單向流條件下單樁樁周沖刷過程特征試驗(yàn)研究

馬麗麗，國(guó) 振，王立忠，趙長(zhǎng)軍，秦 肖

(1. 浙江省海洋巖土工程與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310058；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310009；3.溫州市交通投資集團(tuán)有限公司,浙江 溫州 325000)

單向流條件下單樁樁周沖刷過程特征試驗(yàn)研究

馬麗麗1，國(guó) 振1，王立忠1，趙長(zhǎng)軍2，秦 肖3

(1. 浙江省海洋巖土工程與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310058；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310009；3.溫州市交通投資集團(tuán)有限公司,浙江 溫州 325000)

水流引起樁基周圍地基沖刷是海洋工程中的經(jīng)典課題，由于問題涉及流體動(dòng)力學(xué)和土力學(xué)的交叉內(nèi)容，加之試驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算能力的限制，這一沖刷過程仍有很多方面尚待進(jìn)一步厘清。開展10組室內(nèi)水槽試驗(yàn)，研究了不同水深情況下定床和動(dòng)床沖刷時(shí)單樁樁周局部沖刷深度的發(fā)展過程。在試驗(yàn)過程中，通過模型樁內(nèi)放置攝像機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樁周沖刷深度變化，得到樁周沖深邊界及最大和最小沖深方位隨時(shí)間的變化曲線。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)這一沖刷過程主要特征為：局部沖刷首先發(fā)生在樁(側(cè))前方并逐漸向樁周擴(kuò)展，而樁后則先發(fā)生淤積后再?zèng)_刷；水深越大，流速越大，樁后淤積現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間越短，樁周沖刷發(fā)展迅速、均勻，但達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間越久；樁周最大、最小沖深點(diǎn)首先分別位于樁的側(cè)前方、樁后區(qū)域，隨著試驗(yàn)進(jìn)行會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變或波動(dòng)。

樁周沖刷；單向流；圖像分析；沖刷深度

Abstract: Local scour around pile foundations is a classic issue in ocean engineering, which involves both the hydrodynamics and soil mechanics. With the current limitation of experimental techniques and computational capabilities, the scour process around the pile foundation is not clear and needs to be further explored. In this paper, ten flume experiments were conducted to study the development of local sour around a single pile under clear-water and live-bed conditions. During these experiments, a camera was placed inside the model pile to monitor the change of scour depth at the periphery of the pile, and then the curves of scour depth, maximum and minimum scour points over time were obtained. The test results illustrated the characteristics of local scour process: the local scour started in the zone in the side and front of the pile and then extended around the pile boundary. The sand at the back of model pile deposited first and then was washed away. When the water depth and the flow velocity were lager, the sand deposition at the back of model pile lasted shorter, and the local scour around the pile developed fast and needed longer time to reach the equilibrium state. The maximum point first appeared between the front and the side of the pile, and the minimum point was at the back, which changed or fluctuated during the scour process.

Keywords: scour around the pile; unidirectional flow; image analysis; scour depth

水流引起樁基周圍地基沖刷是海洋工程中的經(jīng)典課題，由于問題涉及流體動(dòng)力學(xué)和土力學(xué)的交叉內(nèi)容，加之試驗(yàn)技術(shù)和計(jì)算能力的限制，這一沖刷過程仍有很多方面尚待進(jìn)一步厘清。一般而言，在水流環(huán)境中修建樁柱結(jié)構(gòu)物，會(huì)顯著改變結(jié)構(gòu)物周圍的流場(chǎng)[1]，形成復(fù)雜多變的三維流態(tài)。如圖1所示，在樁前出現(xiàn)下降流和馬蹄形漩渦，樁側(cè)沿水流方向流線收縮，樁后尾渦不斷生成和脫落。這些流態(tài)變化大大增強(qiáng)了床砂的輸運(yùn)能力，最終在結(jié)構(gòu)物周圍形成明顯的局部沖刷坑。

針對(duì)砂質(zhì)底床上單樁基礎(chǔ)的局部沖刷問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量研究。Melville等[2]、Breusers等[3]、Hancu[4]、Laursen等[5]、Chiew等[6]、Raudkivi等[7]通過試驗(yàn)研究單向流條件下單樁的局部沖刷深度及其影響因素(水深、單樁尺寸、床砂粒徑等)，提出最大沖刷深度預(yù)測(cè)公式；Mia等[8]、Ettema[9]、Melville等[10]、Sheppard等[11-12]、Chang等[13]、Sumer等[14]提出考慮時(shí)間效應(yīng)的單樁局部沖深計(jì)算公式，用于估算達(dá)到最大沖深的時(shí)間以及某一時(shí)刻的沖刷深度值；Sumer等[1,16,18]、Melville等[15]、Richardson等[17]、Zhao等[19]基于數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為由于馬蹄形漩渦的淘蝕作用，局部沖深最大值出現(xiàn)在樁前，這一觀點(diǎn)得到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍認(rèn)可。趙威等[20]基于粒子圖像測(cè)速識(shí)別技術(shù)觀測(cè)了單樁局部沖刷過程中的流場(chǎng)特征，指出在樁后存在較高的垂向渦量和湍流強(qiáng)度，也會(huì)導(dǎo)致顯著的局部沖刷。從圖1描述和以上文獻(xiàn)回顧中可以發(fā)現(xiàn)，以往的研究主要著力于捕捉樁基周圍流態(tài)變化，在試驗(yàn)結(jié)束后通過拍照或地形掃描得到最終沖刷坑形狀，而對(duì)沖刷過程中底床形態(tài)的演化特征描述不多，甚至模糊不清，相互矛盾。雖然在試驗(yàn)過程中可以進(jìn)行水下定點(diǎn)拍照，但往往受樁柱遮擋和沖刷渾水影響，難以獲取清晰圖像。Debnath等[21]通過在透明樁內(nèi)固定攝像機(jī)監(jiān)測(cè)樁前、樁兩側(cè)和樁后四點(diǎn)沖深變化，發(fā)現(xiàn)沖刷深度在樁前最大，樁后最小，樁兩側(cè)深度對(duì)稱發(fā)展。Link等[22]采用LDS(激光測(cè)距儀)測(cè)量了樁周不同方位沖刷深度隨時(shí)間的變化，指出局部沖刷首先發(fā)生在樁側(cè)，而最大沖刷深度最終出現(xiàn)在樁前，且最大沖深與其余各方位沖刷深度存在一定的擬合關(guān)系。

圖1 圓柱形橋墩周圍的水流環(huán)境Fig. 1 Flow patten around the cylindrical bridge pier

針對(duì)穩(wěn)定單向流條件下單樁周圍的局部沖刷演化過程進(jìn)行試驗(yàn)研究，共開展了不同流速和水深條件下的10組室內(nèi)水槽試驗(yàn)，具體可分為5組定床沖刷和5組動(dòng)床沖刷。在試驗(yàn)過程中，采用透明單樁內(nèi)放置高清攝像機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樁周的沖刷深度變化。研究發(fā)現(xiàn)：局部沖刷首先發(fā)生在樁(側(cè))前方，逐漸向樁周發(fā)展，而樁后區(qū)域則先發(fā)生淤積再?zèng)_刷；水深越大，流速越大，樁后淤積現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間越短，樁周沖刷發(fā)展迅速，沖刷穩(wěn)定所需時(shí)間越久；樁周的最大、最小沖深點(diǎn)最初位于樁的側(cè)前方、樁后區(qū)域，隨著試驗(yàn)進(jìn)行會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變或波動(dòng)。

1 試驗(yàn)設(shè)置

1.1試驗(yàn)水槽與模型

本次單樁局部沖刷試驗(yàn)在多功能波流水槽(圖2)中進(jìn)行。該水槽長(zhǎng)69.0 m，寬1.2 m，高1.6 m，水槽兩側(cè)邊壁為凈高1.5 m的透明鋼化玻璃，其底部為平整的水泥底面。水槽通過以德國(guó)SIEMENS MICROMASTER 440為主的變頻系統(tǒng)造流，過流斷面最大平均流速可達(dá)0.3 m/s。

圖2 多功能波流水槽Fig. 2 Multi-function wave-current flume

試驗(yàn)區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)3 m、寬0.8 m、深0.4 m的沉砂池，位于水槽中部，見圖3。模型樁為底部密封的圓筒形透明有機(jī)玻璃管，其長(zhǎng)1.3 m，壁厚5 mm，外徑D=11 cm(D/B=0.092<0.1，B為水槽寬度，水槽邊壁對(duì)樁側(cè)壓縮水流的影響可忽略不計(jì))。為較好地模擬原型樁(D=2.8 m)周圍水流運(yùn)動(dòng)和局部沖刷現(xiàn)象，綜合考慮重力相似、水流連續(xù)相似、幾何相似和泥沙運(yùn)動(dòng)相似后，模型試驗(yàn)采用幾何比尺1∶25.45。試驗(yàn)采用模型砂為中國(guó)福建標(biāo)準(zhǔn)砂，其中值粒徑d50=0.16 mm，比重2.65。聲學(xué)多普勒點(diǎn)式流速儀(ADV)布置于模型樁前0.5 m處，用于測(cè)量試驗(yàn)過程中的樁前入射流速。攝像機(jī)1內(nèi)置于模型樁內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樁周沖深變化，攝像機(jī)2放置于水槽外側(cè)記錄試驗(yàn)時(shí)底床砂面沖刷情況。

圖3 水槽試驗(yàn)示意Fig. 3 Schematic diagram of flume tests

1.2樁周沖深實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

試驗(yàn)開始前，預(yù)先在模型樁內(nèi)部放置高清攝像機(jī)1(美國(guó)ION AIR PRO，720P)(圖4)，并將鏡頭豎直朝向模型樁底部固定，保持二者的中心對(duì)齊，由模型樁內(nèi)部拍攝試驗(yàn)過程中樁邊砂床表面的高度變化影像。首先需對(duì)所拍攝圖像進(jìn)行標(biāo)定：將帶刻度的黑白條紋(間距2.0 cm)標(biāo)定紙裹附于單樁外側(cè)(圖4(a)，4(b))(0刻度線對(duì)準(zhǔn)初始床面位置即鋪砂時(shí)初始床面與模型樁相交界線，豎直向下為正)，利用內(nèi)置攝像機(jī)拍攝，獲得如圖4(c)所示圖片。

圖4 樁周沖刷深度公式標(biāo)定Fig. 4 Calibration of scour depth formula around the model pile

貼附樁周的每條刻度線首尾對(duì)齊后均形成一個(gè)圓，可看到所有刻度線形成的圓的圓心均重合，圓越小、像素半徑R越小，其所對(duì)應(yīng)的豎向刻度值S越大；建立圖片中各圓的像素半徑R和與之對(duì)應(yīng)的豎向刻度值S的多項(xiàng)式擬合關(guān)系，即確定樁周沖刷深度計(jì)算公式S=f(R)。在攝像機(jī)鏡頭視野內(nèi)，模型樁上的任一點(diǎn)均可通過Matlab圖像處理得到與標(biāo)定圓心的距離即像素半徑R，通過沖深計(jì)算公式S=f(R)得到該點(diǎn)的深度位置即沖深值S。

圖5(a)為樁周方位角度示意圖，圖5(b)為攝像機(jī)錄制圖像的沖刷邊界及角度示意圖，其中紅色圓圈為單樁與砂床面相交的樁周沖刷邊界。在沖刷試驗(yàn)過程中，通過實(shí)時(shí)拍攝的模型樁內(nèi)圖像，利用Matlab進(jìn)行圖像處理可捕捉到樁周砂床沖刷邊界并得到?jīng)_刷邊界中每點(diǎn)的像素半徑R，進(jìn)而采用上文沖深計(jì)算公式S=f(R)獲得樁周沖刷邊界中每點(diǎn)的實(shí)際沖刷深度值S，并可確定樁周最大、最小沖刷深度及其方位角。

圖5 單樁樁周沖刷邊界示意Fig. 5 Schematic diagram of scour edge around the model pile

1.3水槽試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 水槽試驗(yàn)流程

文中開展的單樁基礎(chǔ)水槽沖刷試驗(yàn)的具體流程：

1)固定攝像機(jī)，進(jìn)行攝像圖片標(biāo)定，之后將模型樁固定于沉砂池底部；

2)向水槽中注水至水位超過沉沙池10 cm后，將浸濕飽和的模型砂緩慢填入沉砂池中，待高出沉砂池1 cm后，用平板將其抹平至與沉砂池同高度；

3)繼續(xù)注水至水槽內(nèi)水位達(dá)到試驗(yàn)所需水位，之后靜置24小時(shí)；

4)調(diào)整至試驗(yàn)所需流速，同時(shí)開啟攝像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)錄制，并在模型樁前方布置ADV測(cè)定入射流速分布(沿深度方向每隔5 cm)；

5)沖刷試驗(yàn)結(jié)束后緩慢排干水槽內(nèi)水，進(jìn)行樁周局部沖刷坑的最終測(cè)量；

6)整理試驗(yàn)儀器，準(zhǔn)備下一組試驗(yàn)。

1.3.2 試驗(yàn)水深與流速

Sumer[1]指出邊界層厚度(水深)是影響樁前漩渦尺度的重要因素。因此，本試驗(yàn)共開展5組不同水深(20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm)試驗(yàn)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 水槽試驗(yàn)情況Tab. 1 Flume test conditions

式中:z指離底床砂面的距離，uf為摩阻流速，ks為Nikurase粗糙度，通常取2.5d50，κ為von Karman常數(shù)0.41，s為模型砂比重2.65，g為重力加速度，D*=g(s-1)ν21/3d50，ν是水的運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)。

圖6 不同水深條件的實(shí)測(cè)剖面流速Fig. 6 Measured section velocity at different water depth

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1定床沖刷試驗(yàn)

如表1所示，針對(duì)定床沖刷條件共進(jìn)行了5組不同水深情況(20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm)的試驗(yàn)，其中水深20 cm時(shí)沖刷試驗(yàn)情況見圖7。

圖7 水深20 cm定床沖刷試驗(yàn)Fig. 7 Clear-water scour at the water depth of 20 cm

2.1.1 樁周沖深隨時(shí)間變化特征

圖8為定床沖刷時(shí)，不同水深條件下，模型樁的樁周沖深比(S/D)隨時(shí)間變化情況。圖中采用極坐標(biāo)，極角為樁周方位角(見圖5)，極徑為沖刷深度，不同顏色的閉合曲線表征了不同時(shí)刻樁周各方位(0→±180°)床砂邊界的沖深值，灰色區(qū)域邊界為樁周砂床的初始位置，刻度為0 cm(即初始床砂面)，大于此刻度為沖刷(閉合曲線在灰色區(qū)域內(nèi))，小于此刻度則為淤積(閉合曲線在灰色區(qū)域外)。表2給出了試驗(yàn)中模型樁樁后砂床沖、淤狀態(tài)轉(zhuǎn)變的時(shí)間點(diǎn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在試驗(yàn)初始階段，模型樁側(cè)前方(30°→60°，-30°→-60°)床砂顆粒被近底水流迅速推動(dòng)，率先發(fā)生沖刷，樁后區(qū)域出現(xiàn)淤積，水深越大其淤積速度越快(表2)，最大淤積厚度可達(dá)0.17D。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，樁前、樁側(cè)沖深持續(xù)快速發(fā)展，樁后淤積床砂顆粒開始被水流帶走，其厚度變小，水深越大樁周沖刷越快，尤其是在樁后區(qū)域，在此階段樁周沖淤情況基本以來流方向?qū)ΨQ發(fā)展。當(dāng)試驗(yàn)超過10～15 h，樁周沖刷深度基本穩(wěn)定，樁周沖刷邊界呈現(xiàn)出較為明顯的非對(duì)稱性(與Debnath[21]試驗(yàn)中樁兩側(cè)沖刷不對(duì)稱情況一致)，這主要是由于試驗(yàn)床砂的非均勻性、上游馬蹄形漩渦和尾渦脫落的隨機(jī)性導(dǎo)致的。

圖8 不同時(shí)刻定床模型樁樁周沖刷深度發(fā)展Fig. 8 Development of scour depth around the model pile at different time

沖刷性質(zhì)水深/cm樁后開始淤積時(shí)間/h樁后淤積達(dá)到最大樁后達(dá)到初始床面時(shí)間/h淤積厚度時(shí)間/h定床沖刷200．731．08-0．13D4．3300．261．43-0．17D6．25400．230．73-0．14D2．65500．0220．43-0．10D0．87600．0160．418-0．11D0．80

2.1.2 樁周最大、最小沖深及其方位變化

圖9(a)為定床沖刷試驗(yàn)中樁周的最大、最小沖刷深度隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出，樁周最大、最小沖刷深度一般在10～15 h后趨于穩(wěn)定。水深越大沖深越大，這主要是由于邊界層厚度的增加導(dǎo)致了較大的樁前漩渦尺度。圖9(b)表征了樁周沖深的最大、最小值的方位角度變化。在試驗(yàn)開始階段，樁周的最大沖深出現(xiàn)在模型樁的側(cè)前方(方位角-50°左右)，而由于樁后泥沙淤積，最小沖深首先出現(xiàn)在樁后(方位角±180°處)；隨著沖刷持續(xù)5～10 h后，最大沖深值的方位角存在突然變化，由樁側(cè)前方(方位角-50°)變?yōu)闃秱?cè)后方(方位角±125°)，最小沖深方位仍保持在樁的側(cè)后方(方位角±125°)；之后，樁周最大、最小沖深方位不再發(fā)生明顯變化。各組試驗(yàn)最終的具體沖深情況見圖10，其最大沖深值均在0.71D以上，與最小沖深存在0.2D～0.4D的差距，最大、最小沖深位置集中在樁側(cè)后方。

圖9 樁周最大、最小沖深和及其沖深方位變化Fig. 9 Evolution of maximum, minimum scour depths and their locations around model pile

圖10 不同水深時(shí)最大、最小沖深值及方位Fig. 10 Maximum, minimum scour depths and their locations at different water depth

2.2動(dòng)床沖刷試驗(yàn)

針對(duì)動(dòng)床沖刷條件共進(jìn)行了5組水深(20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm)情況的試驗(yàn)，圖11為水深20 cm時(shí)沖刷試驗(yàn)情況，可見底床表面起伏不平的沙波。

圖11 水深20 cm時(shí)動(dòng)床沖刷試驗(yàn)Fig. 11 Live-bed scour at the water depth of 20 cm

2.2.1 樁周沖深隨時(shí)間變化特征

圖12為動(dòng)床沖刷時(shí)，不同水深條件下模型樁的樁周沖深比(S/D)隨時(shí)間變化情況，動(dòng)床沖刷總體上對(duì)稱發(fā)展。如圖12所示：動(dòng)床沖刷時(shí)近底床流速大，樁前、樁側(cè)沖刷與樁后淤積同時(shí)發(fā)生且發(fā)展迅速，沖深沿水流方向?qū)ΨQ變化。表4給出了模型樁樁后沖淤隨時(shí)間變化情況?？梢钥吹?，單樁樁后砂層淤積的時(shí)間短，最大淤積厚度可超過初始床面0.13D。一般地，水深越大，樁后淤積持續(xù)時(shí)間越短且厚度越小。沖刷達(dá)到10 h后，較小水深(20 cm、30 cm、40 cm)條件下的樁周沖刷深度趨于穩(wěn)定，而對(duì)于較大水深(50 cm、60 cm)，樁周的局部沖刷仍在持續(xù)增長(zhǎng)，且沖刷深度沿樁周基本均勻發(fā)展。

圖12 不同時(shí)刻動(dòng)床模型樁樁周沖刷深度發(fā)展Fig. 12 Development of scour depth around the model pile at different time

沖刷性質(zhì)水深/cm樁后開始淤積時(shí)間/h樁后淤積達(dá)到最大樁后達(dá)到初始床面時(shí)間/h淤積厚度時(shí)間/h動(dòng)床沖刷2000．03-0．13D0．123000．03-0．11D0．094000．02-0．11D0．0475000．007-0．039D0．0136000．017-0．087D0．028

2.2.2 樁邊最大、最小沖深及其方位隨時(shí)間變化特征

在5組動(dòng)床試驗(yàn)中，樁周最大、最小沖刷深度隨時(shí)間的變化如圖13(a)所示。試驗(yàn)進(jìn)行到10 h后，較小水深(20 cm、30 cm)時(shí)最大、最小沖深趨于穩(wěn)定，而較大水深(40 cm、50 cm、60 cm)時(shí)最大、最小沖深隨時(shí)間線性增長(zhǎng)。圖13(b)所示為樁周最大、最小沖深值在模型樁樁周的方位角度變化。從圖中看出，最小沖深點(diǎn)的方位始終位于樁側(cè)后方(±150°左右)，而最大沖深點(diǎn)在較小水深(20 cm、30 cm)條件時(shí)位于樁側(cè)前方(-50°左右)，在較大水深(40 cm、50 cm、60 cm)時(shí)波動(dòng)較大(-50°→50°或±150°)，表明這兩個(gè)方位沖深差別不大；在沖刷試驗(yàn)后期，樁周各方位沖深的發(fā)展較為一致，且隨水深增加差別越小。圖14為各組試驗(yàn)最終沖深值，其最大沖深值在1.11D以上，與最小沖深值相差0.1D～0.4D，最大、最小沖深分別出現(xiàn)在樁側(cè)前方與樁側(cè)后方。

圖13 樁周最大、最小沖深及其方位變化Fig. 13 Evolution of maximum, minimum scour depths and their locations around the model piles

圖14 不同水深時(shí)最大、最小沖深值及方位Fig. 14 Maximum, minimum scour depths and their locations at different water depths

3 結(jié) 語

針對(duì)單樁樁周沖刷邊界隨時(shí)間的變化特征，本文開展了10組室內(nèi)水槽試驗(yàn)，研究不同水深、不同底床沖刷條件下，單樁基礎(chǔ)樁周的局部沖刷深度隨時(shí)間變化特征。在試驗(yàn)過程中，通過模型樁內(nèi)放置攝像機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樁周沖刷情況，獲得樁周邊界沖刷深度、最大和最小沖深及方位隨時(shí)間的變化，得到以下主要結(jié)論：

1)在沖刷的初始階段，單樁樁周的局部沖刷首先發(fā)生在樁的側(cè)前方，而在樁后區(qū)域床砂先發(fā)生淤積再逐漸被沖刷走；試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水深越大，流速越大，樁后淤積持續(xù)時(shí)間越短，淤積量越小，樁周局部沖刷發(fā)展越迅速。

2)在定床沖刷時(shí)，較小水深情況下(20 cm、30 cm)的樁周沖刷深度在短時(shí)間內(nèi)即趨于穩(wěn)定；水深越大，流速越大，沖刷穩(wěn)定所需時(shí)間越長(zhǎng)；對(duì)于動(dòng)床沖刷且水深較大時(shí)(40 cm、50 cm、60 cm)，單樁樁周沖刷深度增長(zhǎng)快，沿樁周基本均勻發(fā)展，最大、最小沖深差別小。

3)單樁基礎(chǔ)樁周的最大沖深點(diǎn)首先出現(xiàn)在樁的側(cè)前方，最小沖深點(diǎn)位于樁后區(qū)域；隨著沖刷進(jìn)行，對(duì)于定床沖刷，最大、最小沖深點(diǎn)突變?yōu)闃兜膫?cè)后方；對(duì)于動(dòng)床沖刷，最小沖深點(diǎn)始終位于樁的側(cè)后方，最大沖深點(diǎn)在較小水深(20 cm、30 cm)時(shí)位于樁的側(cè)前方，而在較大水深(40 cm、50 cm、60 cm)時(shí)在樁的側(cè)前方和側(cè)后方之間波動(dòng)。

[1] SUMER B M, FREDSON J. The mechanics of scour in the marine environment[R]. Singapore: World Scientific, 2002.

[2] MELVILLE B W, SUTHERLAND A J. Design method for local scour at bridge piers[J]. J. Hydr. Engrg, 1988, 114(10): 1210-1226.

[3] BREUSERS H N C, NICOLLET G, SHEN H W. Local scour around cylindrical piers[J]. J. Hydr. Res., 1977, 15(3): 211-252.

[4] HANCU S. Sur le calcul des affouillements locaux dans la zone des piles du pont[C]//Proceeding of the 14th International Association for Hydraulic Research( IAHR). 1971, 3: 299-313.

[5] LAURSEN E M, TOCH A. Scour around bridge piers and abutments[R]. Iowa: University of Iowa, 1956.

[6] CHIEW Y M, MELVILLE B W. Local scour around bridge piers[J]. Journal of Hydraulic Research, 1986, 25(1): 15-26.

[7] RAUDKIVI A J, ETTEMA R. Clear-water scour at cylindrical piers[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1983, 109(3): 338-350.

[8] MIA M F, HAGO H. Design method of time-dependent local scour at circular bridge pier[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2003, 129(6): 420-427.

[9] ETTEMA R. Scour at bridge piers[D]. Auckland: University of Auckland, 1980.

[10] MELVILLE B W, CHIEW Y M. Time scale for local scour at bridge piers[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1999, 125(1): 59-65.

[11] SHEPPARD D M, MUFEED O, GLASSER T. Large scale clear-water local pier scour experiments[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2004, 130(10): 957-963.[12] SHEPPARD D M, MILLER W. Live-bed local pier scour experiments[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2006, 132(7): 635-642.

[13] CHANG W Y, LAI J S, YEN C L. Evolution of scour depth at circular bridge[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2004, 130(9): 905-913.

[14] SUMER B M, CHRISTIANSEN N, FREDSON J. Time scal of scour around a vertical pile[C]// Proceeding of the 2nd International Offshore and Polar Engineering Conference. 1992: 308-315.

[15] MELVILLE B W, RAUDKIVI A J. Flow characteristics in local scour at bridge piers[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1977, 15(4): 373-380.

[16] SUMER B M, FREDSON J. Scour around pile in combined waves and current[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2001, 127(5): 403-411.

[17] RICHARDSON J E, PANCHANG B G. Three-dimensional simulation of scour-inducing flow at bridge piers[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 1988, 124(5): 530-540.

[18] ROULUND A, SUMER B M, FREDSON J, et al. Numerical and experimental investigation of flow and scour around a circular pile[J]. J.Fluid Mech, 2005, 534: 351-401.

[19] ZHAO M, CHENG L, ZHOU T. Experimental and numerical investigation of local scour around a submerged vertical circular cylinder in steady currents[J]. Coastal Engineering, 2010, 709-721

[20] 趙威, 呼和敖德. 圓柱繞流局部沖刷機(jī)制的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 力學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 38(5): 577-585.(ZHAO Wei, HUHE Aode. Experimental investigation on the local scouring mechanism around a circular pier[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2006, 38(5): 577-585.(in Chinese))

[21] DEBNATH K, CHAUDHURI S. Laboratory experiments on local scour around cylinder for clay and clay-sand mixed beds[J]. Engineering Geology, 2010, 111: 51-61.

[22] LINK O, PELEGER F, ZANKE U. Characteristics of developing scour-holes at a sand-embedded cylinder[J]. International Journal of Sediment Research, 2008, 23(3): 258-266.

[23] SOULSBY R. Dynamics of marine sands[D]. London: Tomas Telford Ltd., 1997.

Scour characteristics at the periphery of a vertical pile under steady flow

MA Lili1, GUO Zhen1, WANG Lizhong1, ZHAO Changjun2, QIN Xiao3

(1. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China; 2. Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning, Design & Research, Zhejiang, Hangzhou 310009, China;3. Wenzhou Communications Investment Group Co., Ltd, Zhejiang, Wenzhou 325000, China)

TV148

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.01.016

1005-9865(2017)01-0136-11

2016-05-31

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)(2015DFE72830)；國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(51325901)；國(guó)家自然科學(xué)基金(51209183)；浙江省自然科學(xué)基金(LY15E090002)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(2015QNA4023)

馬麗麗，女，河南人，從事樁基沖刷研究。

國(guó) 振(1982-)，男，山東淄博人，博士，副教授，從事海洋巖土工程研究。E-mail：nehzoug@163.com