水流夾角對群樁局部沖刷影響試驗研究

盧中一，高正榮

（南京水利科學研究院，交通部港口航道泥沙工程重點實驗室，江蘇 南京 210029）

在涉水建筑物中，不與水流流動方向平行的長形柱體，事實上存在著一個大于其實際寬度的作用寬度，其局部沖刷與該柱體在水流中的方向關(guān)系極大。Tison（1940年）首先進行了水流夾角（水流方向與涉水柱體軸線法向間的夾角） 對沖刷影響的探索研究。Laursen和Toch（1956年）在大量實驗室試驗基礎上，得出了柱體不同長寬比情況下水流夾角由0°逐漸增大而導致局部沖深加大的夾角增深系數(shù)kα，指出kα值隨水流夾角α及柱體長寬比l/b的改變而變化，該系數(shù)在以后的局部沖刷計算中得到了較多的采用。不足的是，迄今為止的研究側(cè)重于底部不過水的實體柱，而目前以群樁為主體的涉水建筑物在工程中得到越來越多的應用。在有水流夾角的樁群沖刷計算中直接引用或參考估算由實體柱體得出的系數(shù)難以滿足設計和施工的需要，因此進行不同長寬比樁群情況下水流夾角對局部沖刷影響系數(shù)的研究，既滿足生產(chǎn)建設的需要，同時又能對相應規(guī)范中涉及局部沖刷的條文進行補充、完善時提供參考。

1 試驗概況

水流對涉水樁體的沖擊程度既與水流和樁體間的水流夾角有關(guān)，又與水流的流速大小即水流對樁體的作用力大小有關(guān)，即使樁體與水流間的夾角相同，懸殊較大的流速所產(chǎn)生的局部沖刷可能發(fā)生數(shù)量級的差異。水流夾角對樁群局部沖刷影響的研究涉及多種因素：行近流速、樁群布置（樁徑、間距和長寬比）、迎水面寬、受流性質(zhì)和水深等，每種因素自成一個系列又相互影響，通過這些因素雖能使得出的量值更為精確，但大大增加了試驗難度和歷時，為使研究有個初步成果，本試驗先選用一種流速、兩種長寬比進行不同水流夾角對梅花形大型樁群局部沖刷影響的研究，初步得出樁群的夾角增深系數(shù)，再在后續(xù)的研究中逐步予以完善。

梅花形大型樁群水流夾角試驗，按樁群縱向長度l與迎水寬度b之比l/b的不同，分為l/b＝2.4和l/b＝4.4兩種情況（模型樁徑d為2.8 cm，橫向排距為2d，縱向列距為2.4d），分別見圖1和表1。

圖1 梅花形樁群布置示意圖（l/b＝2.4）

表1 不同水流夾角情況下樁群長寬比沖刷試驗概況

2 不同水流夾角情況下的局部沖刷形態(tài)

兩種長寬比情況下均進行了0°～90°的水流夾角試驗，文中主要分析長寬比l/b＝2.4的沖刷形態(tài)，l/b＝4.4的形態(tài)與之相仿，只是在沖刷范圍和沖刷深度的量值上有所差別。

試驗顯示：當樁群與水流正交（夾角α＝0°） 時，樁群迎、背水面縱向沖刷分布形態(tài)區(qū)分較明顯：樁群內(nèi)迎水面第1列后～第7列前為沖深明顯區(qū)，最大沖深點通常位于第2列后～第5列前的縱向軸線附近樁間。以整個樁群縱向長度為l，自樁群迎水面到背水面的縱向樁間沖刷大致呈“0.1l漸深區(qū)—最大沖深點—0.5l階梯形漸淺區(qū)—0.6l局部淤積堆高區(qū)—0.8l漸深區(qū)—二次最大沖深點—1.0l漸淺區(qū)”的特征。樁群背水面樁間的最大沖深約為樁群迎水面最大沖深的52%。樁群周邊沖刷坑的最大沖深約為樁群迎水面最大沖深的60%，樁群外兩側(cè)的縱向沖刷形態(tài)呈現(xiàn)迎水面的沖深大于背水面的沖深，兩側(cè)的沖刷形態(tài)大致相似。

當樁群與水流產(chǎn)生10°夾角時，迎水面第1列左外側(cè)樁～第8列中部為樁內(nèi)沖深明顯區(qū)，最大沖深點趨左位移，位于第3列～第5列的左側(cè)樁間。樁間的縱向沖刷大致呈“0.1l漸深區(qū)—最大沖深點—0.5l階梯形漸淺區(qū)—0.7l漸深區(qū)—二次最大沖深點—1.0l二次階梯形漸淺區(qū)”的特征。樁群背水面樁間發(fā)生二次沖深的最大沖深點位于整體樁群中后部的軸線附近，且最大沖深約為樁群迎水面最大沖深的68%。樁群周邊沖刷坑的最大沖深比水流夾角α＝0°時增大約10%。在增深的同時，樁群兩側(cè)沖刷形態(tài)出現(xiàn)不相似的雛形，左側(cè)的最大沖深及沖深范圍明顯大于右側(cè)（見圖2（a））。

當樁群與水流的夾角增大到20°時，樁群迎水面的最大沖刷區(qū)左偏位移明顯，最大沖深點位于第3列～第4列的左側(cè)樁間。原來的樁群背水面隨夾角的增大成為迎水面，使得背水面倒數(shù)第4列～第6列右外側(cè)樁間明顯沖深，樁群背、迎水面的最大沖深比值由α＝0°時的52%增加到95%，最大沖深量值基本相等。樁群背水面外形成一窄長形的縱向淤積帶，樁群迎水面外左側(cè)最大沖深約為右側(cè)同區(qū)域沖深的2倍。在樁群背水面外右側(cè)，同區(qū)域的最大沖深比值正好相反（見圖2（b））。

當水流夾角增大到30°時，樁群的沖刷形態(tài)基本構(gòu)成首、尾兩個相對獨立的局部沖刷坑。樁群迎水面的最大沖刷區(qū)仍位于樁群左前側(cè)，最大沖深點位于縱向第3列左側(cè)樁間；樁群背水面隨迎流面積的增加其最大沖深已大于樁群迎水面沖深，背、迎水面最大沖深比值由α＝0°時的52%增加到126%，背水面最大沖刷區(qū)位于迎流的右邊側(cè)樁間。樁群背水面外縱向淤積帶右偏。樁群迎水面外左側(cè)最大沖深與右側(cè)同區(qū)域最大沖深的比值由α＝20°的2倍減小到1.3倍左右；樁群背水面外右側(cè)約占左側(cè)同區(qū)域最大沖深的 1/2 （見圖 2（c））。

當水流夾角增大到45°時，樁群縱向沖刷分布與α＝30°時基本相同，樁群背水面右外側(cè)樁間最大沖深大于樁群迎水面沖深的態(tài)勢更為明顯，背、迎水面最大沖深比值由α＝0°時的52%增加到123%。原位于樁群中左側(cè)的淤積堆高區(qū)下移至樁群背水面左外側(cè)。樁群周邊局部沖刷坑形狀呈迎水面大、背水面小的扇形。樁群背水面外縱向淤積帶進一步右偏（見圖2（d））。

當水流夾角增大到60°時，無論是最大沖刷深度，還是最大沖刷范圍，樁群背水面處均明顯大于迎水面處。與小于該水流夾角情況相比，背水面處的最大沖深雖仍大于迎水面，但該比值由α＝45°時的123%減為116%。沖刷坑形態(tài)分布與α＝45°時情況類似（見圖2（e））。

水流夾角進一步增大到75°時，原樁群迎、背水面相對獨立的兩個沖刷坑基本連成一片，背水面最大沖深雖仍大于迎水面，但比值進一步減小，僅為105%，迎、背水面處的最大沖深已相差無幾。在樁群迎、背水面的背水面同時形成局部淤積堆高區(qū)，迎水面處堆高最大高出床面4.1 m，背水面處堆高最大高出床面2.6 m。樁群迎水面外左側(cè)沖刷坑的最大深度約為樁群背水面外右側(cè)沖深的1.4倍。樁群外兩側(cè)的沖刷具有基本相似的形態(tài)（見圖2（f））。

當水流夾角增大到90°時，此時樁群的長、寬向與α＝0°時正好相反。樁群間及周邊床面呈現(xiàn)較對稱的沖刷形態(tài)，原先的迎、背水面的最大沖深、最大沖刷范圍左右接近。整體沖刷坑形態(tài)由α＝0°時的縱長形變?yōu)闄M寬縱短形。在樁群背水面仍然形成淤積堆高區(qū)，范圍與樁群橫向基本等寬 （見圖 2（g））。

圖2 不同水流夾角情況下樁群的局部沖刷形態(tài)圖（l/b＝2.4）

樁群長寬比l/b＝4.4的沖刷形態(tài)與l/b＝2.4的情況類似。不同之處反映在l/b＝4.4時的樁群間的最大沖深量值、樁群外局部沖刷坑的范圍以及樁群中部局部淤積堆高區(qū)的高度等方面略小于l/b=2.4時的情況；兩種長寬比情況下的樁群背、迎水面最大沖深比值的分布特征基本一致。

3 不同水流夾角的最大沖深比較

3.1 樁群內(nèi)的最大沖深比較

隨著樁群與水流間夾角的逐漸增大，樁群迎水面的最大沖深逐漸增深，其中在10°＜α≤30°區(qū)域內(nèi)沖深增幅較明顯，在30°＜α≤60°區(qū)域內(nèi)沖深繼續(xù)加大，但增幅減緩；在60°＜α≤90°區(qū)域內(nèi)為沖深微增區(qū)。樁群背水面樁間的最大沖深有所不同，在0°＜α≤30°區(qū)域內(nèi)沖深增幅較明顯，在30°＜α≤60°區(qū)域沖深繼續(xù)加大，但增幅明顯減緩，在60°＜α≤90°區(qū)域內(nèi)隨著水流夾角的增大，其沖刷深度由增變減。樁群背、迎水面最大沖深比值顯示了這種變化（見表2）。

表2 樁群內(nèi)部最大沖深比較（l/b＝2.4）

3.2 樁群周邊最大沖深的比較

在樁群內(nèi)隨著水流夾角的增大其最大沖深發(fā)生變化時，樁群外側(cè)的周邊床面同期也在相應發(fā)生變化。其中：樁群迎水面外周邊床面當0°＜α≤30°時沖深逐漸增大，當30°＜α≤45°時隨角度增大沖深幅度減小，當 45°＜α≤90°時周邊床面由沖深變?yōu)橛俑撸ㄒ姳?）。

3.3 不同長寬比對沖刷的影響

樁群縱向長度不變，縮窄迎流寬度，將樁群長寬比l/b=2.4改為l/b=4.4進行相同角度間隔情況下不同水流夾角的沖刷試驗。試驗顯示，兩種長寬比的最大沖深變化既有相同特征，也存在不同之處。經(jīng)分析，相同方面表現(xiàn)在以下方面：

1）面對相同水流夾角，兩者沖刷形態(tài)呈現(xiàn)相同的基本特征。隨著夾角的增大，兩種長寬比的沖刷同樣具有“沖深明顯區(qū)—沖深緩增區(qū)—沖深由增變減區(qū)”的相同特征。水流夾角為0°時位于樁群中部的淤積堆高區(qū)伴隨角度的增大逐漸位于樁群的背水面，淤出床面高度與樁群排、列數(shù)成正比。

2） 當α≥20°時，兩種長寬比的背水面與迎水面的樁間最大沖深比值均接近于1，即α在20°左右是樁群背水面最大沖深開始大于迎水面的臨界角度。

3）樁群背、迎水面最大沖深比值接近，且呈相同的變化趨勢。在0°～90°的水流夾角范圍內(nèi)，各種水流夾角情況下樁群背、迎水面的最大沖深比值均呈“由小漸大—最大—由大漸至一致”的變化趨勢，且水流夾角30°≤α≤45°是沖深由小到大和由大到小的臨界區(qū)域。

4） 當0°＜α≤45°時，樁群迎水面的最大沖深區(qū)均位于樁群縱向軸線的前左側(cè)樁間，當45°＜α≤75°時，迎水面的最大沖深區(qū)均存在向樁群橫向中部靠攏的趨勢，當75°＜α≤90°時，迎、背水面最大沖深區(qū)逐漸相連，逐漸呈現(xiàn)梅花形樁群無水流夾角時的對稱分布態(tài)勢。樁群背水面的最大沖深區(qū)在0°＜α≤60°時，均位于樁群背水面的右外側(cè)樁間，當60°＜α≤75°時，背水面的最大沖深區(qū)均有向樁群橫向中部靠攏的趨勢，當75°＜α≤90°時，背、迎水面最大沖深區(qū)逐漸相連，逐漸呈現(xiàn)梅花形樁群無水流夾角時的對稱分布態(tài)勢。

不同之處表現(xiàn)在以下三方面：

1）在最大沖刷深度上。在樁群內(nèi)的迎、背水面和樁群外側(cè)周邊，相同縱向長度下的最大沖深表現(xiàn)為迎水寬度大的深于迎水寬度較小的，即長寬比l/b=2.4的最大沖深大于l/b=4.4的情況。

2）最大沖深由增變減的水流夾角角度變小。樁群長寬比l/b=2.4時，沖深由增變減的水流夾角在α＞60°以后，樁群長寬比l/b=4.4時，該角度提前至α＞45°后。

3）相同沖刷深度的沖刷范圍上。樁群間發(fā)生明顯沖刷區(qū)域與樁群迎流寬度成正比，相同沖刷深度的沖刷范圍迎流寬度寬的總是大于迎流寬度較窄的情況（見表4、表5和圖3）。

表3 樁群周邊最大沖深比較（l/b＝2.4）

表4 樁群內(nèi)部最大沖深比較（l/b＝2.4）

圖3 不同水流夾角時的樁群最大沖刷深度變化

4 梅花形群樁的夾角增深系數(shù)

根據(jù)試驗，得出梅花形樁群兩種長寬比情況下不同水流夾角的夾角增深系數(shù)kα（見表6和圖4）。圖中顯示：對于大型梅花形樁群而言，0°＜α≤10°區(qū)間為沖深漸增區(qū)；10°≤α≤45°區(qū)間為沖深加大區(qū)，其中 10°≤α≤30°區(qū)間為明顯沖深區(qū)；45°＜α≤75°區(qū)間為沖深緩增區(qū)；75°＜α≤90°區(qū)間為沖深微增區(qū)?？v向長度一定時，面臨相同的水流夾角，迎水寬度較窄的kα值大于迎水寬度較寬的情況，即迎流寬度越窄（在樁群條件下），其最大沖深的增幅對夾角的變化反應越敏感。

表6 實體柱體與梅花形樁群的夾角增深系數(shù)比較

圖4 梅花型樁群的迎流角系數(shù)

梅花形樁群kα值曲線分布趨勢與矩形實柱體kα值曲線類似，不同之處在于面臨相同的夾角，實體柱體kα值總是大于樁群kα值。在10°≤α≤30°的明顯沖深區(qū)，依長寬比的不同，實體kα值與樁群kα值的比值增幅有所差別：當長寬比為l/b=2～2.4時，實體kα值比樁群kα值增大約7%～11%；當長寬比為l/b=4～4.4時，實體kα值比樁群kα值增大 23%～57%。

5 結(jié)語

通過試驗得出的梅花形樁群的夾角增深系數(shù)kα在預測長江河口某跨江大橋大型群樁基礎的局部沖刷深度時得到了初步驗證。普通布置形樁群的水流試驗目前正在進行中，通過普通形、特征形布置的大型樁群物模試驗以期得出較為完善和實用的夾角增深系數(shù)。

[1]高正榮，黃建維，盧中一.長江河口跨江大橋橋墩局部沖刷及防護研究[M].北京：海洋出版社，2005.

[2]盧中一，高正榮.大型群樁基礎局部沖刷及沖刷防護技術(shù)專題研究報告[R].南京：南京水利科學研究院，2006.