	0.2	0	0	6
U-3	30	2	0.2	0	0	6
U-4	30	0.5	0.3	0	0	2
U-5	30	1	0.3	0	0	2
U-6	30	2	0.3	0	0	2
U-7	30	0.5	0.3	5	1	2
U-8	30	0.5	0.3	10	1	2
U-9	30	1	0.3	5	1	2
U-10	30	1	0.3	10	1	2

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2. 试验结果与分析

2.1. 局部冲刷发展过程

筒周冲刷试验大致可以分为纯流静床冲刷、纯流动床冲刷和波流耦合冲刷3类，下面分别以U-1、U-4、U-7和U-8为例进行分析.

图6 (a) 给出U-1工况筒周的冲刷发展情况. 在纯流静床冲刷下，床面初期无明显的冲刷特征，冲刷发展缓慢，在冲刷3 h后，筒后才有冲淤现象. 如图6(b)所示为U-4工况床面的冲刷发展情况. 在纯流动床冲刷前25 min内，整个床面变化较大，筒前出现明显的冲刷坑，筒后出现淤积，之后0.5 h床面变化放缓，在冲刷接近1 h后，最大冲刷深度基本不变，冲刷达到稳定状态. 图6(c)给出U-7工况的冲刷发展情况. 当波流共存时，掀砂和输砂能力得到有效的发挥，使得筒周冲刷变化更剧烈，在前25 min内变化明显，床面出现垂直于来流向的沙纹. 之后沙纹沿波流运动方向推移，筒前冲刷深度出现规律性波动，波流耦合作用下的U-8工况因为暴露高度较小，如图6(d) 所示，波高较大，形成的砂丘越高大，砂丘在推移至筒前且足够高时会直接盖过筒顶面，在冲刷过程中筒前会交替性出现“冲刷坑-淤积”的现象.

图 6

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图 6 不同波流条件下的筒周冲刷发展过程

Fig.6 Scour temporal evolution under different hydraulic condition

2.2. 局部冲刷形态

如图7~9所示分别为各个工况的最终筒周冲刷形态. 图中，z为冲刷前后床面深度的变化. 如图7所示，在静床冲刷下，T-1、U-1、U-2、U-3工况下砂床前、后的变化集中在筒周，由于尾迹涡对床面的淘蚀，筒后有细长且对称的冲淤现象，冲刷坑形态呈前深、后浅的勺状，其冲淤距离均约为1D.

图 7

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图 7 纯流静床条件下的冲刷形态

Fig.7 Scour pattern under current-only clear-water condition

图 8

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图 8 纯流动床条件下的冲刷形态

Fig.8 Scour pattern under current-only live-bed condition

图 9

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图 9 波流耦合作用下的冲刷形态

Fig.9 Scour pattern under combined wave and current condition

如图8所示，动床冲刷下T-2、U-4、U-5和U-6工况的砂床形态类似，相较于静床条件，砂床变化更明显，冲刷坑深度更深，范围更广. 筒前有月牙状冲刷坑，筒后有沿来流方向对称分布的冲刷坑，形态呈前深、后浅的勺状，随着筒基暴露高度的增大，筒前月牙冲刷坑越来越明显，前后冲刷坑不贯通. T-2在开展试验时，如图8 (a)所示，沉砂池边缘土体的固结程度未达到预定要求，在水流经过时出现了沉降现象，因此床面变化相较于其他动床工况略有不同.

如图9所示，在波流耦合作用下T-3、U-7、U-8、U-9和U-10工况的砂床形态都出现了垂直于波流方向排列延伸的沙纹，筒前有月牙冲刷坑，筒后受流场变化的影响，有冲淤现象，原本规律排布的砂纹变得错乱.

2.3. 最大冲刷坑深度

静床条件下的筒周冲刷坑发展变化较小，测量难度大，因此试验中仅记录最终冲刷形态. 波流耦合作用下的U-8工况因为暴露高度较小，波高较大，波流掀砂作用明显，在冲刷过程中筒前会交替性出现“冲刷坑-淤积”的现象，因此对冲刷深度的发展不作记录.

如图10(a)所示为纯流动床冲刷下T-3、U-3、U-4、U-5筒前的冲刷深度随时间的发展曲线. 图中，S为筒前冲刷深度. 正常全埋的筒型基础冲刷特征不明显，T-3工况下筒前最大冲刷深度仅有3 mm（S/D = 0.015）. 这是由于筒基的顶盖面积较大（上部结构直径与筒基直径的比值d/D = 0.2），阻挡了由上部塔身结构产生的下降流、马蹄涡及尾迹涡对床面的掏蚀. 基础周围的冲刷现象小于桩型基础，甚至不出现冲刷的现象，依靠自身结构的特殊性有效地抵抗波流对基础周围床面的冲刷作用. 出土筒身随着暴露高度的增加，筒前下降的水流强度愈强，马蹄形漩涡的掏蚀作用增加，冲刷深度的最大值主要出现在筒前，这与单桩基础的试验结果相似. 在纯流作用下随着暴露高度的增加，极限冲刷的平衡时间明显推迟且最终冲刷深度增加，当暴露高度到达2 cm（h/D = 0.01）时，最大冲深为27 mm（S/D = 0.135），超过了筒基正常埋深的1/3. 如图10 (b)所示为波流耦合作用下U-7、U-9、U-10工况的筒前冲刷深度发展曲线. 在波流耦合作用下，冲刷发展更迅速，砂床受波流的运动影响向前推移，冲刷坑深度达到冲淤平衡后会出现规律性波动. 总体来看，筒基局部冲刷的时空发展和单桩基础类似，可以分为快速增长、缓慢增长和冲淤平衡3个阶段^[16].

图 10

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图 10 冲刷随时间演变的曲线

Fig.10 Curve of scour temporal evolution

泥沙起动是泥沙输移过程的第一步，根据冲刷前后扫描地形变化量，量化筒周冲刷的侵蚀程度^[17-18]. 选取的计算范围为筒周600 mm×800 mm的矩形砂床，垂直于来流向截取6个断面位置，相邻断面间隔10 cm，截面面积以冲刷为正，沉积为负，按照砂的密度2650 kg/m³计算每小时内的输沙率g_s，以定量评价各个工况的侵蚀程度，计算结果如图11所示. 图中，O-1、O-2、O-3表示在不同波流条件下无筒基础床面的变化. 在纯流静床作用下，床面侵蚀量较小，在无筒基础床面的变化几乎为0，砂床变化集中在筒周，输沙能力不超过0.4 kg/(m·h). 在动床作用下，随着暴露高度的增加，输沙率曲线偏离O-2的程度增大，筒前侵蚀程度增大，筒后沉积明显，输沙率从2 kg/(m·h)迅速变化至8 kg/(m·h)，增加了3倍. 在波流耦合作用下，水流掀砂能力增强，筒后的侵蚀程度增大，最大输沙率接近15 kg/(m·h).

图 11

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图 11 冲刷后筒周床面单宽的输沙率

Fig.11 Sand transport rate per unit width around bucket foundation model after scouring

为了总结暴露高度变化对冲刷坑的影响，对纯流动床冲刷下的结果提出无量纲经验关系，开展拟合和计算. 结果表明，如图12 (a)所示，当0 < h/D < 0.10，流速为0.3 m/s时，冲刷深度随着暴露高度的增加而增大. 最大冲刷深度S_c和暴露高度之间的经验关系如下所示：

图 12

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图 12 最大冲刷坑形态与暴露高度的关系

Fig.12 Relationship between maximum scour hole pattern and exposed height

(1)$ \frac{S_{\mathrm{c}}}{D}=148.18\left(\frac{h}{D}\right)^2+5.15\left(\frac{h}{D}\right)+0.04. $

如图12 (b) 所示为纯流动床冲刷下最大冲刷坑的宽度随暴露高度的变化趋势，当h从0、0.5 cm、1 cm增加到2 cm时，筒前月牙形冲刷坑中部宽度w依次由1.1 cm、2.1 cm、3.2 cm增加到4.7 cm. 冲刷坑宽度和暴露高度之间的无量纲经验关系如下所示：

(2)$ \frac{w}{D}=-4.76\left(\frac{h}{D}\right)^2+2.32\left(\frac{h}{D}\right)+0.05. $

如图12(c)所示为波流作用下最大冲深随暴露高度的变化趋势. 冲刷坑深度随着暴露高度的增加而增加，随着波高的增加而降低，这可能是因为由波流作用形成的砂丘向前推移，波高越大，形成的砂丘越高大，砂丘推移至筒前减少了暴露高度，如图6 (d)所示，削弱了冲刷作用，降低了冲刷坑深度.

2.4. 极限冲刷平衡时间

从图8中取动床冲刷下的各工况冲刷深度达到最大冲刷深度的95%所需时间，绘制得到极限冲刷平衡时间和暴露高度关系曲线图（见图13）. 根据Sumer等^[19]提出的经验公式，可以计算得到单桩基础达到最大冲刷深度的95%所需的时间，其中t₀ =33 min所对应的冲刷时间指直径为上部塔身直径的桩基础的冲刷平衡时间，t₁ = 615 min所对应的冲刷时间指直径为筒基直径的桩基础的冲刷平衡时间. 从图13可知，当筒基础暴露高度为0~ 0.5 cm时，极限冲刷平衡时间均在0.5 h左右达到极限平衡状态，因此在0 < h/D < 0.025的范围内可以按照桩基础估算冲刷平衡时间. 当暴露高度从0.5 cm增加至1.0 cm时，极限冲刷平衡时间达到40 min，较T2工况的平衡时间增长了20%. 当暴露高度达到2.0 cm时，冲刷平衡时间接近100 min，增长速率加快并超过100%. 当0 < h/D < 0.10时，筒基础的极限冲刷平衡时间t_c随着暴露高度而快速增长，这是因为吸力筒露出床面的部分越多，阻水面积越大，相当于增大等效桩径，从而增长极限冲刷平衡时间. 暴露高度和t_c之间的关系如下：

图 13

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图 13 极限冲刷平衡时间与暴露高度的关系

Fig.13 Relationship between ultimate equilibrium scour time and exposed height

(3)$ {t}_{\mathrm{c}}={0.84}{{{\mathrm{exp}}}}\;{({{h}}/({{0.023}{D}}))}+{{t}}_{{0}} . $

3. 结　论

（1）在纯流静床条件下，冲刷发展缓慢，冲淤现象主要集中在筒周. 在纯流动床条件下，床面变化先快后慢，最后趋于平衡，筒基周围冲淤沿来流方向对称分布，前后冲刷坑不贯通. 在波流耦合作用下，掀砂能力增强，筒周冲刷变化更剧烈，床面出现砂纹地形，冲淤仍对称分布.

（2）在纯流作用下，最大冲刷坑深度和宽度随着暴露高度和流速的增加而增加. 本文总结了当流速为0.3 m/s时，考虑暴露高度的筒基最大冲刷深度和宽度计算公式. 在波流耦合作用下最大冲刷坑深度与暴露高度正相关，在相同的暴露高度下，波高增大，则最大冲刷坑深度减小，达到冲淤平衡后会出现规律性波动.

（3）当水流速度为0.3 m/s时，随着暴露高度的增加（0 < h/D < 0.10），筒型基础的极限冲刷平衡时间快速增长，本文提出了考虑暴露高度的筒基极限冲刷平衡时间的计算公式.

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

WHITTLE A J, GERMAIN J T, CAUBLE D F. Behavior of miniature suction caissons in clay [C]// Offshore Site Investigation and Foundation Behaviour: New Frontiers - Proceedings of an International Conference . London: [s. n.], 1998: 98-279.