本次物理试验在水槽中进行，水槽规格为：长×宽×深=44.0 m×3.0 m×1.2 m，水槽一端配有造波机系统，可根据拟定的波浪要素，自动产生所需的不规则波浪。造波机后侧和水槽的另一端设置消浪斜坡。水槽内安置了4台大流量潜水泵。在距离造波板20.0 m处布置3.0 m×3.0 m动床，具体布置见图1。

图  1  模型试验布置图

Figure 1.  Layout of model test

波高测量采用电容式波高仪，采用DS30多功能自动采集系统采集，由计算机控制并进行数据处理。流速采用旋桨流速仪进行测量。地形测量为在水槽量测安装滑道及滑块，采用激光测距仪进行测量，见图2。

图  2  试验动床及风电桩基础模型照片

Figure 2.  Picture of erodible beds and pile foundation model of wind turbine

1）模型相似

竖向圆柱形状的结构是海洋工程中的重要构筑物，其周围的局部冲刷直接关系到建筑物的安全与稳定。在圆柱周围冲刷坑形成过程中，其周围的水流、波浪运动使泥沙起动并输移，因此，在确定物理试验模型的相似比尺时，不但要考虑结构尺寸按比例缩尺，更应该考虑水流、波浪以及泥沙运动的相似比尺和冲淤形态的整体相似。本次试验将根据工程结构特点和工程海域的水动力条件，采用大比尺模型试验。模型设计比尺相似要求如下：

由水流平面二维运动方程：

主要比尺关系：

重力相似（流速比尺）：

阻力相似（糙率比尺）：

水流运动相似：

式中：

λh、λl ——模型几何比尺；

λC、λn——速度比尺；

λt ——时间比尺。

2）模型沙选取

由于本模型的主要任务是研究风机基础附近冲刷坑深度及范围，因此模型沙选择主要考虑泥沙起动相似λvc=λv。

由风电基础现场土层采样资料，海床表层1～7 m为淤泥，塑性指数（Ip）在11.8～23.8；其下2～8 m皆为淤泥质粉质黏土，塑性指数（Ip）在8.2~29.2。

工程区土层泥沙起动摩阻流速（u*c）可按下式计算：

式中：

Ip——土的塑性指数（考虑到本次试次风电基础的可能冲刷深度，取为8.2进行计算）；

τc——临界起动切应力（N/m2）；

ρ——水的密度。

结合以往的研究经验，根据比尺相似的原则，经过比较选择，本次物理模型试验的模型砂采用中值粒径d50为0.30 mm，密度γs为1.33 t/m3的煤粉，原来模拟工程海域淤泥土层的海床。

本次物理模型试验选用窦国仁公式计算纯水流作用下泥沙的起动流速：

式中：

d ——泥沙中值粒径；

Δ ——糙率，当d

εk——泥沙粘结力参数，原型沙取εk=2.56 cm3/s2，煤粉取εk=0；

δ ——薄膜水厚度，取0.21×10−4 cm；

g ——重力加速度，取9.81 m/s2。

对于波浪作用下泥沙起动计算，原型沙起动条件仍然采用起动摩阻流速(u*c)。

Madsen和Grant[15]将泥沙起动标准曲线引入到波浪作用下。提出采用Jonsson[16]推荐的波浪摩擦系数f w来计算振荡流作用下动床床面的切应力，其中床面剪应力的瞬时最大值τcm为：

式中：

umc——微幅波理论确定的波浪水质点近底水平速度的最大值；

fw ——波浪摩擦系数，可由下式计算：

式中：

RE——波浪雷诺数，$\mathrm{R}\mathrm{E}=\dfrac{{{u}_{\mathrm{m}}a}_{\mathrm{m}}}{\nu }$；

ν ——粘滞系数；

am ——波浪水质点近底水平振幅最大值，由微幅波理论确定。

本次物理模型试验采用Zhou等[17]提出的公式，进行波浪作用下的模型沙起动计算，即：

当d＜0.05 cm时，为层流区：

当d≥0.05 cm时，为紊流区：

式中：

s——泥沙的比重；

d——泥沙中值粒径；

v——粘滞系数。

计算得到的水流、波浪作用下泥沙起动相似条件分别见表2和表3。

表 2  水流作用下泥沙起动流速及其比尺

Table 2.  Incipient velocity of sediment and model scale under the action of current

表 3  波浪作用下泥沙起动流速及其比尺

Table 3.  Incipient velocity of sediment and model scale under the action of wave

由表可见，水流、波浪作用下原型沙和模型沙起动流速相似比尺基本接近流速比尺值，本次试验模型比尺取为1:30，模型试验动力条件见表4。

表 4  局部冲刷模型试验内容和动力条件

Table 4.  Contents and hydrodynamic conditions of model test for local scour

本次试验开始前，先在动床段周围布置波高测量仪，率定水槽内试验时的设计波浪要素，将率定系数记录到造波系统的计算机里，供冲刷试验时使用。

进行冲刷试验之前，先在动床段的中心位置安装缩尺后的桩基模型，然后将模型砂铺满动床段，最后开始放水至试验设计水深。

进行模拟波流共同作用冲刷试验过程中，首先，调试水槽内水流的流速，当实测的平均流速达到试验设计流速时；然后，启动造波机，按前述设定的率定系数，施加波浪条件；最后，连续监测单桩基础周围局部地形变化情况，当连续2次监测到地形数据（包括冲刷深度和冲刷范围）基本一致时，则认为本次试验的局部冲刷达到了冲淤平衡状态，停止试验，测量模型周围冲刷坑的范围和深度。

对于防护试验，铺平模型沙后铺设砂被或采用水泥砂浆构建固化土模型，以研究防护效果。