鄧紹云 邱清華 王義剛

（伊犁師范學(xué)院建筑工程系1） 伊寧 835000） （河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院2） 南京 210098）

樁群在土木水利工程中具有廣泛地應(yīng)用，隨著交通事業(yè)的飛速發(fā)展，橋梁規(guī)模的提升及港口碼頭工程規(guī)模的增大，樁群基礎(chǔ)越來越顯示其獨到的優(yōu)越性而被人們所青睞［1－4］.樁群埋設(shè)于泥土置于水流中必然導(dǎo)致水沙運動特性的改變，其改變的特性與樁群中樁柱的種類、布設(shè)，及水流泥沙特性等諸多因素都有關(guān)系［5－8］.為探索繞流不同樁群水流流態(tài)變化影響性質(zhì)和程度的差別，本文進(jìn)行了大量組次的水槽試驗.

1 研究方法

試驗進(jìn)行于寬5m，長30m的寬長水槽中，樁群置于水槽中軸線中心區(qū)域，并依據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)［9－12］充分考慮水槽邊壁的影響.

1.1 試驗樁群

測試對象為由圓柱或方柱組成的外包絡(luò)線長0.33m、寬0.11m，矩形排列的10個不同樁群，樁柱數(shù)目N＝m×n，樁群橫向每排m根樁柱，縱向n個排架，見表1.定義：阻水率為垂直流向樁柱直徑總和除以樁群寬度，并用DH 表示；排架密度為順流向一排樁柱直徑總和除以樁群長度，并用DV表示；流態(tài)影響區(qū)段寬度與樁群寬度比值為相對影響寬度并用XB表示；流態(tài)影響區(qū)段長度與樁群長度比值為相對影響寬度并用XL表示；樁柱直徑用D表示.

表1 試驗樁群特征描述

1.2 試驗組次

試驗過程中，水深始終保持在0.1m，見表2.在不同的樁群、不同的水流流速和不同的迎流角的不同組合下，進(jìn)行比較試驗.

2 研究內(nèi)容與分析

樁群繞流可看為多個單樁繞流有規(guī)律性的組合結(jié)果，其組合效果跟樁群的樁柱排列方式有密切關(guān)系，對流態(tài)的影響可以從后方水流的紊動范圍和程度來衡量，進(jìn)而從后方繞流所產(chǎn)生的馬蹄形漩渦和尾渦的數(shù)量和大小及影響水流寬度和水流恢復(fù)區(qū)段長度來衡量.

測試中，向水流中撒入珍珠巖粉，并將高清晰度數(shù)碼相機(jī)固定在樁群繞流區(qū)段的正前上方，并固定一人高度，全過程地進(jìn)行監(jiān)視錄像，所拍照片見圖1，加以比較，測量出繞流后方漩渦影響寬度和影響區(qū)段長度，見表3～表6及圖2～圖9.

表2 試驗組次描述

圖1 繞流不同樁群流態(tài)情形對比

表3 無迎流角不同流速下繞流不同樁群流態(tài)影響區(qū)段相對寬度

表4 迎流角為10°不同流速下繞流不同樁群流態(tài)影響區(qū)段相對寬度

表5 無迎流角不同流速下繞流不同樁群流態(tài)影響區(qū)段相對長度

表6 迎流角為10°不同流速下繞流不同樁群流態(tài)影響區(qū)段相對長度

圖2 不同阻水率同排架密度時繞流影響相對寬度與水流雷諾數(shù)的關(guān)系

圖3 相同阻水率不同排架密度時繞流影響相對寬度與水流雷諾數(shù)的關(guān)系

圖4 迎流角為10°時不同阻水率同排架密度時繞流影響相對寬度與水流雷諾數(shù)的關(guān)系曲線

圖5 迎流角為10°時相同阻水率同排架密度時繞流影響相對寬度與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線

圖6 不同阻水率同排架密度時樁群繞流影響相對長度與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線

圖7 相同阻水率不同排架密度樁群繞流影響相對長度與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線

圖8 迎流角為10°時不同阻水率同排架密度是樁群繞流影響相對長度與雷諾數(shù)關(guān)系曲線

圖9 迎流角10°同阻水率不同排架密度時樁群繞流影響相對長度與雷諾數(shù)的關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

流速對樁群繞流有很大影響，流速越大，也就是雷諾數(shù)越大，樁群繞流兩側(cè)流向下游的馬蹄形旋渦和后方尾流旋渦尺寸越大、越明顯，繞流紊動越劇烈，影響區(qū)域更寬更長；樁柱密度對樁群繞流也有影響，樁柱密度越大則繞流越明顯，越接近單樁柱繞流特性，馬蹄形渦旋和尾流旋渦尺寸越大、越明顯；當(dāng)組成樁群的樁柱很稀疏時，樁群繞流很不明顯，馬蹄渦旋和尾流旋渦尺寸很小、很微弱.對樁群繞流特性的影響程度，樁群橫向樁柱密度大于縱向樁柱密度；迎流角對樁群繞流特性影響很大，微小的一個迎流角，將導(dǎo)致樁群后方尾流區(qū)域變得較樁群迎流角為零布置情況寬得多，而且，迎流角對繞流特性的影響，對于樁柱密度大的樁群，其程度大于對于樁柱密度小的樁群.

［1］鄭薇薇.不同排列樁群對水流特性影響的試驗研究［D］.石家莊：河北工程大學(xué)，2009.

［2］鄧紹云，王義剛，邱清華.有限深度均勻流中圓柱樁群繞流對流速的影響［J］.水運工程，2011（4）：55－59.

［3］王春華.高樁碼頭樁群對流場及底床影響試驗研究［D］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2010.

［4］楊 星，王婭娜.基于阻力相似條件下的樁群物理模型設(shè)計方法［J］.四川大學(xué)學(xué)報：工程科學(xué)版，2010（3）：44－48.

［5］陳愛華，楊 星.樁群繞流阻力物理模型試驗測量技術(shù)研究［J］.水道港口，2009（4）：50－53.

［6］黃本勝，程香菊，袁麗蓉，等.碼頭樁群對河道行洪與流場影響的三維數(shù)值模擬［J］.水動力學(xué)研究與進(jìn)展：A輯，2010（1）：30－34.

［7］楊 星，李朝方，劉志龍.橋梁樁群存在條件下的河道水面線計算方法研究［J］.華中師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011（3）：102－105.

［8］任方方，郭巨海，李高陽，等.有樁群河道水流紊動特性探究［J］.人民長江，2011（10）：35－39.

［9］張遠(yuǎn)君.流體力學(xué)大全［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1991.

［10］劉應(yīng)中，繆國平.高等流體力學(xué)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

［11］HONEMER S F.Fluid dynamic dray［M］.Washington，D.C，1958.

［12］鄧紹云.圓柱樁群阻力特性及其對地床沖淤影響的研究［D］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2007.