陳亞東 孔定新

（江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院人文藝術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010）

隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，我國對跨江跨海通道的需求日益迫切，因此眾多的河流上都興建了越來越多的公路和鐵路橋梁。而橋梁的出現(xiàn)會破壞河道內(nèi)的原有水流條件，使得橋梁水下基礎(chǔ)周圍有向下水流、馬蹄形旋渦和尾流旋渦等水流結(jié)構(gòu)形成。也正是由于橋梁水下基礎(chǔ)擾流而形成的水流三維邊界層分離、復(fù)雜的多重旋渦體系和水體的高強(qiáng)度紊動，使得橋梁水下基礎(chǔ)周圍產(chǎn)生了很劇烈的局部沖刷。局部沖刷不僅會導(dǎo)致水下基礎(chǔ)的移位、沉陷，橋面的開裂、變形，也會引發(fā)整座橋梁的突然坍塌，還會改變水下基礎(chǔ)周圍水流的運(yùn)動規(guī)律和動力結(jié)構(gòu)，對過橋船舶的通行安全造成較為嚴(yán)重的影響，甚至?xí)茐臉蛄核谖恢锰幒佣魏觿莸姆€(wěn)定，危及到橋梁上下游建筑物和沿岸堤防的安全。群樁基礎(chǔ)是跨江跨海橋梁普遍采用的橋墩形式，采用群樁基礎(chǔ)會使得橋墩附近旋渦體系對周圍床面沖刷作用機(jī)制發(fā)生改變。截至目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的研究主要集中在群樁的水流阻力，群樁基礎(chǔ)周圍的局部沖刷深度、范圍、形態(tài)等沖刷特性，規(guī)則波、不規(guī)則波以及波流共同作用引起的局部沖刷等少數(shù)幾個方面，而對于群樁基礎(chǔ)周圍三維流場水動力特性和水下基礎(chǔ)周圍局部沖刷相關(guān)機(jī)理的研究成果較少。本文通過室內(nèi)矩形斷面自循環(huán)變坡水槽試驗(yàn)，對橋梁群樁基礎(chǔ)周圍的瞬時流速場進(jìn)行了精細(xì)測量，分析了群樁基礎(chǔ)上下游鉛直對稱面內(nèi)三維流速、紊動強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力等水力參數(shù)的沿程垂線分布規(guī)律，研究了向下水流、馬蹄形旋渦和尾流旋渦等典型水流結(jié)構(gòu)的沖刷力，深入揭示了橋梁群樁基礎(chǔ)周圍清水局部沖刷的主要 機(jī)理。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計

1.1 試驗(yàn)水槽

橋梁群樁基礎(chǔ)附近三維流場水動力特性試驗(yàn)采用的是自循環(huán)矩形斷面變坡水槽，水槽的長度為18.0m，寬度為1.0m，深度為0.8m，試驗(yàn)水槽的兩側(cè)均為玻璃壁面，便于試驗(yàn)過程中各種水流現(xiàn)象的觀測。水槽兩側(cè)的邊壁上均安裝了鋼制導(dǎo)軌，導(dǎo)軌支撐的儀器承臺能夠沿水槽縱向移動，使得試驗(yàn)過程中對群樁基礎(chǔ)周圍三維流場的測量能夠順利進(jìn)行。水槽的下游端設(shè)有一鉛直升降裝置，該裝置能使水槽的底坡在規(guī)定范圍內(nèi)變化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)最大為15%的可調(diào)底坡，自循環(huán)矩形斷面變坡水槽及布置情況如圖1所示。

圖1 自循環(huán)矩形斷面變坡水槽及布置示意圖

試驗(yàn)水槽入口處的水流流量，可由多普勒超聲波流量計進(jìn)行測量，水槽內(nèi)的水位可由水槽下游端水流出口處的尾門控制，上下游各位置處的水位由水位測針讀取，群樁基礎(chǔ)周圍的三維流速場由超聲波多普勒流速儀測量，橋墩群樁基礎(chǔ)周圍局部沖刷發(fā)展過程中各個典型時刻的最大沖刷深度值利用潛望鏡進(jìn)行觀測，沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)時的沖淤地形由水位測針進(jìn)行測量。試驗(yàn)研究采用的模型橋墩是主通航孔為雙跨228m中承式鋼管砼系桿拱的某跨江大橋的主墩，其群樁基礎(chǔ)模型具體形式和參數(shù)如圖2所示。

圖2 橋梁群樁基礎(chǔ)模型具體形式和參數(shù)

1.2 試驗(yàn)布置

為了開展群樁基礎(chǔ)周圍三維流場水動力特性和局部沖刷機(jī)理的相關(guān)研究，在水槽入口下游5.0m位置處，布置了一個作為有效試驗(yàn)段的長方體沙坑，該沙坑的長度為10.0m，寬1.0m，深0.4m。沙坑的上游側(cè)和下游側(cè)均安裝了厚0.2m的灰塑板做成的假底，假底上鋪設(shè)了厚0.2cm的試驗(yàn)用沙，在下游假底和試驗(yàn)水槽出口之間為沉沙池。試驗(yàn)采用天然無粘性均勻沙作為模型沙，被填充于作為試驗(yàn)有效段的長方體沙坑內(nèi)，模型沙的顆粒形狀系數(shù)SH接近于1.0，模型沙的中值粒徑為0.70mm，模型沙的不均勻系數(shù)gσ為1.2，模型沙的密度sρ為2.65×103kg/m3。試驗(yàn)布置如圖1所示。試驗(yàn)采用的群樁基礎(chǔ)模型被固定在沙坑的中心位置處，群樁基礎(chǔ)模型與沙坑的平面形心重合，距水槽入口10.0m。試驗(yàn)是在清水沖刷條件下展開的，試驗(yàn)運(yùn)行過程中的流量Q為105L/S，墩前行近流速∞U為0.36m/s，行近水深 ∞H為0.28m，來流剪切流速為0.019 m/s，模型沙的起動流速與來流剪切流速之比約為0.98。橋墩群樁基礎(chǔ)周圍的局部沖刷開始后，24h內(nèi)最大沖刷深度變化量小于1mm時被認(rèn)為沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)，沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)時橋墩群樁基礎(chǔ)周圍的沖淤地形如圖3所示。

圖3 群樁基礎(chǔ)周圍沖淤地形圖

試驗(yàn)采用順?biāo)飨蜃鳛閄方向（水槽縱向），水平面內(nèi)與縱向坐標(biāo)軸相垂直的作為Y方向（水槽橫向），垂直于水平坐標(biāo)面的作為Z方向（水槽垂向），三維坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)位于橋墩的對稱中心。試驗(yàn)開展過程中利用超聲波多普勒流速儀對橋墩群樁基礎(chǔ)上游和下游水槽中軸線上X/D=±3.1，±3.3，±3.6，±3.9，±4.2，±4.7，±5.2，±6.3，±8.3等不同位置處的18條具有代表性的測流垂線上的各項(xiàng)水力要素進(jìn)行測量和對比分析（其中橋墩寬度D為90mm），如圖1所示。每條測流垂線上的縱向和垂向流速分別用Ux和Uz表示，并利用橋墩迎水面上游的行近流速U∞無量綱化，測流垂線上各測點(diǎn)的位置高度Z用橋墩迎水面上游的行近水深 ∞H無量綱化，縱向、橫向和垂向紊動強(qiáng)度分別表示，由來流剪切流速無量綱化，雷諾應(yīng)力無量綱化。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

橋梁群樁基礎(chǔ)局部沖刷是由三維邊界層分離的多重旋渦體系和高強(qiáng)度的水體紊動引起的，所以通過分析流速、紊動強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力等流場水動力參數(shù)的沿程垂線分布規(guī)律，能夠徹底揭示橋梁群樁基礎(chǔ)的清水局部沖刷機(jī)理。

2.1 橋梁群樁基礎(chǔ)上游鉛直對稱面內(nèi)流速分布規(guī)律

為了分析向下水流和馬蹄形旋渦等水流結(jié)構(gòu)對局部沖刷的影響，在清水沖刷條件下橋梁群樁基礎(chǔ)上游鉛直對稱面內(nèi)縱向流速（X方向）和垂向流速（Z方向）分布被繪制于圖4和圖5。

由圖4中的縱向流速分布可以看出，距離橋梁群樁基礎(chǔ)越遠(yuǎn)，各測流垂線上相同水深位置處的縱向流速就越大，橋梁群樁基礎(chǔ)迎水面處測流垂線上各測點(diǎn)的縱向流速值最小，而當(dāng)X/D≥8.3后，測流垂線各測點(diǎn)處的縱向流速均達(dá)到最大值。如上所述的不同測流垂線相同水深位置處的縱向流速分布表明，橋梁群樁基礎(chǔ)對其迎水面以上水流具有一定的阻礙作用，這種阻礙作用迫使水流漸近過程中動能向勢能轉(zhuǎn)化而產(chǎn)生局部水頭損失，進(jìn)而造成局部沖刷，橋梁群樁基礎(chǔ)對其迎水面上游水流的影響范圍約為8.3倍橋墩墩寬。橋梁群樁基礎(chǔ)迎水面上游各測流垂線上，測點(diǎn)流速均隨水深增加而減小，靠近自由水面處的縱向流速最大，近床面附近的縱向流速最小，當(dāng)X/D≤3.6時，各測流垂線均位于沖刷坑范圍內(nèi)，原始河床床面以下各測點(diǎn)處均有逆向流速出現(xiàn)，而且越靠近群樁基礎(chǔ)，逆向流速值越大，最大逆向流速值為Ux/U∞＝-0.19。逆向流速的出現(xiàn)是馬蹄形旋渦形成的主要表征，逆向流速值越大則馬蹄形旋渦的沖刷力也就越強(qiáng)。上述逆向流速最大值遠(yuǎn)小于Ahmad N.等測得的Ux/U∞≈ -0.78，主要是因?yàn)椴煌趯?shí)體橋墩，橋梁群樁基礎(chǔ)是由若干樁基按一定間距規(guī)則排列形成的，在阻水的同時還具有一定的透水能力，這就使得沖刷坑內(nèi)的逆向流速極值明顯變小，因此馬蹄形旋渦的強(qiáng)度也被有效削弱。

圖4 群樁基礎(chǔ)上游縱向流速分布

分析圖5所示的垂向流速分布可知，各測流垂線上均有垂向流速出現(xiàn)，而且垂向流速均為負(fù)值，這是群樁基礎(chǔ)上游向下水流這一典型水流結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的主要表征。各測流垂線上的垂向流速均由自由水面處開始，先隨水深的增加而增大，而后又逐漸減小，并在0≤z/H∞≤0.2的范圍內(nèi)先后達(dá)到極值，這表明群樁基礎(chǔ)上游此區(qū)域內(nèi)的向下水流的沖刷力最大。越靠近群樁基礎(chǔ)的測流垂線，其上各測點(diǎn)處的垂向流速越大，在靠近群樁基礎(chǔ)承臺前沿處（X/D≈ 3.1）的原始河床面附近（z/H∞≈0）的相對垂向流速Uz/U∞出現(xiàn)約為-0.23的最大值，表明此處的向下水流對河床床面的沖刷作用最強(qiáng)，因此也幾乎是最大沖刷深度沖刷坑的出現(xiàn)位置。對比以往研究成果，本文測得的相對垂向流速最大值遠(yuǎn)小于Ahmad N等在試驗(yàn)中測得相對垂向流速最大值（Uz/U∞≈0.51），說明橋梁群樁基礎(chǔ)形式的橋墩類似于采用了開縫防護(hù)的實(shí)體橋墩，在允許部分水流穿墩而過的同時，有效削弱了墩前向下水流的沖刷力，也是工程實(shí)際中應(yīng)該優(yōu)先首選的橋梁水下基礎(chǔ)形式。

圖5 群樁基礎(chǔ)上游垂向流速分布

2.2 橋梁群樁基礎(chǔ)下游鉛直對稱面內(nèi)流速分布規(guī)律

為了分析尾流旋渦對局部沖刷的影響作用，橋梁群樁基礎(chǔ)下游鉛直對稱面內(nèi)的縱向流速和垂向流速分布分別繪制于圖6和圖7。

由圖6中鉛直對稱面內(nèi)縱向流速分布可以看出，群樁基礎(chǔ)下游鉛直對稱面內(nèi)各測流垂線上的縱向流速均隨著水深的增加而減小，并均在河床床面附近具有極小值。對于不同位置處的測流垂線來說，隨著與群樁基礎(chǔ)尾水面距離的增加，相同水深位置處的縱向流速值也增加。在X/D≤-8.3之后的尾水區(qū)域內(nèi)，縱向流速幾乎不受群樁基礎(chǔ)的影響。在X/D≤-3.3、Z/H≤0.46的水域范圍內(nèi)的測流垂線上，有逆向流速出現(xiàn)，說明在群樁基礎(chǔ)下游尾流旋渦已經(jīng)形成。在靠近群樁基礎(chǔ)尾部，X/D＝-3.1位置處的測流垂線上，相對水深Z/H＝0.16時，逆向流速具有最大值/∞UUx＝-0.18，這個值比Ahmad N.等在實(shí)體橋墩沖刷試驗(yàn)中測得的最大逆向流速值/∞UUx＝-0.32要小，這說明與實(shí)體橋墩相比，橋梁群樁基礎(chǔ)的透水性能使其下游尾流旋渦的強(qiáng)度被有效削減。

圖6 群樁基礎(chǔ)下游縱向流速分布

分析圖7所示的垂向流速分布可以看出，群樁基礎(chǔ)下游鉛直對稱面內(nèi)各測流垂線上的垂向流速均隨水深的增加先是逐漸增加，而后再逐漸減小。在相對水深0.2≤Z/H≤0.4的水域范圍內(nèi)，各測流垂線上的垂向流速先后達(dá)到極值，表明在此區(qū)域內(nèi)尾流旋渦對泥沙的卷揚(yáng)作用最為明顯。對比不同位置處的測流垂線，隨著與群樁基礎(chǔ)尾水面距離的增加，相同水深位置處的垂向流速先增加而后減小。在X/D≤ -8.3之后的測流垂線上，垂向流速幾乎不受群樁基礎(chǔ)的影響。在-4.7≤X/D≤-4.2的近床面位置附近，垂向流速具有最大值Uz/U∞=0.44。綜合來看，所有測流垂線上各測點(diǎn)處的垂向流速均為正值，說明垂向水流流向均背離河床床面，這就使得尾流旋渦能夠通過自身的旋轉(zhuǎn)和震蕩，將群樁基礎(chǔ)上游由向下水流和馬蹄形旋渦淘刷起動的泥沙卷揚(yáng)至水體中，水體中的泥沙通過水流挾帶而順?biāo)魇牛斐闪藰蛄喝簶痘A(chǔ)周圍的局部沖刷。

圖7 群樁基礎(chǔ)下游垂向流速分布

2.3 橋梁群樁基礎(chǔ)上游鉛直對稱面內(nèi)紊動強(qiáng)度分布規(guī)律

沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)后橋梁群樁基礎(chǔ)上游鉛直對稱面內(nèi)縱向（X方向）、橫向（Y方向）和垂向（Z方向）紊動強(qiáng)度分布分別如圖8、圖9和圖10所示。

由圖8中的縱向紊動強(qiáng)度分布可以看出，群樁基礎(chǔ)上游鉛直對稱面內(nèi)各測流垂線上的縱向紊動強(qiáng)度均隨水深的增加逐漸增大，而后又隨水深的增加逐漸減小，并在 0≤Z/H≤0.1的水域內(nèi)分別達(dá)到極值，這說明在向下水流和馬蹄形旋渦共同作用下，群樁基礎(chǔ)上游近床面附近各水流結(jié)構(gòu)的沖刷力最強(qiáng)。對于不同測流垂線而言，越靠近群樁基礎(chǔ)，相同水深位置處的縱向紊動強(qiáng)度越大，相對縱向紊動強(qiáng)度值最大可達(dá)這主要是越靠近群樁基礎(chǔ)水流受擾動越大的緣故，因此，也是局部沖刷防護(hù)的重點(diǎn)部位。Ahmad N等在實(shí)體橋墩沖刷試驗(yàn)中測得的相對縱向紊動強(qiáng)度最大值為要大于本文實(shí)測結(jié)果，主要是因?yàn)槿簶痘A(chǔ)具有相當(dāng)強(qiáng)的透水性，這有效降低了其對水流造成的 干擾。

圖8 群樁基礎(chǔ)上游縱向紊動強(qiáng)度分布

分析圖9所示的橫向紊動強(qiáng)度分布可知，在群樁基礎(chǔ)上游鉛直對稱面內(nèi)，各個測流垂線的橫向紊動強(qiáng)度都在自由水面處具有極小值，隨著水深的增加紊動強(qiáng)度值也逐漸增大，而后又隨著水深的增加而減小，各測流垂線上的橫向紊動強(qiáng)度極大值均出現(xiàn)在0≤Z/H≤0.15范圍的水域內(nèi)，與此對應(yīng)的水流結(jié)構(gòu)的沖刷力最強(qiáng)。測流垂線越靠近群樁基礎(chǔ)，相同水深位置處的橫向紊動強(qiáng)度就越大，在X/D＝3.1， Z/H＝0.15的位置附近，橫向紊動強(qiáng)度具有最大值這說明群樁基礎(chǔ)周圍馬蹄形旋渦的形成及其向群樁基礎(chǔ)兩側(cè)的發(fā)展造成了局部區(qū)域內(nèi)橫向紊動強(qiáng)度的增大。

圖9 群樁基礎(chǔ)上游橫向紊動強(qiáng)度分布

圖10是群樁上游鉛直對稱面內(nèi)垂向紊動強(qiáng)度分布。由圖可知，由自由水面開始，各測流垂線上的垂向紊動強(qiáng)度均隨水深的增加先增大后減小，大多數(shù)測流垂線上的紊動強(qiáng)度在0.10≤Z/H≤0.25水域內(nèi)具有極值，越靠近群樁基礎(chǔ)的測流垂線上的紊動強(qiáng)度極值越大，紊動強(qiáng)度最大值0.96出現(xiàn)在X/D＝3.1，Z/H＝0.20位置處，垂向紊動強(qiáng)度的分布特點(diǎn)表明，群樁基礎(chǔ)的透水作用將上游水流結(jié)構(gòu)沿直方向的沖刷力有效帶離河床床面附近水域。

圖10 群樁基礎(chǔ)上游垂向紊動強(qiáng)度分布

2.4 橋梁群樁基礎(chǔ)下游鉛直對稱面內(nèi)紊動強(qiáng)度分布規(guī)律

局部沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)后橋梁群樁基礎(chǔ)下游鉛直對稱面內(nèi)縱向、橫向和垂向紊動強(qiáng)度分布分別如圖11、圖12和圖13所示。

圖12 群樁基礎(chǔ)下游橫向紊動強(qiáng)度分布

圖13 群樁基礎(chǔ)下游垂向紊動強(qiáng)度分布

圖11是群樁基礎(chǔ)上游鉛直對稱面內(nèi)縱向紊動強(qiáng)度分布。由圖可以看出，從河床床面至自由水面，縱向紊動強(qiáng)度先增加而后減小，各測流垂線上的縱向紊動強(qiáng)度極值出現(xiàn)在0.40≤Z/H≤0.73的水域范圍內(nèi)。而不同測流垂線上相同水深處的縱向紊動強(qiáng)度值也不同，自群樁基礎(chǔ)尾水面起 （X/D＝-3.1），隨著與群樁基礎(chǔ)距離的增加，垂線紊動強(qiáng)度值先是增大，在X/D＝-3.9附近，縱向紊動強(qiáng)度值最大可達(dá)幾乎是尾流旋渦作用最為強(qiáng)烈的區(qū)域，所以沖刷力最強(qiáng)，此后縱向紊動強(qiáng)度值逐漸減小。當(dāng) X/D≤-8.3后，縱向紊動強(qiáng)度垂線分布相差不大，說明該區(qū)域已經(jīng)脫離了尾流旋渦影響。

由圖12中群樁下游鉛直對稱面內(nèi)橫向紊動強(qiáng)度分布可知，群樁基礎(chǔ)下游鉛直對稱面內(nèi)各測流垂線上的橫向紊動強(qiáng)度均隨水深的增加先逐漸增加而后減小，紊動強(qiáng)度極值區(qū)域（X/D≈0.65）更靠近自由水面，這使得被尾流旋渦卷揚(yáng)起來的泥沙順?biāo)魇诺膸茁矢?。對比不同測流垂線上的橫向紊動強(qiáng)度值發(fā)現(xiàn)，尾流旋渦中心區(qū)域與縱向紊動強(qiáng)度反映出來的幾乎一致，而該區(qū)域內(nèi)的最大橫向紊動強(qiáng)度值＝7.21）卻遠(yuǎn)大于最大縱向紊動強(qiáng)度值。

圖13中群樁下游鉛直對稱面內(nèi)垂向紊動強(qiáng)度的分布規(guī)律，大致與縱向和橫向紊動強(qiáng)度的分布規(guī)律相類似，略有不同的是垂向紊動強(qiáng)度的最大值及其出現(xiàn)位置（X/D＝-3.9，Z/H≈0.72）。

2.5 橋梁群樁基礎(chǔ)上游鉛直對稱面內(nèi)雷諾應(yīng)力分布規(guī)律

雷諾應(yīng)力是水體內(nèi)部的紊動水團(tuán)相互交換過程中在流層間產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。為了進(jìn)一步分析水流結(jié)構(gòu)沖刷力，橋梁群樁基礎(chǔ)上游鉛直對稱面內(nèi)的相對雷諾應(yīng)力分布繪制于圖14和圖15。

從圖14中可以看出，從Z/H＝0.5開始直至自由水面的水域范圍內(nèi)，雷諾應(yīng)力基本呈線性分布，表明該水域內(nèi)的切變流速較為穩(wěn)定。而在Z/H≤0.5≤0.5的水域范圍內(nèi)，雷諾應(yīng)力顯著增大，并在原始河床床面附近具有極大值，說明該區(qū)域內(nèi)的水體由于受到馬蹄形旋渦橫向發(fā)展的影響，產(chǎn)生了較為強(qiáng)烈的剪切作用。

2.6 橋梁群樁基礎(chǔ)下游鉛直對稱面內(nèi)雷諾應(yīng)力分布規(guī)律

局部沖刷達(dá)到平衡狀態(tài)后，橋梁群樁基礎(chǔ)下游鉛直對稱面內(nèi)的雷諾應(yīng)力分布分別如圖16和圖17所示。

由圖16中可以看出，遠(yuǎn)離群樁基礎(chǔ)的測流垂線上的雷諾應(yīng)力沿水深的變化不大，說明該區(qū)域內(nèi)水體遠(yuǎn)離尾流旋渦影響，水流的切變流速較為穩(wěn)定。而對于群樁基礎(chǔ)尾水面直至X/H∞=4.2的水域范圍內(nèi)的測流垂線來說，其上雷諾應(yīng)力

3 結(jié)語

本文通過室內(nèi)變坡水槽試驗(yàn)對橋梁群樁基礎(chǔ)附近三維流場水動力特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，群樁基礎(chǔ)上游有向下水流和馬蹄形旋渦生成，在兩個旋渦的共同作用下，水體的三維紊動加劇，切變流速變化明顯，并在靠近群樁基礎(chǔ)承臺前沿的床面附近具有極值，此位置處的沖刷力最大，是局部沖刷防護(hù)的重點(diǎn)部位，群樁基礎(chǔ)下游有尾流旋渦形成，靠近群樁基礎(chǔ)尾水面處的水體紊動較大，水流剪切作用強(qiáng)烈，使得尾流旋渦通過自身的卷揚(yáng)作用促使上游來沙懸浮后順?biāo)魇牛M(jìn)而造成沖刷，與實(shí)體橋墩相比，群樁基礎(chǔ)的透水性有效削減了上下游水流的三維流速，抑制了水體的三維紊動和水流的剪切作用，削減了旋渦體系的沖刷力。