王 浩，陳 銘，彭國平，舒雨清，假冬冬，李 堅

(1.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350116；2.江西應(yīng)用科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330100；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

橋梁是與生產(chǎn)生活息息相關(guān)的重要水工建筑物，其興建增強(qiáng)了局部水流紊動，并將破壞河床固有結(jié)構(gòu)，影響泥沙運(yùn)動平衡及河床形態(tài)。橋墩周圍局部沖刷影響著橋墩自身安全性[1-3]，已成為造成橋梁水毀的重要因素之一。英國橋梁總工程師 Smith曾調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在全世界143座發(fā)生毀壞的橋梁中，有70座橋梁是由于橋墩受到?jīng)_刷而發(fā)生水毀事故導(dǎo)致的[4]。Lin等[5]總結(jié)橋梁失穩(wěn)的案例，局部沖刷的比例占64%。研究橋墩周圍水沙運(yùn)動規(guī)律，對于橋墩安全設(shè)計、橋墩防護(hù)工程等均具有重要的現(xiàn)實意義。

很多學(xué)者通過試驗對橋墩繞流展開廣泛研究。蔣昌波等[6]使用粒子圖像測速技術(shù)（particle image velocimetry，PIV）對開孔橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，指出在橋墩上設(shè)置方孔可抑制墩前水流下切作用，改善墩側(cè)水流流態(tài)和改變墩后尾流結(jié)構(gòu)。Guan等[7]分析圓形橋墩沖刷坑區(qū)域紊流流場，發(fā)現(xiàn)橋墩周圍渦強(qiáng)度隨沖刷深度增大而增大，最大紊流強(qiáng)度和雷諾剪切應(yīng)力分布在橋墩上游區(qū)域。為分析水流條件與橋墩沖刷的關(guān)系，李成才[8]通過試驗擬合局部沖刷深度與水流條件及墩寬的關(guān)系曲線。Bouratsis等[9]基于計算機(jī)視覺的雙目測量技術(shù)，重構(gòu)橋墩區(qū)域瞬時水下3維地形，監(jiān)測河床結(jié)構(gòu)演變過程。高文廉[10]利用FLUENT獲取橋墩周圍流場與沖刷坑信息，分析橋墩繞流流場特征和橋墩沖刷特點(diǎn)，建立橋墩繞流與沖刷之間的關(guān)系。

傾斜橋墩在現(xiàn)實中也普遍存在，對其沖刷規(guī)律研究是完善橋墩繞流的重要方面。Bozkus等[11-13]通過開展單圓形橋墩、雙橋墩傾斜及橋墩群試驗，研究不同傾角條件下局部沖刷過程，結(jié)果表明，隨著橋墩傾角增大，局部沖刷深度減?。徊⒆罱K建立局部沖刷深度經(jīng)驗公式。Vaghefi等[14]通過試驗發(fā)現(xiàn)，側(cè)向傾斜橋墩的最大沖刷深度與豎直橋墩的最大沖刷深度基本相同。Kitsikoudis等[15]研究了向下游傾斜圓柱體橋墩周圍的沖刷形態(tài)和近尾跡流場的變化規(guī)律。

水流、泥沙和橋墩三者相互作用復(fù)雜，數(shù)值研究準(zhǔn)確性仍需試驗驗證[16-17]，而目前橋墩繞流特別是傾斜橋墩沖刷規(guī)律試驗研究尚顯不足，如缺乏沖刷坑結(jié)構(gòu)形態(tài)特征定量分析，特別是橋墩周圍紊流結(jié)構(gòu)與沖刷地形耦合機(jī)理的研究。本文開展不同傾角橋墩繞流沖刷試驗，使用粒子圖像測速技術(shù)（particle image velocimetry，PIV）獲取橋墩繞流2維流場，基于運(yùn)動攝像恢復(fù)結(jié)構(gòu)技術(shù)（structure from motion，SFM）測量沖刷坑3維結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，分析水流、斜柱傾角對橋墩沖刷的影響規(guī)律，分析紊流流場與沖刷地形耦合關(guān)系，以探討斜柱橋墩沖刷過程水沙運(yùn)動機(jī)理，為相關(guān)研究提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗裝置

試驗裝置見圖1。

圖1 試驗裝置Fig. 1 Experimental setup

試驗水槽總長15.0 m、寬0.4 m、高0.4 m，通過坡降調(diào)節(jié)器變坡范圍為0～2%，如圖1（a）所示。水槽側(cè)壁和底板均為透明鋼化玻璃，整體尺寸誤差為±0.2 mm。水槽通過外部泵房維持循環(huán)供水，并通過JFC2.0水流自動測控系統(tǒng)控制變頻器頻率以調(diào)節(jié)流量[18]。水槽下方布設(shè)電磁流量計，精度為±0.5%。水槽入水口處設(shè)置3個矩形蜂窩整流器，以消除由于水泵產(chǎn)生的大尺度水流結(jié)構(gòu)。水槽末端設(shè)置活頁尾門，通過尾門開閉度調(diào)節(jié)恒定均勻流條件。沿水槽中心線上方，安裝6個超聲波水位計測量瞬時水深，精度為±0.5 mm。試驗段距離入水口7 m處，水流條件穩(wěn)定且受尾門干擾小。本文定義X軸為沿水流方向即流向，Y軸為沿水槽寬度方向即展向，Z軸為水深方向即垂向。

1.2 試驗方案

試驗選用密度ρ=2 650 kg/m3，中值粒徑d50=0.5 mm的天然均勻沙，鋪設(shè)厚度為10 cm，橋墩直徑與床沙平均直徑之比大于50[19]。橋墩模型為直徑D=3.5 cm的有機(jī)玻璃圓柱，布置在試驗段中間；橋墩直徑小于水槽寬度的0.1倍，可減小水槽邊壁對沖刷試驗影響[20]。為研究橋墩傾角對沖刷坑的影響，以豎直方向為基準(zhǔn)軸，布設(shè)4個沿下游方向傾斜的橋墩模型，傾角分別為0°、5°、10°、15°。激光光源在0.7H（H為水深）水深處沿XY方向水平照射，高速CCD相機(jī)安裝在墩柱中心處正上方，對試驗段進(jìn)行流場拍攝，如圖1（b）、（c）、（d）所示，每組試驗連續(xù)拍攝5 000幀照片。由于墩柱背面激光無法穿透，導(dǎo)致無法捕捉示蹤粒子，考慮到橋墩繞流具有對稱性，本文僅選取一半流場信息進(jìn)行分析。PIV流速計算采用多重網(wǎng)格迭代算法，流速計算結(jié)果經(jīng)高斯擬合得到亞像素精度[21]。試驗采用診斷窗口為16×16 ，最終得到流場為68×79的速度矩陣。

為分析橋墩沖刷坑3維結(jié)構(gòu)特征，使用NikonD7200相機(jī)（分辨率為6 000×4 000）采集沖刷坑圖像，見圖1（e）、（f）。在水槽兩側(cè)邊壁放置8個6 cm×6 cm的正方形棋盤格，作為地形重構(gòu)的地面控制點(diǎn)（ground control points，GCPs）（圖1（g）），以提高3維地形重構(gòu)點(diǎn)云實際坐標(biāo)的精度。每組試驗完成后，拍攝水槽床面及棋盤格控制點(diǎn)約300張圖片。試驗開展2種坡降、不同水流條件共24組恒定流沖刷試驗，試驗工況見表1。

表1 試驗工況Tab. 1 Flow conditions of the experiment

1.3 流場計算及地形測量方法

為分析橋墩繞流流場信息，將5 000個瞬時流場通過式（1）進(jìn)行平均；通過式（2）計算剪切應(yīng)力τ。旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度采用Delta準(zhǔn)則計算[18]。式（1）～（2）中，u、v為測量區(qū)域的瞬時流向流速和展向流速，U和V為測量區(qū)域的平均流向流速和展向流速, μ為黏滯系數(shù)。

河床沖刷結(jié)構(gòu)采用SFM方法進(jìn)行3維重構(gòu)，利用尺度不變特征變換（scale-invariant feature transform，SIFT）關(guān)鍵點(diǎn)檢測法[23]識別提取特征點(diǎn)，通過kdtrees方法讓已知點(diǎn)能快速有效地尋找到最接近的d維空間點(diǎn)，以進(jìn)行特征點(diǎn)匹配[24]。特征點(diǎn)匹配過程見圖2。圖2（a）、（b）為相鄰連續(xù)拍攝的2張照片，其中，圖2（a）識別的特征點(diǎn)為5 459個，圖2（b）識別的特征點(diǎn)為5 390個，兩者匹配后得到1 367個3維點(diǎn)云坐標(biāo)，如圖2（c）所示。在此基礎(chǔ)上采用PMVS[25]（patch based multi-view stereopsis）算法，對稀疏3維點(diǎn)云重建的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，即可生成沖刷床面稠密3維點(diǎn)云。

圖2 特征點(diǎn)匹配過程Fig. 2 Feature points matching process

為定量分析沖刷形態(tài)特征參數(shù)，需對研究區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格化，并對網(wǎng)格內(nèi)點(diǎn)云高程進(jìn)行插值。沖刷床面3維重構(gòu)后，其傾斜橋墩3維點(diǎn)云將部分殘留存在，見圖3（a）。為避免豎直方向傾斜橋墩模型結(jié)構(gòu)高程與河床高程重疊納入插值計算，需將不規(guī)則斜柱模型點(diǎn)云進(jìn)行清除。設(shè)斜柱傾角為θ，其底部中心坐標(biāo)（x0,y0）為橢圓圓心，短軸一半長為r0，長軸一半長為r0sec θ，如圖4所示，則其橫切面方程如式（3）所示。隨高度z變化，橢圓切面圓心將沿著x軸方向移動，其坐標(biāo)為（x0+ztan θ,y0,z），任意高度處的橢圓方程如式（4）所示。根據(jù)上述方程，將傾斜橋墩方程內(nèi)點(diǎn)云坐標(biāo)剔除，即可得到?jīng)_刷坑如圖3（b）所示。

圖3 點(diǎn)云清除過程Fig. 3 Process of removing unnecessary point clouds

圖4 傾斜橋墩模型示意圖Fig. 4 Sketch of inclined column model

為定量研究沖刷結(jié)構(gòu)，在圖3（b）中點(diǎn)云所占XY面區(qū)域內(nèi)建立正方形網(wǎng)格，網(wǎng)格物理尺度為1 mm×1 mm，網(wǎng)格數(shù)為13 000×400=5.2×106，對網(wǎng)格內(nèi)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的高程進(jìn)行內(nèi)插值。使用遠(yuǎn)離局部沖刷區(qū)域3維高程平均值對沖刷區(qū)域進(jìn)行歸零，獲得最終插值后的床面3維高程。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 沖刷地形特征規(guī)律

床面形態(tài)是橋墩繞流沖刷研究的重要方面，以坡降J=0.001，水流強(qiáng)度V·Vc?1=0.945條件下，不同傾角的模型工況為例，沖刷后的網(wǎng)格插值3維地形如圖5所示，其中，X·D-1、Y·D-1和Z·D-1分別為使用模型直徑對床面長、寬、高進(jìn)行無量綱化的尺度。

圖5 不同傾角橋墩沖刷地形（V·Vc?1=0.945）Fig. 5 Scour topography of bridge piers with different inclination angles (V·Vc?1=0.945)

由圖5可見，隨著橋墩模型傾角增加，沖刷坑尺寸逐漸減小，坑后沙堆體積也隨之減小。這與Kitsikoudis等[15]認(rèn)為的坑后沙堆體積大致等于墩周圍的沖刷量相一致。此外，隨著傾角增加，坑后間距較大的不規(guī)則沙波逐漸發(fā)展為間距較小的整齊規(guī)則沙波。

為進(jìn)一步觀測沖刷坑結(jié)構(gòu)形態(tài)，提取傾角為10°的沖刷坑局部區(qū)域地形，如圖6所示?？捎^察到，橋墩模型四周形成較深沖刷坑，位于橋墩下游處沖刷坑出現(xiàn)凸起，并逐步發(fā)展到河床床面形成“魚鰭狀”沙丘凸起結(jié)構(gòu)，其中尾部構(gòu)成夾角約為80°。同時，在沖刷坑后方兩側(cè)與X軸約成35°夾角處形成兩條較淺凹槽，并延伸至河床，傾斜分布在魚鰭沙丘兩側(cè)。

圖6 沖刷地形細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)（ α=10°）Fig. 6 Detailed structure of scour topography ( α=10°)

橋墩沖刷高程沿程分布曲線反映了橋墩沖刷形態(tài)特征，不同傾斜角度橋墩沖刷展向與流向沿程地形曲線如圖7所示。從圖7可看出：展向高程沿程分布基本保持墩前墩后對稱形態(tài)，隨著傾角增加，其坑深與坑長均逐漸減??；流向高程沿程分布，墩前表現(xiàn)為隨著傾角增加其坑深與坑長逐漸減小，墩后呈現(xiàn)類似拋物線的波動，同時，沙堆脊高度隨著傾角增大呈減小趨勢。

圖7 不同傾角橋墩沖刷高程沿程分布Fig. 7 Scour elevation distributions along of bridge piers with different inclination angles

為研究沖刷坑具體面積和體積特征，對3維沖刷坑結(jié)構(gòu)沿XZ剖面進(jìn)行提取和分析，如圖8所示。截取傾角為0°時沖刷坑流向范圍 [Xmin，Xmax]=[0.3，0.6]，展向范圍[Ymin，Ymax]=[0.1，0.3]，可見沖刷坑XZ剖面為一個不規(guī)則的倒置圓錐形態(tài)，坑后區(qū)域出現(xiàn)沙堆隆起狀態(tài)。

圖8 不同坑深截面圖Fig. 8 Cross-sectional views of different scour depths

分別沿著不同坑深處截取2維面積如圖9所示，其中，黃色圓圈代表橋墩模型，綠色區(qū)域代表不同坑深位置對應(yīng)的沖刷坑截面面積。隨著坑深逐漸增大，坑面積也相應(yīng)增大。其中，0.5ds、0.6ds對應(yīng)的坑面積呈現(xiàn)對稱狀態(tài)的增大，0.7ds、0.8ds對應(yīng)的坑面積由對稱圓弧狀逐漸演變成不規(guī)則心形狀。同時提取不同坑深處沖刷坑的3維結(jié)構(gòu)，圓柱橋墩剔除后不同坑深位置對應(yīng)的沖刷坑形態(tài)如圖10所示。隨著坑深逐漸增大，其3維結(jié)構(gòu)逐漸呈基本對稱的倒置圓錐形態(tài)變大，坑后呈現(xiàn)以對稱圓弧式逐漸向內(nèi)包裹直至閉合形態(tài)。

圖9 不同坑深處坑面積形態(tài)Fig. 9 Cross section morphology at different scour depths

圖10 不同坑深處坑3維形態(tài)Fig. 10 Three dimension morphology at different scour depths

為定量研究沖刷坑形態(tài)變化特征，本文對不同坑深處面積和體積進(jìn)行統(tǒng)計分析。將坑深分成n等份，設(shè)Ai和Vi分別為坑深dsi處沖刷坑截面面積和對應(yīng)坑體積。不同坑深處沖刷坑面積Ai為沖刷坑XY截面內(nèi)網(wǎng)格數(shù)（Numi）乘以單位網(wǎng)格面積（net2）；體積Vi為坑深dsi處沖刷坑范圍內(nèi)網(wǎng)格數(shù)累加（從第1層到第i層）乘以單位網(wǎng)格體積（net3）。沖刷坑面積和體積計算過程中將圓柱體所占區(qū)域剔除，坑面積、體積計算公式如下：

提取20個最大坑深比例位置坑面積、體積數(shù)據(jù)，分析隨著坑深增大沖刷坑面積和體積的變化規(guī)律，如圖11所示。

圖11 沖刷坑結(jié)構(gòu)形態(tài)隨坑深變化規(guī)律Fig. 11 Variation laws of scour morphology with different scour depths

圖11中，h為沖刷坑不同位置處到坑底的距離。由圖11可發(fā)現(xiàn)：隨著坑深增大，坑面積和體積曲線均先緩慢上升而后快速上揚(yáng)，呈開口向上的拋物線，此變化模式與上述沖刷坑呈倒置圓錐形態(tài)相符。不同橋墩模型傾角之間，隨著傾角增加，沖刷坑面積和體積呈減小趨勢，這也與圖5結(jié)果一致。

2.2 水流與沖刷坑關(guān)系

2.2.1 水流強(qiáng)度、傾角與沖刷坑關(guān)系

水流強(qiáng)度和模型傾角是影響沖刷床面形態(tài)的2個因素。試驗過程發(fā)現(xiàn)，較小坡降（J=0.001）下，沖刷坑尺寸隨著水流強(qiáng)度變化不明顯。為分析水流強(qiáng)度、傾角與沖刷坑尺寸的變化關(guān)系，開展較大坡降（J=0.002）工況試驗。以水流強(qiáng)度（V·Vc?1）為橫坐標(biāo)，無量綱沖刷坑深度（ds·D?1）、無量綱沖刷坑長度（D1·D?1、D2·D?1）為縱坐標(biāo)，其關(guān)系如圖12所示。由圖12可知：同一橋墩傾角下的無量綱沖刷坑深度及長度均隨水流強(qiáng)度增大而增大；同一水流強(qiáng)度下，隨著模型傾角增加，無量綱沖刷坑深度及長度均隨之減小。

圖12 沖刷坑特征尺度隨水流強(qiáng)度變化規(guī)律Fig. 12 Variation laws of characteristic scales of scour holes with flow intensity

2.2.2 紊流結(jié)構(gòu)與沖刷坑耦合關(guān)系

紊流結(jié)構(gòu)是沖刷坑形成的驅(qū)動力，深入分析紊流結(jié)構(gòu)與沖刷坑關(guān)系是研究橋墩沖刷機(jī)理的重要方法。試驗通過PIV系統(tǒng)獲取2維流場信息，如圖13所示。

圖13 流向流速和展向流速分布規(guī)律Fig. 13 Distribution laws of streamwise and spanwise velocities

圖13（a）、（b）表示傾角為0°與5°墩柱在水流強(qiáng)度V·Vc?1=0.945，J=0.001下的流向平均流速。在上游來流趨近墩柱過程中，水流表面形成馬蹄形漩渦，流速逐漸減小趨近于0，墩柱尾流區(qū)約4D范圍內(nèi)的流速也趨近于0；隨著傾角增加，墩柱尾流區(qū)流速擾動范圍變小。圖13（c）、（d）為同一水流條件下，傾角為0°與10°墩柱展向平均流速。展向流速絕對極大值分布在墩柱上游上下側(cè)區(qū)域，呈對稱狀態(tài)；隨著傾角增加，因模型存在對展向流速影響范圍變大。

為分析橋墩繞流沖刷過程紊流結(jié)構(gòu)與沖刷坑形態(tài)耦合關(guān)系，選取水流強(qiáng)度V·Vc?1=0.945，模型傾角0°和15°工況，將XY面2維旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度和剪切應(yīng)力與沖刷后3維地形進(jìn)行耦合，如圖14所示。由圖14可見：同一水流條件下，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度較大區(qū)域均集中在墩柱上游側(cè)與兩側(cè)邊壁處，呈狹長結(jié)構(gòu)其形成大尺度流向渦結(jié)構(gòu)，并順延至墩后方沿下游傳播；其與沖刷坑及后方淺長凹槽區(qū)域重疊，表明大尺度流向渦是后方淺長凹槽形成的主要原因。而剪切應(yīng)力也主要分布在墩柱上游側(cè)與兩側(cè)邊壁處，與最深沖刷坑結(jié)構(gòu)緊密重合，表明剪切下切作用是促進(jìn)形成較深沖刷坑結(jié)構(gòu)的主要動力因素。同時計算可得，隨著模型傾角增加，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度和剪切應(yīng)力值會相應(yīng)減小，其沖刷坑尺寸也隨之減小。

圖14 不同傾角旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度、剪切應(yīng)力與地形耦合關(guān)系Fig. 14 Coupling relationships of swirling-strength, shear stress and topography at different inclination angles

從泥沙起動理論看，當(dāng)水流流速低于泥沙起動流速，泥沙將逐漸沉積[26]。如試驗中模型后方?jīng)_刷坑凸起，特別是沖刷坑后魚鰭結(jié)構(gòu)的隆起，均由于模型繞流后方其水流流速、水流強(qiáng)度降低，低于泥沙起動條件所致。

3 討 論

通過試驗觀察和2維流場測量，直柱橋墩和傾斜橋墩周圍水流形態(tài)可大致分為4類：墩前壅水、馬蹄形漩渦、向下剪切流、大尺度流向渦及尾跡渦流，圖15為直柱橋墩和傾斜橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)特征。當(dāng)床面邊界層遇到墩柱時，在床面附近發(fā)生流動分離，在靠近河床的分離區(qū)域內(nèi)，形成馬蹄形漩渦。漩渦結(jié)構(gòu)在水流帶動下逐漸向墩兩側(cè)偏移，兩側(cè)邊壁紊動加劇導(dǎo)致沖刷坑逐步顯現(xiàn)。隨著沖刷進(jìn)行，紊流對床面剪切作用范圍逐漸擴(kuò)大，墩兩側(cè)沖刷逐漸貫通墩前和墩后區(qū)域，形成墩周圍較深沖刷坑。大尺度流向渦向下游運(yùn)動（圖14（a）、（b）），促使沖刷坑后方兩側(cè)出現(xiàn)凹槽，并延伸至河床；尾跡渦是剪切層分離后，形成的紊動能量拉長的渦，其將泥沙從沖刷坑位置輸送到下游位置。隨著尾跡渦有規(guī)律地連續(xù)脫落，水流強(qiáng)度被削弱，低于泥沙起動速度，喪失挾帶泥沙能力，墩柱下游即出現(xiàn)泥沙堆積現(xiàn)象。

圖15 直柱橋墩和傾斜橋墩周圍紊流結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 15 Sketch of turbulent structures around straight andinclined columns respectively

對于傾斜橋墩，由于向下游傾斜使得柱體周圍流線相對流暢，下泄流相比直柱橋墩減弱，馬蹄形漩渦明顯減弱，導(dǎo)致傾斜橋墩周圍紊流剪切作用減弱，其沖刷坑結(jié)構(gòu)減小。此外，傾斜橋墩尾跡渦脫落被抑制，導(dǎo)致坑后沙堆體積也相應(yīng)減小。上述討論部分，尚需更多流場信息進(jìn)行定量論證。

4 結(jié) 論

在2種坡降（0.001和0.002）條件下，采用天然均勻沙對4種不同傾角（0°、5°、10°、15°）橋墩模型開展明渠橋墩沖刷試驗。借助PIV系統(tǒng)獲取瞬時2維流場，使用SFM方法對沖刷后河床及沖刷坑進(jìn)行精確3維地形重構(gòu)，分析水流強(qiáng)度、橋墩傾角與沖刷坑形態(tài)特征關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，通過計算2維旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度和剪切應(yīng)力構(gòu)建紊流結(jié)構(gòu)與沖刷坑結(jié)構(gòu)耦合關(guān)系，最終探討沖刷坑結(jié)構(gòu)形成過程以及紊流結(jié)構(gòu)與沖刷坑結(jié)構(gòu)作用機(jī)理，具體結(jié)論如下：

1）基于SFM方法可實現(xiàn)沖刷地形3維重構(gòu)，沖刷試驗平衡時，沖刷坑維持不規(guī)則倒置圓錐形態(tài)，其中模型前方?jīng)_刷坑較深，后方坑深相對較淺。

2）同一水流條件下，坑后沙堆體積、沙堆脊高度隨著傾角增大而減??；沖刷坑面積、體積隨著坑深增大而呈開口向上拋物線趨勢增大，并隨傾角增大而減小。同時，沖刷坑深度、長度隨著水流強(qiáng)度增大而增大，隨著傾角增大而減小。

3）在上游來流趨近墩柱過程中，流向流速減小至墩柱處趨近于0，墩柱尾流區(qū)4D范圍內(nèi)流向流速也較小，模型對流向流速擾動范圍隨著傾角增大而減小。展向流速極值位于模型兩側(cè)，其受模型影響范圍隨著傾角增大而增大。

4）橋墩沖刷試驗穩(wěn)定時，隨著模型傾角增加，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度與剪切應(yīng)力影響范圍均減小。旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度主要集中在墩柱上游側(cè)與兩側(cè)邊壁處，形成大尺度流向渦結(jié)構(gòu)，并順延至墩柱后方，促進(jìn)沖刷坑后方兩側(cè)淺長凹槽形成。剪切應(yīng)力較為集中在墩柱上游側(cè)與兩側(cè)邊壁處，其下切作用導(dǎo)致形成墩柱周圍較深的沖刷坑。