波浪作用下跨海橋梁樁基沖刷防護(hù)裝置特性研究

段瑋瑋，孫 佳，朱海芬，李 強(qiáng)

(浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江舟山 316022)

近年來(lái)，跨海大橋建設(shè)在我國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)興起?？绾４髽虻慕ㄔO(shè)大量采用樁基作為基礎(chǔ)，而海洋環(huán)境下橋梁樁基的沖刷作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了一定的影響。橋梁樁基的局部沖刷長(zhǎng)期以來(lái)受到工程界的關(guān)注?；诹黧w力學(xué)和大量的模型試驗(yàn)研究，工程界對(duì)樁周局部沖刷機(jī)理已經(jīng)有了全面的認(rèn)識(shí)[1]。對(duì)于局部沖刷而言，其原因主要?dú)w結(jié)于樁柱周圍上游處流體的分離和下游處周期性的渦街釋放。但在海洋環(huán)境下除了流的作用外，波也是一個(gè)重要的影響因素。根據(jù)波長(zhǎng)與樁徑比，一般樁柱可分為大直徑的墩和小直徑的樁。過(guò)去四十年來(lái)，很多研究者對(duì)小直徑樁在波浪作用下樁周的局部沖刷進(jìn)行了研究。CHEN Guoping，et al[2]認(rèn)為樁周的局部沖刷根據(jù)床面速度和底質(zhì)的起動(dòng)速度以及波長(zhǎng)和樁徑比可以分為三種類型：渾水沖刷、對(duì)稱角狀分布沖刷、環(huán)向沖刷。由于樁周的沖刷作用會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，工程界對(duì)于減低樁周沖刷一直較為關(guān)注，也提出了很多的沖刷防護(hù)措施。DEY，et al[3]把工程防護(hù)措施分為保護(hù)層措施和改變流場(chǎng)措施兩類。保護(hù)層措施主要包括拋石、系纜塊、四面體防護(hù)塊等；改變流場(chǎng)措施主要有墩前樁列、淹沒(méi)檻、樁前三角翼式檻、墩部分或整體開(kāi)縫防護(hù)、護(hù)圈防護(hù)等，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了一種附于樁上的對(duì)稱分割板和螺旋繞線樁。CHIEW[4]回顧了橋墩沖刷防護(hù)現(xiàn)有方法，提出了一種由開(kāi)縫和護(hù)圈組合的防護(hù)方法，研究表明可以減低沖刷深度達(dá)20%。大多數(shù)這些沖刷防護(hù)對(duì)于工程來(lái)說(shuō)都是較為昂貴的，相比較而言，采用護(hù)圈防護(hù)是可行的[5]，但護(hù)圈防護(hù)的效果取決于護(hù)圈與床面的距離，KUMAR，et al[6]指出護(hù)圈只在離床面一定范圍內(nèi)可以有效的減低局部沖刷，應(yīng)用上存在一定的局限性。

1 沖刷防護(hù)裝置設(shè)計(jì)

通過(guò)文獻(xiàn)回顧，可以發(fā)現(xiàn)樁周局部沖刷主要有三個(gè)因素引起：樁前向下流、馬蹄渦和樁后渦街釋放。本文提出了一種能夠降低樁周局部沖刷的防護(hù)裝置，它由一個(gè)上部護(hù)圈和一個(gè)表面鉆有很多圓孔的護(hù)筒組合而成，這里采用了16 列孔，鉆孔排數(shù)根據(jù)筒高不同而變，如圖1(a)所示。護(hù)圈可以有效降低向下流，多孔管可以改變樁周流場(chǎng)，安裝示意圖如圖1(b)所示。

圖1 防護(hù)裝置簡(jiǎn)圖和安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of protective device and installation diagram

2 試驗(yàn)系統(tǒng)和測(cè)試方法

樁的局部沖刷試驗(yàn)在波浪水槽中進(jìn)行，水槽中試驗(yàn)段長(zhǎng)17 m，寬1.4 m，深1.0 m，下游為消浪斜波段。水槽中設(shè)有4.8 m 長(zhǎng)，0.5 m 深的砂床段，距造波機(jī)為30 m。所采用的砂的中值粒徑為0.25 mm。直徑分別為35 mm、45 mm、55mm 的透明塑料管被用來(lái)模擬不同直徑的樁基，塑料管上在周向8 個(gè)方向上標(biāo)有刻度。這些管子垂直安設(shè)于砂床中部，通過(guò)造波機(jī)造波進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)由浪高儀和沖刷深度測(cè)試裝置組成，3 個(gè)電容式浪高儀安設(shè)于水槽中心線上，彼此保持一定的間距置于砂槽段前方。通過(guò)浪高儀監(jiān)測(cè)波高，并將數(shù)據(jù)反饋給造波機(jī)，以便波高可以精確控制。上述樁基沖刷測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2 所示。本研究中關(guān)注的是樁周和防護(hù)裝置周圍的沖刷深度，但由于本裝置是由護(hù)筒和護(hù)圈組成，護(hù)圈的存在使得樁周沖刷深度測(cè)試存在困難，地形儀不方便測(cè)試，因此采用了內(nèi)窺鏡裝置對(duì)樁周8 個(gè)方向的沖刷深度進(jìn)行測(cè)試。方向由入射波攻角θ 來(lái)定義，攻角范圍為-180°～180°，其中θ=0°代表垂直于樁表面的入射波方向，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)。試驗(yàn)中采用時(shí)間間隔為每次造波后15 min、30 min、60 min，之后采用每2 h 測(cè)1 次，直至相鄰2次樁周的沖刷深度相對(duì)較小或不變?yōu)橹?，視為此時(shí)達(dá)到樁周沖刷平衡。雙樁試驗(yàn)中采用串列雙樁布置，樁的中心距為10.8 cm。

圖2 沖刷試驗(yàn)波浪水槽簡(jiǎn)圖Fig.2 Scouring test wave sink sketch

3 樁周局部沖刷

當(dāng)樁徑較小時(shí)，樁周局部沖刷主要由馬蹄渦產(chǎn)生。樁周最大沖刷坑和最大沖刷深度的產(chǎn)生非?？拷鼧渡?。本次試驗(yàn)研究中，在波的作用下，底床砂產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)形成砂紋，樁周地形的變化包括了由渦流產(chǎn)生的局部沖刷和砂紋變化兩部分共同作用產(chǎn)生。試驗(yàn)共計(jì)22 組單樁沖刷試驗(yàn)和12 組串列雙樁沖刷試驗(yàn)，包括9 組無(wú)防護(hù)裝置的單樁沖刷試驗(yàn)，13 組為加防護(hù)裝置的樁周局部沖刷試驗(yàn)以及3 組無(wú)防護(hù)串列雙樁沖刷試驗(yàn)和9 組加防護(hù)裝置的串列雙樁沖刷試驗(yàn)。大多數(shù)試驗(yàn)中發(fā)生了渾水沖刷，在較短波長(zhǎng)的波的作用下，有少數(shù)試驗(yàn)中出現(xiàn)了類似流體沖刷的環(huán)向沖刷。根據(jù)樁周局部沖刷深度的測(cè)試結(jié)果，得出了局部沖刷的發(fā)展和一些重要的影響因素對(duì)樁周局部沖刷的作用。

3.1 樁周最大沖刷深度的發(fā)展

樁周最大沖刷深度與最終沖刷深度比隨波數(shù)而發(fā)展，由于本研究中沖刷是由兩種作用疊加，因此沖刷深度隨波數(shù)的發(fā)展較為曲折。隨著波浪沖刷時(shí)間的增長(zhǎng)，局部沖刷形態(tài)基本不變。樁無(wú)防護(hù)時(shí)的最大沖刷深度集中在樁的后部，其攻角在-135°～135°之間，而有防護(hù)時(shí)樁周最大沖刷深度主要集中在樁的兩側(cè)。

3.2 最大沖刷深度的影響因素

正如上面所提到的，樁周局部沖刷的最大沖刷深度與入射波高、波長(zhǎng)、水深、樁徑、防護(hù)裝置筒高、護(hù)圈直徑和開(kāi)孔率有關(guān)。

3.2.1 波高的影響圖3 反映了最大沖刷深度和波高的關(guān)系。從圖3 可見(jiàn)，樁周沖刷深度隨著波高的增加而增加，增加了防護(hù)的樁周沖刷深度小于無(wú)防護(hù)樁的沖刷深度。

3.2.2 波長(zhǎng)的影響圖4 反映了最大沖刷深度與波長(zhǎng)的關(guān)系，兩者之間的關(guān)系與波高對(duì)沖刷深度的影響基本一致。

圖3 有/無(wú)防護(hù)下波高對(duì)沖刷深度的影響Fig.3 Effect of wave height on scour depth with/without protection

圖4 有/無(wú)防護(hù)下波長(zhǎng)對(duì)沖刷深度的影響Fig.4 Effect of wave length on scour depth with/without protection

3.2.3 水深的影響

圖5 反映了最大沖刷深度與水深的關(guān)系，最大沖刷深度隨著水深的增加而降低，水深越小，沖刷深度的降低越快，有防護(hù)的樁周沖刷深度小于無(wú)防護(hù)的情況。由于底層水流速度隨著水深的增加迅速降低，結(jié)果造成最大沖刷深度減小?？梢酝茢?，當(dāng)水深增加到一定深度，如h＞L/2 時(shí)，樁周沉積物不再發(fā)生運(yùn)動(dòng)，最大沖刷趨于零。

4月24日是個(gè)星期一，參觀者不多，但還是有好幾隊(duì)中、小學(xué)生的參觀隊(duì)伍在老師帶領(lǐng)下安靜有序地參觀。博物館展示內(nèi)容除了卡爾梅克人社會(huì)、文化、民俗外，歷史部分占了參觀大廳一層一個(gè)大展廳，其中阿玉奇汗的業(yè)績(jī)占了顯要地位。對(duì)渥巴錫東歸之舉則是用平實(shí)的言詞客觀描述了這一歷史事件始末，少有評(píng)議。值得一提的是，我們?cè)诓┪镳^當(dāng)代卡爾梅克造型藝術(shù)的展廳不僅看到了反映阿玉奇汗與彼得大帝會(huì)面場(chǎng)景的精美的油畫(huà)，還看到了土爾扈特末代公主滿琳的巨幅油畫(huà)。

3.2.4 樁徑的影響

樁徑對(duì)沖刷深度的影響如圖6 所示，樁徑越大，沖刷深度越大。在無(wú)防護(hù)的情況下，樁周沖刷深度和樁徑呈線性關(guān)系，當(dāng)增加了防護(hù)裝置后，沖刷深度小于無(wú)防護(hù)的情況，且在直徑較小時(shí)，沖刷深度的增長(zhǎng)平行于無(wú)防護(hù)的情況，而在直徑較大時(shí)，沖刷深度的增加趨緩。

圖5 有/無(wú)防護(hù)下水深對(duì)沖刷深度的影響Fig.5 Effect of water depth on scour depth with/without protection

圖6 有/無(wú)防護(hù)下樁徑對(duì)沖刷深度的影響Fig.6 Effect of pile diameter on scour depth with/without protection

3.2.5 防護(hù)裝置參數(shù)的影響

由圖7 和圖8 可見(jiàn)，沖刷深度隨著護(hù)圈直徑的加大而減小，當(dāng)護(hù)圈直徑增加至一定值時(shí)，沖刷深度不再變化；在較小的防護(hù)裝置高度下，沖刷深度隨護(hù)筒的增加而減小，當(dāng)防護(hù)裝置高度繼續(xù)增加時(shí)，沖刷深度反而迅速增加。

圖7 護(hù)圈直徑對(duì)沖刷深度的影響Fig.7 Effect of retainer diameter on scour depth

圖8 防護(hù)裝置高度對(duì)沖刷深度的影響Fig.8 Effect of height of protective device on scour depth

3.2.6 串列雙樁的影響

在雙樁情況下，動(dòng)床沖刷深度主要取決于Keulegan-Carpenter 數(shù)KC 和無(wú)量樁間距G/d。在本文中，我們研究了三種直徑樁(d=3.5 cm、4.5 cm 和5.5 cm)的串聯(lián)布置的雙樁組。

無(wú)保護(hù)條件下樁徑對(duì)沖刷深度的影響如圖9 所示。波長(zhǎng)、波高、防護(hù)裝置高度對(duì)防護(hù)裝置沖刷深度的影響如圖10～12 所示。通過(guò)與幾種情況的比較，可以看出無(wú)防護(hù)的樁的最大沖刷深度和任意方向的沖刷均大于加防護(hù)的樁。從圖9 可以看出，在波長(zhǎng)L=195 cm，波高H=8.5 cm 時(shí)樁的最大沖刷深度隨樁的直徑d 的增加而增加。在較小的直徑下，樁的最大沖刷深度位于樁的側(cè)面，θ=90°或θ=270°。而在直徑較大時(shí)，前樁最大沖刷深度位于樁后，后樁最大沖刷深度出現(xiàn)在樁前。通過(guò)對(duì)單樁和雙樁群沖刷深度的比較，可以發(fā)現(xiàn)后樁的沖刷深度要比前樁深，這可能與整體沖刷作用有關(guān)。

圖9 無(wú)防護(hù)時(shí)樁徑對(duì)沖刷深度的影響Fig.9 Effect of pile diameter on scour depth without protection

圖10 給出了防護(hù)裝置高度為1.5cm、波高為8.5cm 時(shí)波長(zhǎng)對(duì)于加防護(hù)的串列雙樁的沖刷深度影響。從圖10 中可以看出，樁身沖刷深度隨波長(zhǎng)L 的增大而增大，前樁最大沖刷深度位于樁身兩側(cè)，后樁一側(cè)位于樁后。

圖10 波長(zhǎng)對(duì)防護(hù)樁沖刷深度的影響Fig.10 Effect of wavelength on scour depth of protective pile

圖11 給出了防護(hù)裝置高度為1.5 cm、波長(zhǎng)為195 cm 時(shí)波高對(duì)于加防護(hù)的串列雙樁的沖刷深度影響。由圖11 可知，波浪高度H 對(duì)樁身沖刷深度有重要影響。波浪高度越小，最大沖刷深度越小。隨著波浪高度的增大，樁前、樁后最大沖刷深度隨波浪高度的減小而明顯增大。波高較小時(shí)最大沖刷深度出現(xiàn)在樁的兩側(cè)，而波高較大時(shí)樁前、后兩個(gè)位置上的沖刷深度較大且量值比較接近。

圖11 波高對(duì)防護(hù)樁沖刷深度的影響Fig.11 Effect of wave height on scour depth of protective pile

防護(hù)裝置的高度對(duì)最大沖刷深度的影響如圖12 所示?？梢钥闯?，防護(hù)裝置高度h=1.5 cm 的防護(hù)裝置的最大沖刷深度最小，而防護(hù)裝置高度h=2.0 cm 的最大沖刷深度最大，這與單樁沖刷的結(jié)果類似。3 種防護(hù)高度的前樁沖刷深度都明顯大于后樁，并且隨著高度的增加，沖刷深度為前樁迅速增加，后樁變化不大。

圖12 防護(hù)裝置高度對(duì)帶防護(hù)樁沖刷深度的影響Fig.12 Effect of height of protective device on scour depth of pile with protective device

4 結(jié)論

(1)提出了一種新的局部沖刷防護(hù)裝置，波浪沖刷試驗(yàn)結(jié)果表明該裝置可以有效降低由波浪引起的樁周局部沖刷作用。

(2)無(wú)防護(hù)時(shí)樁周的最大沖刷深度分布在樁的后側(cè)方，而有防護(hù)時(shí)樁的最大沖刷深度出現(xiàn)在樁的兩側(cè)。安裝防護(hù)裝置后，沖刷深度明顯降低。

(3)串列雙樁對(duì)于沖刷防護(hù)有明顯影響，波長(zhǎng)、波高和防護(hù)筒高度越大，沖刷越大。

(4)樁周最大沖刷深度與波高、波長(zhǎng)和樁徑成正比，而與水深和護(hù)圈直徑成反比關(guān)系。存在一個(gè)適中的防護(hù)筒高度，超過(guò)這一高度，防護(hù)效果較差。