一种桩基冲刷坑回填装置

1.本发明涉及与桩基冲刷坑处理相关的技术领域，特别涉及一种桩基冲刷坑回填装置。


背景技术：

2.桩基础是海洋工程中极为重要的基础构筑物，桩基的建立改变了此区域原来的水动力条件，在桩柱前方形成二次流，并在其周围形成漩涡，桩柱周围流速加快，对周围的海床产生局部冲刷形成冲刷坑进而影响平台稳定性。
3.目前多数桩基冲刷相关的研究和发明集中在桩基周围局部冲刷的防护，主要包括加装人工构筑物覆盖等，以及冲刷坑形成后桩基的人工加固，大部分是针对冲刷坑的维护方法，主要为抛石或者覆盖混凝土等人工材料。
4.传统的桩基冲刷维护装置包括防护和回填两种。防护装置往往与桩基同时安装，主要是用于防止周围泥沙被冲走。回填方法主要通过抛石、覆盖混凝土块、钢筋笼等人工材料，效率较低，成本高，而且在抛石的过程中可能伤害到桩基结构，造成结构耐久性和承载能力的下降。除此之外，无论是加装防护装置或是回填覆盖，效果都不长久，在复杂的海洋环境工况下，防护装置周围的泥沙会逐渐冲刷开，而回填的材料也可能会出现管涌、渗蚀等问题，在海流下被带走，需要定期检查并回填。
5.即现有技术无法实现持久自然回填冲刷坑的效果，此困境亟待本领域技术人员解决。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种桩基冲刷坑回填装置，以解决现有现有技术无法实现持久自然回填冲刷坑的问题。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种桩基冲刷坑回填装置，包括弧形扰流件、连接件、固定件、支撑柱和底座；多个所述弧形扰流件以可拆卸的方式连接为环状，多个所述弧形扰流件围纳的内部空间为桩基的安装区；多个所述连接件均设于所述安装区内，多个所述连接件分别与多个所述弧形扰流件连接；多个所述固定件分别与多个所述连接件连接，多个所述固定件分别与对应的所述弧形扰流件分离布置，多个所述固定件均用于邻近包围于所述桩基周侧外；多个所述支撑柱分别与多个所述弧形扰流件的底部连接；多个所述底座分别与多个所述支撑柱连接固定。
8.在其中一个实施例中，所述弧形扰流件为内部中空的弧形管状结构。
9.在其中一个实施例中，相邻所述弧形扰流件之间为可拆卸的螺栓连接。
10.在其中一个实施例中，所述弧形扰流件的两端均设有耳板，所述耳板上设有多个供进行所述螺栓连接的螺栓安装孔，多个所述螺栓安装孔在所述耳板上呈周向排列布置。
11.在其中一个实施例中，所述连接件为板状结构。
12.在其中一个实施例中，所述固定件为弧形状，所述固定件与其连接的所述弧形扰
流件具有相同的弧形凹位朝向。
13.在其中一个实施例中，相邻所述固定件的端部相互分离布置。
14.在其中一个实施例中，所述支撑柱的高度为所述弧形扰流件就径向尺寸的0.2～0.4倍。
15.在其中一个实施例中，所述底座为平板状。
16.本发明的有益效果如下：
17.由于多个所述支撑柱分别与多个所述弧形扰流件的底部连接，多个所述底座分别与多个所述支撑柱连接固定，所以在进行安装固定后，多个弧形扰流件将处于悬空状态；多个所述弧形扰流件以可拆卸的方式连接为环状，多个所述弧形扰流件围纳的内部空间为桩基的安装区，则确保了多个弧形扰流件均能包围于桩基的外部，所以在安装完成后，弧形扰流件前方迎水面形成小型涡旋，削减水流流速，下方形成湍急水流，形成管涌侵蚀，弧形扰流件后形成尾涡，促使弧形扰流件后方的泥沙淤积和回填，即弧形扰流件使得水面前与下方的泥沙通过水力向后输运到桩基周围，实现桩基周围泥沙淤积回填，防止桩周冲刷坑产生，切实解决了现有现有技术无法实现持久自然回填冲刷坑的问题。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明实施例提供的俯视结构示意图；
20.图2是图1的局部结构示意图；
21.图3是图2的侧视结构示意图；
22.图4是图1的a部分放大结构示意图；
23.图5是图1的桩基冲刷坑回填装置应用状态示意图；
24.图6是本发明实施例提供的工作原理示意图；
25.图7是本发明实施例提供的冲刷淤积仿真模拟结果图。
26.附图标记如下：
27.10、弧形扰流件；11、安装区；12、耳板；13、螺栓安装孔；14、螺栓；15、螺母；
28.20、连接件；
29.30、固定件；
30.40、支撑柱；
31.50、底座；
32.60、桩基；
33.70、泥沙。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。
35.为应对冲刷坑的存在，现有技术虽然也采用了多种应对方式，但无论哪种方式均
不是可持续的，即在处理完毕后，依然需要经常主动维护处理，否则冲刷坑依然容易再次形成。
36.为解决此问题，则需要研发一种能够利用自然力量实现冲刷坑回填的装置，所以本发明提供了一种桩基冲刷坑回填装置，其利用对水流的引导，以此使得水流能在桩基周侧堆填沙土，从而避免了冲刷坑的形成，即使得利用自然力量实现冲刷坑回填的目的得以实现。
37.为进行具体的说明，下文将提供桩基冲刷坑回填装置的具体实施例进行说明，如图1和图3所示，此实施例的桩基冲刷坑回填装置包括弧形扰流件10、连接件20、固定件30、支撑柱40和底座50。
38.有关所述弧形扰流件10，如图1至图4所示，其主要作用是实现水流的引流，所以为实现此目的，此实施例设置了四个弧形扰流件10，四个弧形扰流件10采用螺栓螺母拼接为圆环状，四个弧形扰流件10中部围成的空间则为桩基的安装区11。
39.对于弧形扰流件10的设置，具体需要注意以下几点：
40.第一，弧形扰流件10的数量并不限定，只需设置多个弧形扰流件10以可拆卸的方式连接为环状，并确保多个弧形扰流件10围纳的内部空间为桩基的安装区11即可；其中，弧形扰流件10的设置数量可优选设置为3～6个，以确保设置弧形扰流件10数量合适后，不会导致日后的安装维护操作繁琐不便。
41.第二，在桩基冲刷坑回填装置安装完毕后，需要确保弧形扰流件10能够稳定下沉于水中，所以对弧形扰流件10的质量、密度有一定要求；虽然可以将弧形扰流件10内部设置为实心结构，以确保弧形扰流件10具有足够的重量而下沉于水中，但为了降低生产成本，可改为设置弧形扰流件10为内部中空的弧形管状结构，所以当弧形扰流件10放入水中进行安装时，弧形扰流件10内部将会被水填充注满，从而实现了弧形扰流件10的增重，即在无需付出高昂成本的情况下，依然能够实现弧形扰流件10的稳定下沉。
42.第三，为实现弧形扰流件10之间的拆卸式连接，可有多种方式，譬如采用套管结构与相邻的弧形扰流件10套接，又或者在相邻弧形扰流件10上设置相应的凹槽、凸柱，以实现快捷的插拔式组装；而此实施例则设置相邻弧形扰流件10之间为可拆卸的螺栓连接，即在弧形扰流件10的端部设置相应孔位，以便于螺栓穿过相应孔位，然后套上螺母实现相邻弧形扰流件10之间的连接固定，而在需要进行拆卸时，只需拧松螺母并拆除螺栓即可，整个操作过程简单可靠。
43.具体的，如图3和图4所示，此实施例为实现相邻弧形扰流件10之间的螺栓螺母安装，其在弧形扰流件10的两端均设有耳板12，耳板12围绕弧形扰流件10的管口外周侧布置，从而使得耳板12成为环形板状件；并且耳板12上设有多个供进行螺栓连接的螺栓安装孔13，多个螺栓安装孔13在耳板12上呈周向排列布置，多个螺栓安装孔13均将耳板12完全贯穿，所以相邻弧形扰流件10在进行拼接安装时，只需将相邻弧形扰流件10的耳板12对齐，然后利用螺栓14穿过对应耳板12上的螺栓安装孔13并装上螺母15，则可实现相邻弧形扰流件10之间的连接固定，而在需要进行拆卸时，只需将螺母15拆除，并将螺栓14从螺栓安装孔13内抽出即可。
44.第四，若桩基冲刷坑回填装置是在桩基建设前进行安装，则应将弧形扰流件10的弧形半径设置为桩基半径的约1.5倍，以确保弧形扰流件10与桩基之间预留充足的空间进
行沙土自然回填，避免回填沙土过少而无法达到预期效果；若桩基冲刷坑回填装置是在桩基建设后进行安装，弧形扰流件10的半径则需要考虑冲刷坑的大小而定，譬如冲刷坑的最大尺寸若小于1.5倍的桩基半径，则应设置弧形扰流件10的半径为桩基半径的约1.5倍，此时弧形扰流件10与桩基之间的预留空间已经能够确保将冲刷坑回填；若冲刷坑的最大尺寸大于1.5倍的桩基半径，则应设置弧形扰流件10的半径约等于冲刷坑的最大尺寸，此时则可确保整个冲刷坑均至于弧形扰流件10与桩基之间，从而便于弧形扰流件10引导水流带动沙土对整个冲刷坑进行回填。
45.需要指出，上述的1.5倍仅为一个较优的参考值，此参考值可根据不同的情况进行适当调整，但应以1.4倍～1.6倍内为宜，如1.4倍、1.45倍、1.5倍、1.55倍和1.6倍等则为较优的选择。
46.有关所述连接件20，如图1和图2所示，其主要作用是实现弧形扰流件10与固定件30之间的连接固定，所以只需确保多个连接件20均设于安装区11内，多个连接件20分别与多个弧形扰流件10连接即可；而此实施例的弧形扰流件10为四个，所以连接件20也只需设置为四个，四个连接件20分别与四个弧形扰流件10内弧位的表面连接固定即可。
47.对于连接件20的设置，具体需要注意以下几点：
48.第一，连接件20作用是实现弧形扰流件10与固定件30之间的连接固定，所以连接件20的外形并不需要进行特殊的限定也能实现此目的，即连接件20可以设计为条状、柱状、甚至是框架结构等；而为了确保连接件20的结构可靠性，此实施例则设置连接件20为板状结构，以使得连接件20的两端均具有较宽的连接面积，从而确保了连接件20的两端能够分别与弧形扰流件10、固定件30充分连接固定。
49.第二，一般而言，连接件20与弧形扰流件10的具体连接部位并不限定，譬如连接件20可以与弧形扰流件10靠端部的位置连接固定，也可以与弧形扰流件10靠中部的位置连接固定，但为了提高结构的稳定性，此实施例则设置连接件20的一端与弧形扰流件10内弧凹位的中心处连接固定，并设置连接件20相对的另一端与固定件30朝向弧形扰流件10的中心处连接固定，此时固定件30即使长期处于被水流冲刷的状态，也不容易出现因固定件30单侧受力过强而与连接件20断裂分离的问题。
50.第三，连接件20板状结构的设置形式也并不唯一，可以设置为常规的矩形板，也可以设计为弧形板，甚至可以设计为各种形状特异的板形；而此实施例则优选设置连接件20近似为梯形板，并利用连接件20较宽的一端与弧形扰流件10连接固定，利用连接件20较窄的一端与固定件30连接固定，即在弧形扰流件10往固定件30的方向上，连接件20的宽度尺寸呈逐渐变小的趋势，并保证连接件20两端的宽度差值较少，譬如可优选设置连接件20较窄处的宽度为连接件20较宽处宽度的0.8～1倍内，如0.8倍、0.85倍、0.9倍和0.95倍等此为较优的选择。
51.在采用此设置方式后，不但可以确保连接件20与弧形扰流件10、固定件30之间具备充足的连接面接，以实现各个部件之间的稳定连接，更可以减少连接件20的体积，以尽可能减少连接件20对水流产生的扰动。
52.第四，连接件20的长度应根据桩基径向尺寸和桩基的安装区11大小界定，以确保桩基冲刷坑回填装置安装完毕后，固定件30能够邻近包围于桩基的周侧外，以避免出现固定件30与桩基周侧间距过大的问题。
53.有关所述固定件30，如图1、图2和图5所示，其主要作用是实现桩基冲刷坑回填装置与桩基之间的安装位置固定，所以此实施例优选设置了固定件30为四个，四个固定件30分别与四个连接件20的端部连接固定，以确保桩基冲刷坑回填装置在安装到位后，多个固定件30均能邻近包围于桩基周侧外。
54.对于固定件30的设置，具体需要注意以下几点：
55.第一，固定件30的数量并无特殊要求，一般以固定件30、连接件20和弧形扰流件10数量相同的方式匹配设置即可，譬如设定多个固定件30分别与多个连接件20连接，多个固定件30分别与对应的弧形扰流件10分离布置，多个固定件30均用于邻近包围于桩基周侧外即可；但不排除同一弧形扰流件10上设置多个连接件20，每个连接件10上设有固定件30，也不排除同一连接件20上设有多个近似并联排布的部位，以实现同一连接件20与多个固定件30的连接固定。
56.其中，多个固定件30均用于邻近包围于桩基周侧外可包括两种情况，一种是固定件30与桩基处于相互分离的状态，但两者的距离较为接近，譬如固定件30与桩基的外壁相距2～3cm等；另一种是固定件30与桩基外壁处于相互抵接的状态，同样能够实现桩基冲刷坑回填装置与桩基之间的安装位置固定。
57.第二，多个固定件30用于围纳限定桩基的安装位置，实现此效果对固定件30的外形并无特殊限制，只需将多个固定件30布置于桩基的周侧外，多个固定件30则可实现近似围栏的作用以限定桩基的安装位置；而此实施例则优选设置固定件30为弧形状，固定件30与其连接的弧形扰流件10具有相同的弧形凹位朝向，在采用此设置方式后，多个弧形扰流件10和多个固定件30等同于围成两个同心圆，以便利用较少的固定件30实现对桩基广范围的包围。
58.而且固定件30在设置为弧形状后，其与桩基相对的表面也将更为圆润，所以在进行桩基冲刷坑回填装置安装的过程中，即使固定件30与桩基产生意外碰撞，固定件30也不容易对桩基造成损伤。
59.第三，在对桩基冲刷坑回填装置进行生产设计时，可将多个固定件30设计为能够进行相互拼接，即在桩基冲刷坑回填装置安装完毕后，多个固定件30的相邻端部会处于相互装配、或相互抵接的状态。
60.但由于固定件30只用于粗略界定桩基的安装区11域，所以上述的设置方式不但无法产生特殊的有益效果，同时还增大了桩基冲刷坑回填装置安装时的工作量；为此，此实施例则优选设置相邻固定件30的端部相互分离布置，在能保证能够实现桩基安装区11域界定的前提下，还免去了繁琐的装配工作。
61.当然，为实现相邻固定件30的端部相互分离布置，可将各个固定件30均设置为较短的尺寸，但为确保能够对桩基实现较广范围的包围，应尽在保证相邻固定件30的端部相互分离布置的情况下，尽量延长固定件30的设置长度。
62.第四，为确保固定件30与连接件20之间的连接固定，此实施例优选设置固定件30的厚度大于连接件20的厚度，所以连接件20的端部将可实现与固定件30的全面连接，从而确保了两者之间的连接固定性；而且此时也应避免固定件30的厚度小于弧形扰流件10的径向尺寸，以尽可能减少固定件30对水流产生的扰动。
63.有关所述支撑柱40，如图1和图3所示，其主要作用是实现弧形扰流件10的悬空设
置，所以此实施例设置了四个支撑柱40，四个支撑柱40分别连接于四个弧形扰流件10的底部，以实现对弧形扰流件10的支撑。
64.对于支撑柱40的设置，具体需要注意以下几点：
65.第一，支撑柱40的数量并无特殊限制，可以是每个弧形扰流件10的底部均设有一个支撑柱40，也可以是每个弧形扰流件10的底部均设有多个支撑柱40，即只需确保多个支撑柱40分别与多个弧形扰流件10的底部连接，以实现对弧形扰流件10的稳定支撑承托即可。
66.第二，一般情况下，可在弧形扰流件10的底部各处均设置支撑柱40，以实现弧形扰流件10的稳定支撑承托；而此实施例则优选设置每个弧形扰流件10底部均仅设置一个支撑柱40，支撑柱40设于弧形扰流件10的弧形轴线中心处，即此时仅需利用一个支撑柱40则可实现弧形扰流件10的稳定支撑承托。
67.第三，为兼顾弧形扰流件10的悬空设置及其安装稳定性，可优选设置支撑柱40的高度为弧形扰流件10就径向尺寸的0.2～0.4倍，以便支撑柱40能够具备充足的长度插入待装地点内；其中，支撑柱40的具体长度可根据当地水力环境进行调整，譬如支撑柱40的高度为弧形扰流件10径向尺寸的0.2倍、0.25倍、0.3倍、0.35倍和0.4倍则是较常用的优选选择。
68.有关所述底座50，如图1至图3所示，其主要作用是桩基冲刷坑回填装置的稳固安装，所以只需保证底座50具备较大的承托面积，以确保桩基冲刷坑回填装置的支撑承托稳定即可。
69.对于底座50的设置，具体需要注意以下几点：
70.第一，应根据支撑柱40的数量，设置对应数量的底座50，然后设置多个底座50分别与多个支撑柱40连接固定，从而便于利用底座50实现桩基冲刷坑回填装置的安装固定。
71.第二，一般而言，底座50的外形并无特定选择，譬如可以设计为矩形块、柱状块、甚至其他异形状，只要能够实现桩基冲刷坑回填装置的稳定承托即可；而为更好的实现此效果，可优选设置底座50为平板状，如圆形板、方形板或三角板等，此时水下的沙土将可覆盖于底座50上，从而实现对底座50增重施压，以确保底座50能够轻松实现稳定安装。
72.第三，应保证底座50的面积要远大于支撑柱40的径向尺寸，确保底座50的表面能够覆盖足够的沙土，以实现桩基冲刷坑回填装置的稳定安装；而且此时可优选设置底座50为圆形板状结构，且底座50与支撑柱40为同轴心设置，以确保沙土能在底座50表面实现均匀覆盖。
73.纵观前文已经可知桩基冲刷坑回填装置的详细结构，而桩基冲刷坑回填装置的具体安装方式大致有两种情况，一种是是桩基冲刷坑回填装置在桩基建设前进行安装，另一种是桩基冲刷坑回填装置在桩基建设后进行安装。
74.如图5和图6所示，无论采用哪种方式进行安装，一旦安装完成，弧形扰流件10前方迎水面均可形成小型涡旋，以削减水流流速，而弧形扰流件10下方则形成湍急水流，形成管涌侵蚀，并在弧形扰流件10后方形成尾涡，促使弧形扰流件10后方的泥沙淤积和回填；即弧形扰流件10本质上是将弧形扰流件10迎水面前与弧形扰流件10下方的泥沙通过水力向后输运到桩基60周围，实现桩基60周围泥沙70淤积回填，防止桩周冲刷坑产生。
75.具体的，图7为弧形扰流件10的冲刷淤积仿真模拟结果图，此图是基于计算流体力学耦合离散元方法构建单相管道冲刷数值模拟所得，从图中可知，在常见海底流速下，水流
会将弧形扰流件10下方泥沙输运到弧形扰流件10后方，随着时间发展，弧形扰流件10后方约5倍管径范围内会出现涡旋并淤积沙丘，从而实现泥沙70淤积。
76.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。