水流夹角对群桩局部冲刷影响试验研究

卢中一，高正荣

（南京水利科学研究院，交通部港口航道泥沙工程重点实验室，江苏 南京 210029）

在涉水建筑物中，不与水流流动方向平行的长形柱体，事实上存在着一个大于其实际宽度的作用宽度，其局部冲刷与该柱体在水流中的方向关系极大。Tison（1940年）首先进行了水流夹角（水流方向与涉水柱体轴线法向间的夹角） 对冲刷影响的探索研究。Laursen和Toch（1956年）在大量实验室试验基础上，得出了柱体不同长宽比情况下水流夹角由0°逐渐增大而导致局部冲深加大的夹角增深系数kα，指出kα值随水流夹角α及柱体长宽比l/b的改变而变化，该系数在以后的局部冲刷计算中得到了较多的采用。不足的是，迄今为止的研究侧重于底部不过水的实体柱，而目前以群桩为主体的涉水建筑物在工程中得到越来越多的应用。在有水流夹角的桩群冲刷计算中直接引用或参考估算由实体柱体得出的系数难以满足设计和施工的需要，因此进行不同长宽比桩群情况下水流夹角对局部冲刷影响系数的研究，既满足生产建设的需要，同时又能对相应规范中涉及局部冲刷的条文进行补充、完善时提供参考。

1 试验概况

水流对涉水桩体的冲击程度既与水流和桩体间的水流夹角有关，又与水流的流速大小即水流对桩体的作用力大小有关，即使桩体与水流间的夹角相同，悬殊较大的流速所产生的局部冲刷可能发生数量级的差异。水流夹角对桩群局部冲刷影响的研究涉及多种因素：行近流速、桩群布置（桩径、间距和长宽比）、迎水面宽、受流性质和水深等，每种因素自成一个系列又相互影响，通过这些因素虽能使得出的量值更为精确，但大大增加了试验难度和历时，为使研究有个初步成果，本试验先选用一种流速、两种长宽比进行不同水流夹角对梅花形大型桩群局部冲刷影响的研究，初步得出桩群的夹角增深系数，再在后续的研究中逐步予以完善。

梅花形大型桩群水流夹角试验，按桩群纵向长度l与迎水宽度b之比l/b的不同，分为l/b＝2.4和l/b＝4.4两种情况（模型桩径d为2.8 cm，横向排距为2d，纵向列距为2.4d），分别见图1和表1。

图1 梅花形桩群布置示意图（l/b＝2.4）

表1 不同水流夹角情况下桩群长宽比冲刷试验概况

2 不同水流夹角情况下的局部冲刷形态

两种长宽比情况下均进行了0°～90°的水流夹角试验，文中主要分析长宽比l/b＝2.4的冲刷形态，l/b＝4.4的形态与之相仿，只是在冲刷范围和冲刷深度的量值上有所差别。

试验显示：当桩群与水流正交（夹角α＝0°） 时，桩群迎、背水面纵向冲刷分布形态区分较明显：桩群内迎水面第1列后～第7列前为冲深明显区，最大冲深点通常位于第2列后～第5列前的纵向轴线附近桩间。以整个桩群纵向长度为l，自桩群迎水面到背水面的纵向桩间冲刷大致呈“0.1l渐深区—最大冲深点—0.5l阶梯形渐浅区—0.6l局部淤积堆高区—0.8l渐深区—二次最大冲深点—1.0l渐浅区”的特征。桩群背水面桩间的最大冲深约为桩群迎水面最大冲深的52%。桩群周边冲刷坑的最大冲深约为桩群迎水面最大冲深的60%，桩群外两侧的纵向冲刷形态呈现迎水面的冲深大于背水面的冲深，两侧的冲刷形态大致相似。

当桩群与水流产生10°夹角时，迎水面第1列左外侧桩～第8列中部为桩内冲深明显区，最大冲深点趋左位移，位于第3列～第5列的左侧桩间。桩间的纵向冲刷大致呈“0.1l渐深区—最大冲深点—0.5l阶梯形渐浅区—0.7l渐深区—二次最大冲深点—1.0l二次阶梯形渐浅区”的特征。桩群背水面桩间发生二次冲深的最大冲深点位于整体桩群中后部的轴线附近，且最大冲深约为桩群迎水面最大冲深的68%。桩群周边冲刷坑的最大冲深比水流夹角α＝0°时增大约10%。在增深的同时，桩群两侧冲刷形态出现不相似的雏形，左侧的最大冲深及冲深范围明显大于右侧（见图2（a））。

当桩群与水流的夹角增大到20°时，桩群迎水面的最大冲刷区左偏位移明显，最大冲深点位于第3列～第4列的左侧桩间。原来的桩群背水面随夹角的增大成为迎水面，使得背水面倒数第4列～第6列右外侧桩间明显冲深，桩群背、迎水面的最大冲深比值由α＝0°时的52%增加到95%，最大冲深量值基本相等。桩群背水面外形成一窄长形的纵向淤积带，桩群迎水面外左侧最大冲深约为右侧同区域冲深的2倍。在桩群背水面外右侧，同区域的最大冲深比值正好相反（见图2（b））。

当水流夹角增大到30°时，桩群的冲刷形态基本构成首、尾两个相对独立的局部冲刷坑。桩群迎水面的最大冲刷区仍位于桩群左前侧，最大冲深点位于纵向第3列左侧桩间；桩群背水面随迎流面积的增加其最大冲深已大于桩群迎水面冲深，背、迎水面最大冲深比值由α＝0°时的52%增加到126%，背水面最大冲刷区位于迎流的右边侧桩间。桩群背水面外纵向淤积带右偏。桩群迎水面外左侧最大冲深与右侧同区域最大冲深的比值由α＝20°的2倍减小到1.3倍左右；桩群背水面外右侧约占左侧同区域最大冲深的 1/2 （见图 2（c））。

当水流夹角增大到45°时，桩群纵向冲刷分布与α＝30°时基本相同，桩群背水面右外侧桩间最大冲深大于桩群迎水面冲深的态势更为明显，背、迎水面最大冲深比值由α＝0°时的52%增加到123%。原位于桩群中左侧的淤积堆高区下移至桩群背水面左外侧。桩群周边局部冲刷坑形状呈迎水面大、背水面小的扇形。桩群背水面外纵向淤积带进一步右偏（见图2（d））。

当水流夹角增大到60°时，无论是最大冲刷深度，还是最大冲刷范围，桩群背水面处均明显大于迎水面处。与小于该水流夹角情况相比，背水面处的最大冲深虽仍大于迎水面，但该比值由α＝45°时的123%减为116%。冲刷坑形态分布与α＝45°时情况类似（见图2（e））。

水流夹角进一步增大到75°时，原桩群迎、背水面相对独立的两个冲刷坑基本连成一片，背水面最大冲深虽仍大于迎水面，但比值进一步减小，仅为105%，迎、背水面处的最大冲深已相差无几。在桩群迎、背水面的背水面同时形成局部淤积堆高区，迎水面处堆高最大高出床面4.1 m，背水面处堆高最大高出床面2.6 m。桩群迎水面外左侧冲刷坑的最大深度约为桩群背水面外右侧冲深的1.4倍。桩群外两侧的冲刷具有基本相似的形态（见图2（f））。

当水流夹角增大到90°时，此时桩群的长、宽向与α＝0°时正好相反。桩群间及周边床面呈现较对称的冲刷形态，原先的迎、背水面的最大冲深、最大冲刷范围左右接近。整体冲刷坑形态由α＝0°时的纵长形变为横宽纵短形。在桩群背水面仍然形成淤积堆高区，范围与桩群横向基本等宽 （见图 2（g））。

图2 不同水流夹角情况下桩群的局部冲刷形态图（l/b＝2.4）

桩群长宽比l/b＝4.4的冲刷形态与l/b＝2.4的情况类似。不同之处反映在l/b＝4.4时的桩群间的最大冲深量值、桩群外局部冲刷坑的范围以及桩群中部局部淤积堆高区的高度等方面略小于l/b=2.4时的情况；两种长宽比情况下的桩群背、迎水面最大冲深比值的分布特征基本一致。

3 不同水流夹角的最大冲深比较

3.1 桩群内的最大冲深比较

随着桩群与水流间夹角的逐渐增大，桩群迎水面的最大冲深逐渐增深，其中在10°＜α≤30°区域内冲深增幅较明显，在30°＜α≤60°区域内冲深继续加大，但增幅减缓；在60°＜α≤90°区域内为冲深微增区。桩群背水面桩间的最大冲深有所不同，在0°＜α≤30°区域内冲深增幅较明显，在30°＜α≤60°区域冲深继续加大，但增幅明显减缓，在60°＜α≤90°区域内随着水流夹角的增大，其冲刷深度由增变减。桩群背、迎水面最大冲深比值显示了这种变化（见表2）。

表2 桩群内部最大冲深比较（l/b＝2.4）

3.2 桩群周边最大冲深的比较

在桩群内随着水流夹角的增大其最大冲深发生变化时，桩群外侧的周边床面同期也在相应发生变化。其中：桩群迎水面外周边床面当0°＜α≤30°时冲深逐渐增大，当30°＜α≤45°时随角度增大冲深幅度减小，当 45°＜α≤90°时周边床面由冲深变为淤高（见表3）。

3.3 不同长宽比对冲刷的影响

桩群纵向长度不变，缩窄迎流宽度，将桩群长宽比l/b=2.4改为l/b=4.4进行相同角度间隔情况下不同水流夹角的冲刷试验。试验显示，两种长宽比的最大冲深变化既有相同特征，也存在不同之处。经分析，相同方面表现在以下方面：

1）面对相同水流夹角，两者冲刷形态呈现相同的基本特征。随着夹角的增大，两种长宽比的冲刷同样具有“冲深明显区—冲深缓增区—冲深由增变减区”的相同特征。水流夹角为0°时位于桩群中部的淤积堆高区伴随角度的增大逐渐位于桩群的背水面，淤出床面高度与桩群排、列数成正比。

2） 当α≥20°时，两种长宽比的背水面与迎水面的桩间最大冲深比值均接近于1，即α在20°左右是桩群背水面最大冲深开始大于迎水面的临界角度。

3）桩群背、迎水面最大冲深比值接近，且呈相同的变化趋势。在0°～90°的水流夹角范围内，各种水流夹角情况下桩群背、迎水面的最大冲深比值均呈“由小渐大—最大—由大渐至一致”的变化趋势，且水流夹角30°≤α≤45°是冲深由小到大和由大到小的临界区域。

4） 当0°＜α≤45°时，桩群迎水面的最大冲深区均位于桩群纵向轴线的前左侧桩间，当45°＜α≤75°时，迎水面的最大冲深区均存在向桩群横向中部靠拢的趋势，当75°＜α≤90°时，迎、背水面最大冲深区逐渐相连，逐渐呈现梅花形桩群无水流夹角时的对称分布态势。桩群背水面的最大冲深区在0°＜α≤60°时，均位于桩群背水面的右外侧桩间，当60°＜α≤75°时，背水面的最大冲深区均有向桩群横向中部靠拢的趋势，当75°＜α≤90°时，背、迎水面最大冲深区逐渐相连，逐渐呈现梅花形桩群无水流夹角时的对称分布态势。

不同之处表现在以下三方面：

1）在最大冲刷深度上。在桩群内的迎、背水面和桩群外侧周边，相同纵向长度下的最大冲深表现为迎水宽度大的深于迎水宽度较小的，即长宽比l/b=2.4的最大冲深大于l/b=4.4的情况。

2）最大冲深由增变减的水流夹角角度变小。桩群长宽比l/b=2.4时，冲深由增变减的水流夹角在α＞60°以后，桩群长宽比l/b=4.4时，该角度提前至α＞45°后。

3）相同冲刷深度的冲刷范围上。桩群间发生明显冲刷区域与桩群迎流宽度成正比，相同冲刷深度的冲刷范围迎流宽度宽的总是大于迎流宽度较窄的情况（见表4、表5和图3）。

表3 桩群周边最大冲深比较（l/b＝2.4）

表4 桩群内部最大冲深比较（l/b＝2.4）

图3 不同水流夹角时的桩群最大冲刷深度变化

4 梅花形群桩的夹角增深系数

根据试验，得出梅花形桩群两种长宽比情况下不同水流夹角的夹角增深系数kα（见表6和图4）。图中显示：对于大型梅花形桩群而言，0°＜α≤10°区间为冲深渐增区；10°≤α≤45°区间为冲深加大区，其中 10°≤α≤30°区间为明显冲深区；45°＜α≤75°区间为冲深缓增区；75°＜α≤90°区间为冲深微增区。纵向长度一定时，面临相同的水流夹角，迎水宽度较窄的kα值大于迎水宽度较宽的情况，即迎流宽度越窄（在桩群条件下），其最大冲深的增幅对夹角的变化反应越敏感。

表6 实体柱体与梅花形桩群的夹角增深系数比较

图4 梅花型桩群的迎流角系数

梅花形桩群kα值曲线分布趋势与矩形实柱体kα值曲线类似，不同之处在于面临相同的夹角，实体柱体kα值总是大于桩群kα值。在10°≤α≤30°的明显冲深区，依长宽比的不同，实体kα值与桩群kα值的比值增幅有所差别：当长宽比为l/b=2～2.4时，实体kα值比桩群kα值增大约7%～11%；当长宽比为l/b=4～4.4时，实体kα值比桩群kα值增大 23%～57%。

5 结语

通过试验得出的梅花形桩群的夹角增深系数kα在预测长江河口某跨江大桥大型群桩基础的局部冲刷深度时得到了初步验证。普通布置形桩群的水流试验目前正在进行中，通过普通形、特征形布置的大型桩群物模试验以期得出较为完善和实用的夹角增深系数。

[1]高正荣，黄建维，卢中一.长江河口跨江大桥桥墩局部冲刷及防护研究[M].北京：海洋出版社，2005.

[2]卢中一，高正荣.大型群桩基础局部冲刷及冲刷防护技术专题研究报告[R].南京：南京水利科学研究院，2006.