樁承臺(tái)不同入水深度對(duì)局部沖刷影響的試驗(yàn)研究

盧中一，高正榮

（南京水利科學(xué)研究院，交通部港口航道泥沙工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210029）

樁承臺(tái)橋墩基礎(chǔ)是常見(jiàn)的橋基形式之一。上世紀(jì)80年代以來(lái)，樁承臺(tái)橋基得到廣泛應(yīng)用，樁承臺(tái)在原有的結(jié)構(gòu)形式上得到了拓展[1]。新型的樁承臺(tái)基礎(chǔ)盡管承臺(tái)平面形狀各不相同，但有一個(gè)共同點(diǎn)：均以承臺(tái)和樁群兩部分共同為迎流主體，而不像以前的樁承臺(tái)或偏于承臺(tái)、或偏于樁群為迎流主體。目前的樁承臺(tái)建設(shè)具有上部承臺(tái)尺度向大型、特大型發(fā)展，底部樁群向規(guī)?；?、深度化發(fā)展的趨勢(shì)，隨之以前不甚明顯的影響因素開(kāi)始凸顯，比如橋基的上部承臺(tái)在水中不同位置對(duì)局部沖刷的影響，即當(dāng)承臺(tái)尺度一定時(shí)，承臺(tái)在水中引起最大、最小局部沖刷的位置（即承臺(tái)高程）如何確定（見(jiàn)圖1）；在確定水域中，既要滿足上部承載要求、又使底部沖刷較小的承臺(tái)厚度如何確定以及底部群樁的排列方式等，這類問(wèn)題對(duì)建設(shè)部門(mén)是至關(guān)重要的。目前有關(guān)這類問(wèn)題的研究成果偏少，因此有必要對(duì)生產(chǎn)實(shí)際迫切需要解決的問(wèn)題進(jìn)行試驗(yàn)和探索。

圖1 樁承臺(tái)基礎(chǔ)在水中不同位置示意圖

1 樁承臺(tái)基礎(chǔ)局部沖刷的研究現(xiàn)狀

迄今為止，國(guó)內(nèi)對(duì)樁承臺(tái)基礎(chǔ)的研究按時(shí)間順序大致可分為兩個(gè)階段、兩種類型：

1）上世紀(jì)80年代之前（群樁、墩柱型）：以交通部公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范（以下簡(jiǎn)稱規(guī)范）中編號(hào)9和編號(hào)10的樁承臺(tái)類型為代表，這類墩基的涉水主體有兩個(gè)特點(diǎn)：一種是以群樁為主（如編號(hào)9），即樁承臺(tái)涉水部分主要為承臺(tái)底部的樁群，承臺(tái)在水面之上，該類基礎(chǔ)所發(fā)生的局部沖刷主要由樁群引起。另一種是以承臺(tái)以上的墩柱為主（如編號(hào)10），真正由樁承臺(tái)引起的沖刷只占其中的一部分，距床面較近時(shí)這種墩基接近實(shí)體墩基。

2）上世紀(jì)80年代以后（組合墩型）：有關(guān)部門(mén)對(duì)在實(shí)際中采用的樁承臺(tái)新墩型進(jìn)行了延伸研究，以規(guī)范中編號(hào)11和編號(hào)12的樁承臺(tái)類型為代表[2]，這類樁承臺(tái)主要呈現(xiàn)組合墩的特點(diǎn)：通常由橋墩柱+承臺(tái)（圍堰）+樁群三部分組成。試驗(yàn)中得出了2種特征樁承臺(tái)的墩型系數(shù)和對(duì)應(yīng)的樁承臺(tái)基礎(chǔ)局部沖深計(jì)算式，并運(yùn)用大直徑圍堰群樁墩局部沖深計(jì)算式對(duì)南京長(zhǎng)江二橋進(jìn)行了局部沖深計(jì)算，并用局部沖刷比尺模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)墩型系數(shù)計(jì)算值進(jìn)行了驗(yàn)證，使樁承臺(tái)的形式和計(jì)算得到了擴(kuò)展。

然而，樁承臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式在發(fā)展、出新，有關(guān)的涉水研究方面也是一個(gè)需要經(jīng)常完善、不斷深化的過(guò)程。迄今為止的樁承臺(tái)基礎(chǔ)研究中還存在著許多不足：首先表現(xiàn)在對(duì)特大密集型樁承臺(tái)的局部沖刷研究偏少；其次表現(xiàn)在以前對(duì)樁承臺(tái)沖刷的研究集中在底部樁群量少、細(xì)徑方面；第三是缺失對(duì)影響樁承臺(tái)局部沖刷因素的研究，比如在承臺(tái)厚度、底部布樁方式和承臺(tái)入水深度尤其是承臺(tái)頂面距水面距離對(duì)沖刷影響的研究方面。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，以前的樁承臺(tái)基礎(chǔ)只是在某些方面與樁群有關(guān)的組合型墩基，與真正的樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)相差較遠(yuǎn)，以交通運(yùn)輸部2002年頒布的公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范中4種樁承臺(tái)墩基為例：

編號(hào)9的樁承臺(tái)：屬高樁型承臺(tái)墩基。涉水主體為樁群，承臺(tái)在水面以上，局部沖刷主要由群樁所引起。

編號(hào)10的樁承臺(tái)：屬組合型承臺(tái)墩基。由墩柱+承臺(tái)+樁群三部分組成。涉水主體為墩柱和承臺(tái)，這兩部分距床面越近越接近于實(shí)體墩基。

編號(hào)11的樁承臺(tái)：屬大直徑圍堰型群樁墩基。由橋墩+圓柱圍堰+樁群三部分組成。涉水主體為大直徑的圍堰，樁群位于床面以下，水流對(duì)樁群作用有限。

編號(hào)12的樁承臺(tái)：屬組合型承臺(tái)墩基。由墩柱+工字形承臺(tái)+大直徑基樁三部分組成。涉水主體為承臺(tái)和基樁，但基樁數(shù)量少（只有前后4根），與群樁定義相差較遠(yuǎn)。

上世紀(jì)80年代末以來(lái)，蘇通長(zhǎng)江大橋、南京長(zhǎng)江三橋、四橋、杭州灣跨海大橋以及青島跨海大橋等一批國(guó)家級(jí)重點(diǎn)大橋采用了以承臺(tái)和群樁為共同迎流主體的樁承臺(tái)墩基，結(jié)構(gòu)形式得到新的拓展，因此有必要就生產(chǎn)實(shí)際涌現(xiàn)的新型墩型進(jìn)行進(jìn)一步研究和探索。

2 樁承臺(tái)類型和研究?jī)?nèi)容

2.1 樁承臺(tái)類型

本次研究是對(duì)規(guī)范編號(hào)12樁承臺(tái)類型的延伸，與該類樁承臺(tái)相同之處是承臺(tái)和樁群共為涉水主體，不同之處是底部為大型密集型群樁，而不是少量的幾根樁柱。樁承臺(tái)基礎(chǔ)底部樁群的排列方式分為梅花形和普通的規(guī)則形，外形又分成方形和矩形兩種。為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有針對(duì)性，梅花形樁承臺(tái)采用長(zhǎng)江近河口段的蘇通長(zhǎng)江大橋的橋墩基礎(chǔ)。該橋基外形呈八邊形啞鈴狀，承臺(tái)底部樁群呈梅花形布設(shè)。上部承臺(tái)高6m，迎水寬48.1m，縱向長(zhǎng)113.8m。試驗(yàn)時(shí)將啞鈴形樁承臺(tái)（見(jiàn)圖2）分成方形樁承臺(tái)（1個(gè)承臺(tái)，迎水9排，縱向梅花形布樁15列共64根樁）和矩形樁承臺(tái)（2個(gè)承臺(tái)，迎水9排，縱向梅花形布樁31列共131根樁），樁徑均為2.8m。

圖2 樁承臺(tái)（底部梅花形樁群）結(jié)構(gòu)示意圖

為使試驗(yàn)具有可比性和適用性，群樁梅花形排列與規(guī)則排列的樁承臺(tái)的沖刷試驗(yàn)在以下幾方面相同：1）承臺(tái)迎水寬度相同；2）承臺(tái)入水高度相同；3）樁承臺(tái)縱向長(zhǎng)度相同；4）承臺(tái)底部樁群迎水排數(shù)相同；5）樁徑相等；6）總樁數(shù)接近，并采用相同的試驗(yàn)條件（規(guī)則樁群樁承臺(tái)示意圖見(jiàn)圖3）。

圖3 樁承臺(tái)（底部規(guī)則形樁群）結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 研究?jī)?nèi)容

試驗(yàn)時(shí)，按底部樁群排列方式分為梅花形和規(guī)則形樁群兩種類型的樁承臺(tái)，每類樁承臺(tái)又分為方形和矩形兩種外形。其中方形樁承臺(tái)寬、長(zhǎng)均為48m；矩形樁承臺(tái)迎水面寬48m，順?biāo)鞣较虻目v向長(zhǎng)114m。以hφ為承臺(tái)底部與河床面之間的距離，h為水深，承臺(tái)底在水中的位置（即高程）從河床往水面依次分為hφ/h=0（承臺(tái)底與床面平）、0.1、0.2、0.3、0.4、0.6、0.8和 1.0（承臺(tái)底與水面平）8種不同高度。由于試驗(yàn)組次問(wèn)題，本次試驗(yàn)暫時(shí)不考慮承臺(tái)自身厚度對(duì)局部沖刷的影響，只選取承臺(tái)厚/水深=0.3的情況進(jìn)行試驗(yàn)。

3 模型概況和試驗(yàn)條件

3.1 模型概況

試驗(yàn)在寬水槽內(nèi)進(jìn)行，水槽尺度為33m（長(zhǎng)）×5m（寬），試驗(yàn)段有效范圍為10m（長(zhǎng)）×5m（寬）。水槽上游采用矩形薄壁量水堰調(diào)控流量，下游采用橫向推拉式尾門(mén)微調(diào)水位，在不受樁柱阻水影響的樁柱上游布設(shè)直讀式流速儀監(jiān)控行近流速（垂線平均）。試驗(yàn)時(shí)，將樁承臺(tái)模型置于水槽中部，水流動(dòng)力采用恒定流，調(diào)控好水位和行近流速后即進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)監(jiān)測(cè)橋基附近地形變化，直到相鄰幾次監(jiān)測(cè)顯示變化不明顯時(shí)，說(shuō)明局部沖刷達(dá)到基本平衡，試驗(yàn)結(jié)束。多次試驗(yàn)顯示，橋基從開(kāi)始沖刷到基本平衡，歷時(shí)2.5～3 h。為便于比較，每組試驗(yàn)沖刷時(shí)間一律取3 h。沖刷后的地形采用地形界面儀和測(cè)針相結(jié)合的方法測(cè)量，并用攝影輔助反映沖刷形態(tài)。

試驗(yàn)采用非原型天然沙作為模型沙，其中值粒徑 d50=0.22mm，γs=2.65 t/m3。

3.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用的水流條件見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)條件

4 梅花樁承臺(tái)的局部沖刷特征

由于承臺(tái)與底部樁群共同構(gòu)成涉水主體，因此樁承臺(tái)的局部沖刷既具有樁群沖刷的特征，也具有有別于樁群沖刷的特征，其不同程度取決于涉水主體是上部承臺(tái)還是底部群樁。

為探討承臺(tái)厚度一定時(shí)，淹沒(méi)水中的承臺(tái)底部距河床面高度（即hφ）不同時(shí)對(duì)局部沖刷的影響，承臺(tái)厚度為6m，hφ分為0m（承臺(tái)底與床面平）、2m、4m、6m、8m、12m、16m和20m（承臺(tái)底與水面平）8種高度，試驗(yàn)水深為20m，墩前行近流速為3.0m/s。試驗(yàn)采用的樁承臺(tái)分為方形和矩形兩種，承臺(tái)下樁群為梅花形排列。

4.1 方形承臺(tái)的縱向特征

試驗(yàn)時(shí)將梅花形樁群樁承臺(tái)分為方形（1個(gè)承臺(tái)，迎水面橫向布設(shè)9排，順?biāo)较蚩v向梅花形布設(shè)15列共64根φ=2.8m樁）和矩形（2個(gè)承臺(tái)，迎水面橫向布設(shè)9排，順?biāo)较蚩v向梅花形布設(shè)31列共131根φ=2.8m樁）兩種，即在承臺(tái)迎水寬度相同、順?biāo)鞣较蛏祥L(zhǎng)度不同情況下研究承臺(tái)在水中不同位置時(shí)對(duì)樁承臺(tái)局部沖刷的影響。

根據(jù)試驗(yàn)得出方形承臺(tái)的縱向最大沖深，逐一列出承臺(tái)在水中不同位置時(shí)發(fā)生在樁群樁間床面的沖刷特征（見(jiàn)圖4）。

圖4 承臺(tái)入水不同位置時(shí)的縱向局部沖刷過(guò)程線（方形承臺(tái)，梅花樁）

承臺(tái)底與河床面平齊 （即hφ=0）時(shí)，承臺(tái)頂面距水面14m，最大沖刷發(fā)生在迎水面第3列。迎水第1列～第3列為沖深明顯增大區(qū)；第4列～第9列為沖深明顯減小區(qū)；第10列～第15列為微沖區(qū)。

承臺(tái)底距河床面2m （即hφ=0.1）時(shí)，承臺(tái)頂面距水面12m，最大沖刷發(fā)生在迎水面第2列。迎水第1列～第2列為沖深明顯增大區(qū)；第3列～第9列為沖深明顯減小區(qū)；第10列～第15列為微沖區(qū)。

承臺(tái)底距河床面4m（即hφ=0.2）時(shí)，承臺(tái)頂面距水面10m，最大沖刷發(fā)生在迎水面第3列。迎水第1列～第3列為沖深明顯增大區(qū)；第4列～第12列為沖深明顯減小區(qū)；第13列～第15列呈微沖。

承臺(tái)底距河床面6m（即hφ=0.3）時(shí)，承臺(tái)頂面距水面8m，最大沖刷發(fā)生在迎水面第2列。迎水第1列～第2列為沖深明顯增大區(qū)；第3列～第15列均為沖深明顯減小區(qū)。

承臺(tái)底距河床面8m（即hφ=0.4）時(shí)，承臺(tái)頂面距水面6m，最大沖刷發(fā)生在迎水面第2列。迎水第1列～第2列為沖深明顯增大區(qū)；第3列～第15列均為沖深明顯減小區(qū)。

承臺(tái)底距河床面12m（即hφ=0.6）時(shí)，承臺(tái)頂面距水面2m，最大沖刷發(fā)生在迎水面第3列。迎水第1列～第3列為沖深明顯增大區(qū)；第4列～第15列均為沖深明顯減小區(qū)。

承臺(tái)底距河床面16m（即hφ=0.8）時(shí)，此時(shí)承臺(tái)頂面在水面以上2m，最大沖刷發(fā)生在迎水面第3列。迎水第1列～第3列為沖深明顯增大區(qū)；第4列～第15列均為沖深明顯減小區(qū)。

承臺(tái)底距河床面20m（即hφ=1.0）時(shí)，此時(shí)承臺(tái)底面與水面平，最大沖刷發(fā)生在迎水面第3列。迎水第1列～第3列為沖深明顯增大區(qū)；第4列～第15列均為沖深明顯減小區(qū)。

試驗(yàn)顯示：明顯沖深區(qū)位于承臺(tái)底部的樁群間，最深點(diǎn)通常位于迎水面樁群的第2列或第3列，而且基本不隨承臺(tái)底面距床面高度（即高程）的變化作前移或延后。

4.2 矩形承臺(tái)的縱向特征

其他尺度不變，改變樁承臺(tái)的順?biāo)v向長(zhǎng)度（增加縱向列數(shù)和總樁數(shù)），成為矩形樁承臺(tái)。試驗(yàn)顯示：在承臺(tái)底距河床面高度相同情況下，除了沖深量值有所不同外，矩形承臺(tái)的最深點(diǎn)位置仍維持在迎水面的第2列～第3列，也就是說(shuō)，改變樁承臺(tái)縱向長(zhǎng)度，局部沖深量值會(huì)發(fā)生變化，而最深點(diǎn)位置不會(huì)改變，前述方形樁承臺(tái)在水中不同位置時(shí)的沖刷特征在矩形樁承臺(tái)中仍然存在。由于長(zhǎng)度增加中間用連接梁連接前后兩承臺(tái)，矩形樁承臺(tái)又具有新的沖刷特征：在矩形樁承臺(tái)縱向31列沖刷中，迎水面第1列～第3列為沖深漸大區(qū)；第2列～第3列為最深區(qū)；第4列～第16列為明顯減沖區(qū)；第16列～第17列之間是兩承臺(tái)的連接梁位置，底部布樁較少，成為群樁間沖刷由沖轉(zhuǎn)淤的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；第17列～第21列為由沖變淤區(qū)；第22列～第29列為由淤變沖區(qū)；第28列～第29列為二次沖深區(qū)；第30列～第31列為微沖區(qū)。如把樁承臺(tái)縱向長(zhǎng)度定義為“L”，那么：0﹤L﹤0.1L為沖深漸大區(qū)；0.1L附近為樁群內(nèi)最大沖深點(diǎn)；0.1L﹤L﹤0.5L為明顯減沖區(qū)；0.5L～0.7L為由沖變淤區(qū)；0.7L﹤L﹤0.9L為由淤變沖區(qū)；0.9L附近為背水面二次沖深區(qū)；L﹥0.9L為微沖區(qū)，矩形樁承臺(tái)順?biāo)鞣较虻目v向沖刷呈橫“S”狀（見(jiàn)圖5）。

圖5 承臺(tái)入水不同位置時(shí)的縱向局部沖刷過(guò)程線（矩形承臺(tái)，梅花樁）

由此可見(jiàn)，樁承臺(tái)的局部沖刷除了與承臺(tái)迎水寬度和底部群樁布置方式及數(shù)量多寡有關(guān)外，還取決于淹沒(méi)在水中的承臺(tái)厚度以及承臺(tái)底部與河床面的距離。

5 規(guī)則樁承臺(tái)的局部沖刷特征

梅花形樁群樁承臺(tái)的局部沖刷反映的是特例情況下的沖刷特征，要使試驗(yàn)成果具有普遍性，必須對(duì)通常的規(guī)則樁群樁承臺(tái)的沖刷進(jìn)行試驗(yàn)并加以對(duì)比，找出其共性和特點(diǎn)，才能對(duì)此類樁承臺(tái)的局部沖刷有個(gè)較深入的了解。因此在同樣條件下對(duì)規(guī)則樁群樁承臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)。

5.1 承臺(tái)下群樁間橫向沖刷特征

按照梅花樁群樁承臺(tái)的迎水寬度、縱向長(zhǎng)度和總樁數(shù)，將承臺(tái)下樁群布置成普通的規(guī)則排列，依樁承臺(tái)縱向長(zhǎng)度分為正方形樁承臺(tái)（迎水面9排，縱向7列，總計(jì)63根樁）和矩形樁承臺(tái)（迎水面9排，縱向14列，總計(jì)126根樁）。試驗(yàn)顯示：規(guī)則樁群樁承臺(tái)的最大沖深發(fā)生在迎水面的前3列，以第1列居多；方形樁承臺(tái)與矩形樁承臺(tái)橫向沖深形態(tài)接近，基本不受縱向長(zhǎng)度的影響。處于水下相對(duì)同一位置樁承臺(tái)的橫向間最大沖深與最小沖深的變幅較小，一般在20%以內(nèi)。最大沖深點(diǎn)通常位于迎水面前3列的群樁內(nèi)側(cè)樁間（不一定位于縱軸線上），在此范圍內(nèi)變動(dòng)。橫向沖刷深度隨樁群端部與河床面距離的趨遠(yuǎn)而加大，當(dāng)承臺(tái)逐步出水后，橫向沖深又有所減小。

5.2 承臺(tái)下群樁間縱向沖刷特征

方形樁承臺(tái)的縱向沖刷特征表現(xiàn)為：縱向沖刷呈前深（迎水面）后淺（背水面）的“勺”狀形態(tài)，最大沖刷區(qū)域位于迎水面前3列，承臺(tái)底中前部至中后部為局部沖刷由漸深轉(zhuǎn)變?yōu)闈u淺的過(guò)渡區(qū)，樁群后部為沖刷相對(duì)穩(wěn)定的淺沖區(qū)。隨著承臺(tái)底與河床面距離的加大，樁群間的最大沖刷深度逐漸增加。在承臺(tái)頂面即將出水時(shí)（hφ/h=0.6）樁承臺(tái)的局部沖刷達(dá)到最大；承臺(tái)部分出水后，局部沖刷有所減弱；承臺(tái)全部出水后，類似單純的樁群沖刷。當(dāng)hφ/h≤0.2時(shí)，最大沖刷區(qū)位于樁群迎水面的第1列樁間；當(dāng)hφ/h﹥0.2時(shí)，最大沖刷區(qū)后移且穩(wěn)定在樁群迎水面的第2列樁間附近區(qū)域。樁群背水面最小沖深一般在迎水面最大沖深的29.5%～37.5%之間。方形樁承臺(tái)的縱向沖刷見(jiàn)圖6。

圖6 承臺(tái)入水不同位置時(shí)的縱向局部沖刷過(guò)程線（方形承臺(tái)，規(guī)則樁）

矩形樁承臺(tái)沖刷具有與方形樁承臺(tái)相似的沖刷特征，不同在于由于縱向長(zhǎng)度的延長(zhǎng)，樁群阻力加大，使得矩形樁承臺(tái)背水面淺沖區(qū)的沖刷強(qiáng)度進(jìn)一步衰減，沖深幅度明顯變小，甚至在承臺(tái)底樁群中部附近形成局部淤積堆高，并和梅花形樁群一樣，具有在迎水面沖深越大，樁群中部沖深越小甚至堆高的逆反沖淤形態(tài)；在樁承臺(tái)的背水面附近，由于失去承臺(tái)和樁群的攔阻，承臺(tái)外側(cè)渦流具有內(nèi)攏趨聚性，使得樁承臺(tái)中后部的沖刷力度略有增大，樁間發(fā)生二次沖深且基本穩(wěn)定在迎水面最大沖深的30%～40%之間。矩形樁承臺(tái)的縱向沖刷見(jiàn)圖7。

圖7 承臺(tái)入水不同位置時(shí)的縱向局部沖刷過(guò)程線（矩形承臺(tái)，規(guī)則樁）

6 承臺(tái)底距床面不同高度對(duì)局部沖刷的影響

樁承臺(tái)呈方形時(shí)：在承臺(tái)底距床面hφ=0.1 h時(shí)，最大沖深和縱向沖深最??；其次為承臺(tái)底與床面平齊hφ=0時(shí)的情況；當(dāng)承臺(tái)底部與床面位置處于0.1 h﹤hφ﹤0.6 hφ區(qū)間時(shí)，最大沖深和縱向沖深逐漸加大，在hφ=0.6 h時(shí)最大沖深和縱向沖深達(dá)到最大；當(dāng)0.6 h﹤hφ=1.0 h時(shí)，沖深增幅由大轉(zhuǎn)小，當(dāng)hφ=1.0 h（即承臺(tái)底與水面平齊）時(shí)，其沖深幅度與hφ＝0.4 h時(shí)情況相當(dāng)。

值得注意的是：當(dāng)承臺(tái)底距河床面12m（即hφ=0.6，承臺(tái)頂面距水面2m）時(shí)，底部河床的沖深達(dá)到最大；當(dāng)承臺(tái)底距河床面2m （即hφ=0.1，承臺(tái)頂面距水面12m）時(shí)，底部河床的沖深最??；承臺(tái)底與床面平齊時(shí)的沖深除了大于承臺(tái)底距河床面2m時(shí)的情況，均小于承臺(tái)底距床面其它高度的情況。樁承臺(tái)的這種沖刷特征與承臺(tái)在水中的位置以及流速垂向分布有關(guān)：承臺(tái)底與床面平齊時(shí)，樁群在泥面以下，高6m的承臺(tái)臺(tái)體相當(dāng)于一個(gè)實(shí)體墩，水流直接沖擊承臺(tái)邊壁。當(dāng)承臺(tái)底距河床面2m時(shí)，承臺(tái)底下2m的群樁空間可以過(guò)流，加上近底流速較小，因此沖深最淺；而承臺(tái)底距河床面12m，即hφ=0.6時(shí)，承臺(tái)接近水流垂向分布的最大流速區(qū)，沖擊承臺(tái)邊壁下趨的水流淘刷力較大導(dǎo)致沖深較明顯。當(dāng)承臺(tái)部分出水后（如承臺(tái)底距河床面16m，即hφ=0.8時(shí)），因迎流面積減少，沖深由大轉(zhuǎn)小；當(dāng)承臺(tái)底面與水面平時(shí)，整個(gè)承臺(tái)全部處于水面以上，此時(shí)的沖刷類似由群樁引起的局部沖刷。受形狀所限，方形樁承臺(tái)基礎(chǔ)順?biāo)鞣较虻目v向沖刷呈前深后淺的“勺”狀形態(tài)。

矩形樁承臺(tái)的沖刷與方形樁承臺(tái)的情況相近，有所不同表現(xiàn)在：hφ﹤0.3 h時(shí)沖深均小于hφ＝0時(shí)的沖刷，這可能有兩個(gè)原因引起：一是垂向近底水流本身低緩，群樁間能過(guò)流更使淘刷力降低；二是受縱向長(zhǎng)度延長(zhǎng)總樁數(shù)增加使得阻力增加流速減緩的影響。0.3 h水層向上，隨著垂向流速的逐漸增大，沖深均大于hφ＝0時(shí)的沖刷。矩形樁承臺(tái)的縱向沖刷由方形樁承臺(tái)的“勺”形變?yōu)闄M“S”形，且從承臺(tái)中部起向背水面區(qū)域呈現(xiàn)承臺(tái)前中部沖深越大、后中部淤高越大、沖深越淺的逆反形態(tài)。

矩形樁承臺(tái)在不同hφ情況下的沖刷特征為：hφ＝0.1時(shí)，承臺(tái)底部樁間的最大沖深和縱向沖深最??；hφ﹤0.3 h時(shí)的沖刷小于hφ＝0時(shí)的情況；當(dāng)0.3 h﹤hφ﹤0.6 h時(shí)，最大沖深和縱向沖深逐漸加大，hφ＝0.6h時(shí)最大沖深和縱向沖深仍維持最大。

方形、矩形樁承臺(tái)底部距河床不同高度時(shí)的最大沖深見(jiàn)圖8和圖9。

圖8 承臺(tái)底距河床不同高度時(shí)的最大沖深（梅花樁承臺(tái)）

圖9 承臺(tái)底距河床不同高度時(shí)的最大沖深（規(guī)則樁承臺(tái)）

由此可見(jiàn)，樁承臺(tái)基礎(chǔ)在迎水寬度、橫向布樁排數(shù)一定的情況下，承臺(tái)底部距河床面高度（即hφ）以及縱向長(zhǎng)度（L）的不同只改變最大沖深量值的大小，不改變局部沖深的分布特征：即hφ＝0.1 h時(shí)，樁承臺(tái)的最大沖深和縱向沖深最??；當(dāng)0.1 h﹤hφ﹤0.6 h時(shí)，局部沖深由小逐漸加大，當(dāng)hφ＝0.6 h時(shí)最大沖深和縱向沖深達(dá)到最大；當(dāng)0.6 h﹤hφ＝1.0 h時(shí)，沖深增幅由大變小。

7 結(jié)語(yǔ)

樁承臺(tái)的局部沖刷程度與水中的承臺(tái)位置（即高程）有關(guān)，同時(shí)又與在承臺(tái)的自身厚度有關(guān)[3]。研究表明：承臺(tái)厚度相同時(shí)，梅花形和規(guī)則樁群樁承臺(tái)均在承臺(tái)底距河床面hφ=0.6時(shí)局部沖深達(dá)到最大；發(fā)生最小沖深的水中位置則與樁承臺(tái)底部的布樁方式有關(guān)：梅花形布樁時(shí)，承臺(tái)底距河床面0.1 h時(shí)沖深最?。灰?guī)則布樁時(shí)，承臺(tái)底與床面齊平（即hφ=0）沖深最小，在確定承臺(tái)高程時(shí)應(yīng)重視樁承臺(tái)位置對(duì)局部沖刷的影響。需要說(shuō)明的是，本次試驗(yàn)僅僅梅花形和規(guī)則群樁樁承臺(tái)進(jìn)行了研究，未能顧及其他布樁方式的樁承臺(tái)情況，而且沒(méi)有考慮流速變化對(duì)其的影響，所以研究?jī)H是初步的，后續(xù)繼續(xù)開(kāi)展對(duì)其他布樁方式的樁承臺(tái)、承臺(tái)厚度、底部樁群打設(shè)順序等多種因素對(duì)局部沖刷影響的研究，以期對(duì)大型樁承臺(tái)的局部沖刷有個(gè)比較深入、完整的認(rèn)識(shí)。

[1] 鐵道部科學(xué)研究院墩形系數(shù)專題組.橋墩局部沖刷墩形系數(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，1984（2）：103-107.

[2] 齊梅蘭，王國(guó)華.新型橋墩局部沖刷研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2002，23（3）：99-103.

[3] 高正榮，黃建維，盧中一.長(zhǎng)江河口跨江大橋橋墩局部沖刷及防護(hù)研究[M].北京：海洋出版社，2005.