套筒對(duì)波流作用下樁基局部沖刷防護(hù)試驗(yàn)研究

羅巍，程永舟，2，黃筱云，2，王曉光

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

樁基礎(chǔ)作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承載力強(qiáng)、適用范圍廣的基礎(chǔ)形式，在海洋工程中應(yīng)用廣泛[1]。海洋環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物樁基礎(chǔ)同時(shí)受到波浪和水流的作用，其周圍會(huì)發(fā)生局部沖刷現(xiàn)象，使得樁基自由長(zhǎng)度增大，對(duì)近海結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性造成影響[2]。在海洋環(huán)境中，水動(dòng)力條件復(fù)雜多變，難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)樁基周圍的最大沖刷深度[3]，需要考慮采取一定的沖刷防護(hù)措施。

幾十年以來(lái)，已有眾多學(xué)者針對(duì)純流條件下的沖刷防護(hù)進(jìn)行了研究，并提出了多種類型的防護(hù)措施。這些防護(hù)措施主要可分為兩類[4]，一類是床面加強(qiáng)措施，即直接對(duì)床面材料進(jìn)行加強(qiáng)改造的措施，如拋石防護(hù)、土工袋防護(hù)、石籠防護(hù)等。Chiew 對(duì)拋石護(hù)底抗沖措施的結(jié)構(gòu)和破壞機(jī)理進(jìn)行了分析[5]。Zarrati 等采用拋石與護(hù)圈組合防護(hù)的方式，對(duì)防護(hù)下單樁和雙樁的局部沖刷特性進(jìn)行了研究[6]。付旭輝等分析了鋼絲石籠防護(hù)下的沖刷機(jī)理，研究了鋼絲石籠在不同水流環(huán)境中的防護(hù)特性[7]。高正榮等采用拋填沙袋與下沉護(hù)坦相結(jié)合的方式對(duì)蘇通大橋進(jìn)行了沖刷防護(hù)，并研究了大型橋梁沖刷防護(hù)工程的損壞特性[8]。Huang 等研究了柔性混凝土軟體墊的沖刷防護(hù)特性[9]。另一類是水流控制措施，其防沖原理是擾亂來(lái)流，削弱馬蹄渦等引起沖刷的水力因素。Grimaldi 等提出可以在樁后布置橫向平板作為攔沙檻，限制樁后尾渦的發(fā)展范圍，阻止泥沙被水流帶向下游，并驗(yàn)證了其作為沖刷防護(hù)對(duì)策的有效性[10]。陳兵等通過(guò)放置擾流環(huán)來(lái)削弱馬蹄渦，以減小樁周局部沖刷深度[11]。Somayeh 等利用噴射水流干擾樁前來(lái)流以減小沖刷，驗(yàn)證了該防沖措施的有效性[12]。姜松等采用樁前減沖樁作為防護(hù)措施，研究其防沖效果及樁柱周圍的流場(chǎng)特性[13]。Elnikhely 等研究了圓形開(kāi)孔對(duì)樁基沖刷防護(hù)的作用[14]。Bestawy 等研究了不同樁身開(kāi)槽方式及護(hù)圈型式組合下的防沖效果[15]。Zhang等在純流條件下討論了護(hù)筒直徑、埋置深度及水流強(qiáng)度對(duì)護(hù)筒防沖效果的影響，并與護(hù)圈防護(hù)進(jìn)行了對(duì)比分析[16]。

床面加強(qiáng)措施在工程中應(yīng)用廣泛，但使用壽命一般較短，比如拋石防護(hù)，當(dāng)水流流速比較大時(shí)，防護(hù)塊石容易流失，導(dǎo)致防護(hù)效果逐漸減弱。水流控制措施大多受到水流流向的限制，當(dāng)流向發(fā)生擺動(dòng)時(shí)防沖效果較差，比如當(dāng)樁身開(kāi)縫與水流夾角大于45°時(shí)，便會(huì)失去防護(hù)效果[17]。此外，目前該類措施的研究大多局限于單向恒定流條件，其在波流環(huán)境中是否具有同樣的防護(hù)效果，仍未得到更深入的研究。

防沖套筒是一種簡(jiǎn)單的防護(hù)結(jié)構(gòu)，在樁柱周圍布置套筒，可以限制馬蹄形旋渦的發(fā)展空間，并將樁基周圍大部分床沙的活動(dòng)范圍限制在套筒內(nèi)部，從而減少?zèng)_刷[18]。套筒防護(hù)不受水流流向的限制，能夠適用于各種水流條件下的沖刷防護(hù)。Liang 等對(duì)比研究了包括套筒在內(nèi)的4 種防沖措施在波流條件下的防沖效果，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)水流控制措施在波流作用下防沖效果較差，甚至產(chǎn)生了更深的沖刷坑，而套筒防護(hù)在波流作用下仍具有一定防沖能力，但其針對(duì)套筒防護(hù)的試驗(yàn)工況較少，缺少對(duì)套筒防沖效果影響因素的研究分析[19]。本試驗(yàn)分別在純流及波流作用下探討了套筒的防沖性能，進(jìn)一步分析套筒高度和直徑對(duì)沖刷的影響，提出最佳的套筒布置方式，為實(shí)際工程提供參考。

1 試驗(yàn)布置及試驗(yàn)工況

1.1 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)在長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利實(shí)驗(yàn)中心的波流水槽中進(jìn)行。水槽長(zhǎng)45 m，寬0.8 m，高1 m，工作水深0.2～0.7 m。水槽設(shè)有循環(huán)造流系統(tǒng)并配備有沉淀池。試驗(yàn)沙槽位于水槽中部，長(zhǎng)3 m，寬0.8 m，高0.6 m，內(nèi)部鋪滿中值粒徑d50= 0.406 mm 的無(wú)黏性沙，沙槽正中央埋放直徑D = 0.05 m 的模型圓柱，套筒埋置在沙床中，沙槽上下游底床均為砂漿抹面，水槽側(cè)面為玻璃邊壁，水流到達(dá)樁前可形成穩(wěn)定的流速剖面。試驗(yàn)水深h = 0.4 m，大于3～4 倍樁徑D，此時(shí)可忽略水深對(duì)于沖刷的影響[20]。波高測(cè)量采用WG50 型浪高儀，流速測(cè)量采用三維點(diǎn)式多普勒流速儀（ADV），地形測(cè)量采用ULS-100 型水下激光三維地形掃描儀。由于水槽寬度B 有限，必須控制模型的尺寸來(lái)防止邊壁效應(yīng)。參考Whitehorse[21]的建議，在清水沖刷條件下，水槽寬度與模型尺寸比值B/D 應(yīng)大于6。采用1.25D、1.5D、1.75D、2D 四種直徑的套筒進(jìn)行防沖試驗(yàn)，B/D 最小值為8，可忽略邊壁效應(yīng)。根據(jù)王順意等[22]以及本文預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果，當(dāng)局部沖刷坑發(fā)展充分時(shí)，樁周最大沖刷深度始終出現(xiàn)在樁柱正前方，故設(shè)套筒內(nèi)樁正前方、套筒外筒正前方兩個(gè)位置作為特征點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的沖刷深度分別用以表示筒內(nèi)樁周圍和套筒外周圍的最大局部沖刷深度。樁身和筒身分別貼有量尺，以測(cè)量沖刷深度變化。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾眉坝^測(cè)點(diǎn)位置如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)布置圖

1.2 試驗(yàn)方案

為研究套筒高度和直徑對(duì)防沖效果的影響，對(duì)比分析各試驗(yàn)條件下沖刷過(guò)程、沖刷坑形態(tài)的差異，設(shè)置無(wú)防護(hù)的垂直樁作為對(duì)照組，共開(kāi)展36組工況試驗(yàn)。試驗(yàn)包括純流和波流沖刷，以及清水沖刷和動(dòng)床沖刷。Melville 等提出在室內(nèi)小型試驗(yàn)中，要達(dá)到?jīng)_刷平衡，通常需要數(shù)天時(shí)間[23]。根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)和程永舟等[24]的研究結(jié)果，當(dāng)清水組沖刷時(shí)間達(dá)到6 h 后，沖刷過(guò)程雖仍在進(jìn)行，其規(guī)律不再發(fā)生較大的變化。本試驗(yàn)僅對(duì)各沖刷試驗(yàn)的起始階段及主要沖刷階段進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)比分析各組工況在相同沖刷時(shí)間內(nèi)達(dá)到的最大沖刷深度，故設(shè)清水組沖刷時(shí)間為6 h。動(dòng)床組沖刷過(guò)程較快，預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明動(dòng)床組沖刷在4 h 內(nèi)已達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡（圖4），此時(shí)樁前床面向下游穩(wěn)定輸出泥沙，上游床面平均高程不斷降低，該過(guò)程持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生其他無(wú)關(guān)變量影響試驗(yàn)結(jié)果。此外，分析波流參數(shù)對(duì)沖刷深度的影響非本文重點(diǎn)，故僅對(duì)比不同波流條件下的沖刷坑形態(tài)差異，綜合以上考慮，將動(dòng)床組沖刷時(shí)間設(shè)為4 h。沖刷試驗(yàn)前對(duì)水流流速、波浪波高和周期進(jìn)行標(biāo)定，并保存相應(yīng)的標(biāo)定文件，以計(jì)算機(jī)控制造流和造波。每組試驗(yàn)先將與各工況對(duì)應(yīng)直徑的套筒以相應(yīng)的初始高度安裝在沙坑中，抹平沙床表面，控制水泵將水注入波浪水槽至試驗(yàn)水深0.4 m。試驗(yàn)波浪為規(guī)則波，采用間歇式造波法，防止波浪變形。達(dá)到設(shè)定沖刷時(shí)間后，關(guān)閉造流、造波系統(tǒng)，采用地形儀測(cè)量沖刷后的床面地形。具體試驗(yàn)工況見(jiàn)表1。

定義R 為筒內(nèi)沖刷深度減小率，R′為筒內(nèi)外最大沖深減小率。計(jì)算公式為：

其中S0為無(wú)防護(hù)下的樁前最大局部沖刷深度。波流共同作用下的希爾茲數(shù)θ 和臨界希爾茲數(shù)θcr計(jì)算公式為[25]：

式中：Uf為波流共同作用下的最大摩阻流速；f 為波流共存時(shí)的摩阻系數(shù)；U0為波流共存時(shí)的流速；D*為沙粒量綱粒度；s 為沙水密度比，本試驗(yàn)用沙s=2.65；υ 為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)。本試驗(yàn)臨界希爾茲數(shù)θcr=0.034，當(dāng)泥沙起動(dòng)強(qiáng)度θ/θcr＜1 時(shí)為清水沖刷，當(dāng)θ/θcr＞1 時(shí)為動(dòng)床沖刷。根據(jù)表1，本試驗(yàn)中C0—C5 工況組為動(dòng)床沖刷，其余均為清水沖刷。

表1 試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沖刷過(guò)程

圖2 為Ds=1.5D 時(shí)，不同套筒高度與純流條件下，套筒內(nèi)外相對(duì)沖刷深度的歷時(shí)曲線。從圖2（a）的筒內(nèi)沖深歷時(shí)曲線可看出，當(dāng)套筒初始高度較低時(shí)，筒內(nèi)沖刷深度在前30 min 發(fā)展迅速。筒內(nèi)樁前床面先發(fā)生沖刷，泥沙在樁后堆積，隨后被帶出筒外。隨著沖刷過(guò)程的進(jìn)行，樁后床面與套筒上邊緣逐漸形成高度差，筒內(nèi)樁后尾渦的能量不足以將大部分泥沙顆粒提升至該高度，無(wú)法繼續(xù)輸送筒內(nèi)泥沙至筒外，致使筒內(nèi)沖刷速度放緩，120 min 后，沖深歷時(shí)曲線趨于平緩。根據(jù)圖2（b）所示的筒外沖深歷時(shí)曲線，套筒露出高度小時(shí)，套筒外水流的流動(dòng)強(qiáng)度較弱，筒外沖刷強(qiáng)度較小。隨著筒外沖刷過(guò)程的進(jìn)行，套筒露出高度逐漸增大，筒前下潛水流、馬蹄渦等水力因素亦逐漸增強(qiáng)，沖刷速度隨之加快，90 min 左右沖深歷時(shí)曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。

圖2 沖刷深度歷時(shí)曲線（純流沖刷）

根據(jù)圖3 的沖刷歷時(shí)曲線特征，波流條件下的沖刷過(guò)程在60 min 前明顯加快。波流沖刷過(guò)程中，波浪在樁、筒周圍的反射、繞射等作用使得筒內(nèi)外水流的流動(dòng)強(qiáng)度增大。除下潛水流、馬蹄渦的作用以外，還存在波浪對(duì)泥沙的上揚(yáng)力，使樁筒結(jié)構(gòu)附近的床面泥沙更容易起動(dòng)，故筒外沖刷在初期就發(fā)展迅速。

圖3 沖刷深度歷時(shí)曲線（波流清水沖刷）

圖4 所示的動(dòng)床沖刷，由于床面切應(yīng)力較大，希爾茲數(shù)θ 大于臨界希爾茲數(shù)θcr，床面泥沙顆粒全面起動(dòng)。如圖4（a）、（b）所示，初期筒內(nèi)外沖刷過(guò)程與波流清水沖刷類似，沖刷速度較快。30 min 后，隨著床面沙紋發(fā)展至樁筒結(jié)構(gòu)附近，大量床面泥沙顆粒被帶入沖刷坑，樁前床面對(duì)沖刷坑產(chǎn)生凈輸沙，此時(shí)沖刷深度轉(zhuǎn)而減小。由于床面起動(dòng)具有隨機(jī)性，沙紋發(fā)展至沖刷坑的時(shí)間也不具有確定性，但基本發(fā)生在60 min 前。90 min 后，整個(gè)床面沙紋發(fā)展充分，樁前床面向沖刷坑穩(wěn)定輸出泥沙，樁筒結(jié)構(gòu)周圍的局部沖刷繼續(xù)發(fā)展，沖刷深度繼續(xù)增大。240 min 后，沖刷坑內(nèi)輸出和輸入的泥沙達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，沖刷深度不再發(fā)生明顯變化。

圖4 波流動(dòng)床沖刷過(guò)程

2.2 沖刷坑形態(tài)

2.2.1 不同波流條件下的沖刷坑形態(tài)對(duì)比 圖5（a）—（c）為he= 0.25D，Ds= 1.5D 時(shí)不同波流條件下的沖刷坑地形圖。圖5（a）為純流沖刷，對(duì)比圖5（b）的波流沖刷地形圖可看出，純流條件下，套筒內(nèi)外的沖刷深度和沖刷范圍均較小，沖刷坑未形成完整閉合的圓環(huán)，沙丘面積和沙丘高度亦較小。波流作用下的沖刷坑為勺形，在套筒前方和側(cè)前方產(chǎn)生較大沖刷，而筒后沖刷深度較小，沙坑到沙丘由一條沙脊連通，與大直徑圓柱在波流作用下的沖刷坑形態(tài)類似[26]。波流動(dòng)床沖刷下的沖刷坑如圖5（c）、（d）所示，由于動(dòng)床沖刷下的樁前床面對(duì)沖刷坑存在凈輸沙，相比波流清水沖刷，局部沖刷深度減小，但整體沖刷范圍增大。動(dòng)床沖刷的床面存在大規(guī)模的沙紋，清水沖刷的床面形態(tài)則較為平整，沙紋僅出現(xiàn)在樁后。

圖5 不同波流條件下的沖刷坑地形圖（he=0.25D，Ds=1.5D）

2.2.2 不同套筒高度下的沖刷坑形態(tài)對(duì)比 圖6為Ds=1.5D，U=0.23 m/s，H =0.08 m 時(shí)不同高度套筒防護(hù)下的沖刷坑地形圖。當(dāng)套筒埋置在初始床面以下，即he＜0 時(shí)，如圖6（b）所示，筒外沖刷深度和沖刷范圍相比無(wú)防護(hù)時(shí)明顯減小，此時(shí)沖刷過(guò)程主要發(fā)生在筒內(nèi)，套筒對(duì)樁身的保護(hù)效果較差。he＞0 時(shí)，沖刷坑形態(tài)發(fā)生改變，筒外沖刷范圍有所減小，筒內(nèi)沖刷減弱。當(dāng)he增大到0.5D 以上時(shí)，套筒足夠?qū)⒋蟛糠值撞縼?lái)流阻擋在筒外，筒內(nèi)幾乎不發(fā)生沖刷，但此時(shí)筒外沖刷深度較大，套筒整體的防護(hù)效果有限。

圖6 不同套筒高度下的沖刷坑地形圖（U=0.23 m/s，H=0.08 m，Ds=1.5D）

2.2.3 不同套筒直徑下的沖刷坑形態(tài)對(duì)比 圖7給出了套筒高度he= 0.25D，U = 0.23 m/s，H =0.08 m 時(shí)不同直徑套筒防護(hù)下的沖刷坑地形圖。如圖7（a）所示，當(dāng)he=0.25D，Ds=1.25D 時(shí)，樁與套筒之間的間隙較小，樁筒整體結(jié)構(gòu)與單樁類似，沖刷坑形態(tài)與無(wú)防護(hù)時(shí)相比差異不大。套筒直徑增大到1.5D 時(shí)，主要沖刷過(guò)程發(fā)生在套筒內(nèi)，筒外沖刷深度和沖刷范圍減小，此時(shí)套筒的防護(hù)效果較好。隨著直徑的增大，筒外沖刷范圍增大，但套筒筒身逐漸遠(yuǎn)離樁前下潛水流、馬蹄渦等沖刷要素的作用范圍，沖刷深度反而減小。

圖7 不同套筒直徑下的沖刷坑地形圖（U=0.23 m/s，H=0.08 m，he=0.25D）

2.3 筒內(nèi)最大沖深變化分析

圖8 分別給出了筒內(nèi)最大沖刷深度S1隨套筒高度he和套筒直徑Ds變化的曲線圖。圖8（a）表示筒內(nèi)沖刷深度隨套筒高度的變化情況，由圖可知，當(dāng)Ds=1.5D，he＜0 時(shí)，S1均較大；隨著he的增加，筒內(nèi)沖深減小。圖8（b）反映了套筒直徑對(duì)筒內(nèi)沖刷的影響。當(dāng)he=0.25D，Ds從1.25D 增大到1.5D 時(shí)，S1逐漸增大；Ds＞1.5D 時(shí)，筒內(nèi)最大沖深隨著直徑的增大不發(fā)生明顯的變化。

圖8 筒內(nèi)最大沖刷深度變化情況

圖9 為筒內(nèi)最大沖深S1隨he、DS變化的二維等值線圖。由圖可看出，純流條件下，he＞0.25D時(shí)，筒內(nèi)原本的沖刷強(qiáng)度較弱，擴(kuò)大套筒直徑使得筒內(nèi)馬蹄渦的強(qiáng)度和活動(dòng)范圍增大，導(dǎo)致沖刷深度增大。波流條件下，波浪不斷在套筒內(nèi)部進(jìn)行反射和繞射，導(dǎo)致筒內(nèi)沖刷增強(qiáng)，該情況下擴(kuò)大套筒直徑能夠?qū)⒉糠滞矁?nèi)波浪能量釋放至筒外，從而減小筒內(nèi)沖刷深度。

圖9 筒內(nèi)最大沖刷深度二維等值線圖

此外，當(dāng)Ds＞1.5D 時(shí)，套筒高度he對(duì)筒內(nèi)沖刷的影響明顯比套筒直徑Ds的影響更大，這是由于筒內(nèi)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的沖刷深度主要是由樁后床面與套筒上邊緣的高度差決定的。套筒露出高度比較大時(shí)，即使筒內(nèi)沖刷過(guò)程仍在進(jìn)行，樁前泥沙亦無(wú)法被帶出套筒，只能堆積在樁后和樁側(cè)，當(dāng)筒內(nèi)沖刷坑邊坡接近泥沙休止角時(shí)，坡上泥沙顆粒便不再移動(dòng)。樁前馬蹄渦的活動(dòng)范圍本身有限，當(dāng)直徑擴(kuò)大到1.5D 后，筒內(nèi)沖刷深度不再發(fā)生明顯變化。

2.4 筒外最大沖深變化分析

圖10 為筒外最大沖刷深度S2隨he、Ds變化的曲線圖。根據(jù)圖10（a），當(dāng)Ds= 1.5D 時(shí)，S2隨he的增加而增大。波流動(dòng)床條件下，he過(guò)大時(shí)，筒外沖深甚至?xí)笥跓o(wú)防護(hù)下的沖刷深度，這是由于在波流沖刷條件下，除馬蹄渦的作用外，筒外泥沙還受到波浪的上揚(yáng)力，更容易達(dá)到起動(dòng)條件，致使筒外沖刷過(guò)程得以增強(qiáng)。波浪在筒前存在反射和繞射等作用，這個(gè)作用隨著套筒露出高度的增大而增強(qiáng)，這與大直徑淹沒(méi)樁隨淹沒(méi)度變化的規(guī)律類似[27]。因此，當(dāng)套筒初始高度較低時(shí)，筒外沖刷過(guò)程發(fā)展較慢，反之則較快。

圖10 筒外最大沖刷深度變化情況

圖11 為S2隨he、Ds變化的二維等值線圖。結(jié)合圖10（b）與圖11 可知，he＞0 時(shí)，純流沖刷與波流沖刷條件下S2均隨Ds增大而減小。當(dāng)he＜0且逐漸減小，即套筒的埋置深度越來(lái)越大時(shí)，直徑對(duì)筒外沖刷的影響越來(lái)越小，這與Zhang 等[16]的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。其原因是，套筒高度較低時(shí)，筒前來(lái)流大部分未經(jīng)阻擋直接越過(guò)套筒，產(chǎn)生的馬蹄渦強(qiáng)度較弱，不足以使筒外泥沙起動(dòng)，沖刷過(guò)程仍主要發(fā)生在筒內(nèi)，此時(shí)即使擴(kuò)大套筒直徑，也無(wú)法對(duì)筒外沖刷造成較大影響。

圖11 筒外最大沖刷深度二維等值線圖

2.5 最大沖刷深度減小率變化分析

圖12 反映了筒內(nèi)最大沖刷深度減小率R 的變化情況：當(dāng)套筒直徑Ds不變，R 隨套筒高度he的增大而增大。he較小時(shí)，防護(hù)效果較差；he增大到0.25D 以上時(shí)，套筒對(duì)樁身的防護(hù)效果基本滿足要求。繼續(xù)增大高度至0.75D 以上，R 能達(dá)到70%以上，但此時(shí)筒外沖刷深度較大，與無(wú)防護(hù)時(shí)相比，波流沖刷下的筒外沖深僅減小10%，動(dòng)床條件下的筒外沖刷甚至比無(wú)防護(hù)下的樁基沖刷更嚴(yán)重，整體防沖效果較差。

圖12 筒內(nèi)最大沖刷深度減小率變化情況

套筒內(nèi)、外最大沖刷深度同時(shí)影響樁筒結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，必須綜合考慮筒內(nèi)外的沖刷情況。定義筒內(nèi)外最大沖刷深度減小率R′（R′=[S0-max（S1，S2）]/S0），以綜合考量沖刷防護(hù)效果。給出如圖13所示的筒內(nèi)外最大沖刷深度減小率R′的變化曲線，由圖可知R′隨he、Ds的變化規(guī)律：隨著he增大，R′先增大后減??；隨著Ds增大，R′先增大，后趨于穩(wěn)定。he= 0.25D，Ds=1.75D 時(shí)總體效果最好，此時(shí)純流條件下的R′可達(dá)到40%以上，波流條件下也可達(dá)25%以上，基本能夠滿足防護(hù)要求。

圖13 筒內(nèi)外最大沖刷深度減小率變化情況

綜上所述，采用套筒作為防護(hù)措施具有一定可行性，設(shè)計(jì)布置方案時(shí)需合理配置套筒高度和直徑，同時(shí)考慮套筒內(nèi)外沖刷深度的影響，以達(dá)到最佳的防護(hù)效果。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)對(duì)純流及波流作用下樁筒結(jié)構(gòu)的局部沖刷過(guò)程進(jìn)行了研究，并與無(wú)防護(hù)下的樁基沖刷進(jìn)行對(duì)比，分析了套筒高度、直徑對(duì)套筒防護(hù)性能的影響，得到如下結(jié)論：

（1）在純流、波流清水沖刷和波流動(dòng)床沖刷條件下，套筒均能起到一定沖刷防護(hù)作用。本試驗(yàn)工況下，筒內(nèi)最大沖刷深度最高可減小70%，筒內(nèi)外最大沖刷深度可減小40%左右。he=0.25 D，Ds=1.75D 時(shí)套筒總體防護(hù)效果最好，此時(shí)純流條件下筒內(nèi)外最大沖深減小率R′達(dá)到40%，波流條件下也可達(dá)25%以上，基本能夠滿足防護(hù)要求。

（2）套筒高度he對(duì)筒內(nèi)沖刷的影響較大。直徑Ds不變時(shí)，筒內(nèi)最大沖深隨套筒高度的增大而減小，但當(dāng)套筒高度he＞0.75D 時(shí)，波流沖刷下的筒外最大沖深與無(wú)防護(hù)時(shí)相比僅減小10%，動(dòng)床條件下的筒外沖刷甚至比無(wú)防護(hù)下的樁基沖刷更嚴(yán)重，整體防沖效果較差。

（3）套筒直徑Ds主要影響筒外沖刷過(guò)程。當(dāng)he＞0 時(shí)，筒外最大沖深隨直徑增大而減小。當(dāng)he逐漸減小，直徑對(duì)筒外沖刷的影響越來(lái)越??；波流條件下，he＜0 時(shí)，直徑僅在1.25～1.5 倍樁徑范圍內(nèi)對(duì)筒外沖刷產(chǎn)生較大影響，大于1.5 倍樁徑時(shí)影響甚微。