单向流条件下单桩桩周冲刷过程特征试验研究

马丽丽，国 振，王立忠，赵长军，秦 肖

(1. 浙江省海洋岩土工程与材料重点实验室,浙江大学建筑工程学院,浙江 杭州 310058；2.浙江省交通规划设计研究院,浙江 杭州 310009；3.温州市交通投资集团有限公司,浙江 温州 325000)

单向流条件下单桩桩周冲刷过程特征试验研究

马丽丽1，国 振1，王立忠1，赵长军2，秦 肖3

(1. 浙江省海洋岩土工程与材料重点实验室,浙江大学建筑工程学院,浙江 杭州 310058；2.浙江省交通规划设计研究院,浙江 杭州 310009；3.温州市交通投资集团有限公司,浙江 温州 325000)

水流引起桩基周围地基冲刷是海洋工程中的经典课题，由于问题涉及流体动力学和土力学的交叉内容，加之试验技术和计算能力的限制，这一冲刷过程仍有很多方面尚待进一步厘清。开展10组室内水槽试验，研究了不同水深情况下定床和动床冲刷时单桩桩周局部冲刷深度的发展过程。在试验过程中，通过模型桩内放置摄像机实时监测桩周冲刷深度变化，得到桩周冲深边界及最大和最小冲深方位随时间的变化曲线。试验研究发现这一冲刷过程主要特征为：局部冲刷首先发生在桩(侧)前方并逐渐向桩周扩展，而桩后则先发生淤积后再冲刷；水深越大，流速越大，桩后淤积现象持续时间越短，桩周冲刷发展迅速、均匀，但达到稳定所需时间越久；桩周最大、最小冲深点首先分别位于桩的侧前方、桩后区域，随着试验进行会发生转变或波动。

桩周冲刷；单向流；图像分析；冲刷深度

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

水流引起桩基周围地基冲刷是海洋工程中的经典课题，由于问题涉及流体动力学和土力学的交叉内容，加之试验技术和计算能力的限制，这一冲刷过程仍有很多方面尚待进一步厘清。一般而言，在水流环境中修建桩柱结构物，会显著改变结构物周围的流场[1]，形成复杂多变的三维流态。如图1所示，在桩前出现下降流和马蹄形漩涡，桩侧沿水流方向流线收缩，桩后尾涡不断生成和脱落。这些流态变化大大增强了床砂的输运能力，最终在结构物周围形成明显的局部冲刷坑。

针对砂质底床上单桩基础的局部冲刷问题，国内外学者已经开展了大量研究。Melville等[2]、Breusers等[3]、Hancu[4]、Laursen等[5]、Chiew等[6]、Raudkivi等[7]通过试验研究单向流条件下单桩的局部冲刷深度及其影响因素(水深、单桩尺寸、床砂粒径等)，提出最大冲刷深度预测公式；Mia等[8]、Ettema[9]、Melville等[10]、Sheppard等[11-12]、Chang等[13]、Sumer等[14]提出考虑时间效应的单桩局部冲深计算公式，用于估算达到最大冲深的时间以及某一时刻的冲刷深度值；Sumer等[1,16,18]、Melville等[15]、Richardson等[17]、Zhao等[19]基于数值模拟和室内试验结果，认为由于马蹄形漩涡的淘蚀作用，局部冲深最大值出现在桩前，这一观点得到国内外学者的普遍认可。赵威等[20]基于粒子图像测速识别技术观测了单桩局部冲刷过程中的流场特征，指出在桩后存在较高的垂向涡量和湍流强度，也会导致显著的局部冲刷。从图1描述和以上文献回顾中可以发现，以往的研究主要着力于捕捉桩基周围流态变化，在试验结束后通过拍照或地形扫描得到最终冲刷坑形状，而对冲刷过程中底床形态的演化特征描述不多，甚至模糊不清，相互矛盾。虽然在试验过程中可以进行水下定点拍照，但往往受桩柱遮挡和冲刷浑水影响，难以获取清晰图像。Debnath等[21]通过在透明桩内固定摄像机监测桩前、桩两侧和桩后四点冲深变化，发现冲刷深度在桩前最大，桩后最小，桩两侧深度对称发展。Link等[22]采用LDS(激光测距仪)测量了桩周不同方位冲刷深度随时间的变化，指出局部冲刷首先发生在桩侧，而最大冲刷深度最终出现在桩前，且最大冲深与其余各方位冲刷深度存在一定的拟合关系。

图1 圆柱形桥墩周围的水流环境Fig. 1 Flow patten around the cylindrical bridge pier

针对稳定单向流条件下单桩周围的局部冲刷演化过程进行试验研究，共开展了不同流速和水深条件下的10组室内水槽试验，具体可分为5组定床冲刷和5组动床冲刷。在试验过程中，采用透明单桩内放置高清摄像机实时监测桩周的冲刷深度变化。研究发现：局部冲刷首先发生在桩(侧)前方，逐渐向桩周发展，而桩后区域则先发生淤积再冲刷；水深越大，流速越大，桩后淤积现象持续时间越短，桩周冲刷发展迅速，冲刷稳定所需时间越久；桩周的最大、最小冲深点最初位于桩的侧前方、桩后区域，随着试验进行会发生转变或波动。

1 试验设置

1.1试验水槽与模型

本次单桩局部冲刷试验在多功能波流水槽(图2)中进行。该水槽长69.0 m，宽1.2 m，高1.6 m，水槽两侧边壁为净高1.5 m的透明钢化玻璃，其底部为平整的水泥底面。水槽通过以德国SIEMENS MICROMASTER 440为主的变频系统造流，过流断面最大平均流速可达0.3 m/s。

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

试验区域为长3 m、宽0.8 m、深0.4 m的沉砂池，位于水槽中部，见图3。模型桩为底部密封的圆筒形透明有机玻璃管，其长1.3 m，壁厚5 mm，外径D=11 cm(D/B=0.092<0.1，B为水槽宽度，水槽边壁对桩侧压缩水流的影响可忽略不计)。为较好地模拟原型桩(D=2.8 m)周围水流运动和局部冲刷现象，综合考虑重力相似、水流连续相似、几何相似和泥沙运动相似后，模型试验采用几何比尺1∶25.45。试验采用模型砂为中国福建标准砂，其中值粒径d50=0.16 mm，比重2.65。声学多普勒点式流速仪(ADV)布置于模型桩前0.5 m处，用于测量试验过程中的桩前入射流速。摄像机1内置于模型桩内实时监测桩周冲深变化，摄像机2放置于水槽外侧记录试验时底床砂面冲刷情况。

图3 水槽试验示意Fig. 3 Schematic diagram of flume tests

1.2桩周冲深实时监测

试验开始前，预先在模型桩内部放置高清摄像机1(美国ION AIR PRO，720P)(图4)，并将镜头竖直朝向模型桩底部固定，保持二者的中心对齐，由模型桩内部拍摄试验过程中桩边砂床表面的高度变化影像。首先需对所拍摄图像进行标定：将带刻度的黑白条纹(间距2.0 cm)标定纸裹附于单桩外侧(图4(a)，4(b))(0刻度线对准初始床面位置即铺砂时初始床面与模型桩相交界线，竖直向下为正)，利用内置摄像机拍摄，获得如图4(c)所示图片。

图4 桩周冲刷深度公式标定Fig. 4 Calibration of scour depth formula around the model pile

贴附桩周的每条刻度线首尾对齐后均形成一个圆，可看到所有刻度线形成的圆的圆心均重合，圆越小、像素半径R越小，其所对应的竖向刻度值S越大；建立图片中各圆的像素半径R和与之对应的竖向刻度值S的多项式拟合关系，即确定桩周冲刷深度计算公式S=f(R)。在摄像机镜头视野内，模型桩上的任一点均可通过Matlab图像处理得到与标定圆心的距离即像素半径R，通过冲深计算公式S=f(R)得到该点的深度位置即冲深值S。

图5(a)为桩周方位角度示意图，图5(b)为摄像机录制图像的冲刷边界及角度示意图，其中红色圆圈为单桩与砂床面相交的桩周冲刷边界。在冲刷试验过程中，通过实时拍摄的模型桩内图像，利用Matlab进行图像处理可捕捉到桩周砂床冲刷边界并得到冲刷边界中每点的像素半径R，进而采用上文冲深计算公式S=f(R)获得桩周冲刷边界中每点的实际冲刷深度值S，并可确定桩周最大、最小冲刷深度及其方位角。

图5 单桩桩周冲刷边界示意Fig. 5 Schematic diagram of scour edge around the model pile

1.3水槽试验设计

1.3.1 水槽试验流程

文中开展的单桩基础水槽冲刷试验的具体流程：

1)固定摄像机，进行摄像图片标定，之后将模型桩固定于沉砂池底部；

2)向水槽中注水至水位超过沉沙池10 cm后，将浸湿饱和的模型砂缓慢填入沉砂池中，待高出沉砂池1 cm后，用平板将其抹平至与沉砂池同高度；

3)继续注水至水槽内水位达到试验所需水位，之后静置24小时；

4)调整至试验所需流速，同时开启摄像机进行实时录制，并在模型桩前方布置ADV测定入射流速分布(沿深度方向每隔5 cm)；

5)冲刷试验结束后缓慢排干水槽内水，进行桩周局部冲刷坑的最终测量；

6)整理试验仪器，准备下一组试验。

1.3.2 试验水深与流速

Sumer[1]指出边界层厚度(水深)是影响桩前漩涡尺度的重要因素。因此，本试验共开展5组不同水深(20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm)试验，具体参数如表1所示。

表1 水槽试验情况Tab. 1 Flume test conditions

式中:z指离底床砂面的距离，uf为摩阻流速，ks为Nikurase粗糙度，通常取2.5d50，κ为von Karman常数0.41，s为模型砂比重2.65，g为重力加速度，D*=g(s-1)ν21/3d50，ν是水的运动黏滞系数。

图6 不同水深条件的实测剖面流速Fig. 6 Measured section velocity at different water depth

2 试验结果与分析

2.1定床冲刷试验

如表1所示，针对定床冲刷条件共进行了5组不同水深情况(20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm)的试验，其中水深20 cm时冲刷试验情况见图7。

图7 水深20 cm定床冲刷试验Fig. 7 Clear-water scour at the water depth of 20 cm

2.1.1 桩周冲深随时间变化特征

图8为定床冲刷时，不同水深条件下，模型桩的桩周冲深比(S/D)随时间变化情况。图中采用极坐标，极角为桩周方位角(见图5)，极径为冲刷深度，不同颜色的闭合曲线表征了不同时刻桩周各方位(0→±180°)床砂边界的冲深值，灰色区域边界为桩周砂床的初始位置，刻度为0 cm(即初始床砂面)，大于此刻度为冲刷(闭合曲线在灰色区域内)，小于此刻度则为淤积(闭合曲线在灰色区域外)。表2给出了试验中模型桩桩后砂床冲、淤状态转变的时间点。试验发现：在试验初始阶段，模型桩侧前方(30°→60°，-30°→-60°)床砂颗粒被近底水流迅速推动，率先发生冲刷，桩后区域出现淤积，水深越大其淤积速度越快(表2)，最大淤积厚度可达0.17D。随着试验进行，桩前、桩侧冲深持续快速发展，桩后淤积床砂颗粒开始被水流带走，其厚度变小，水深越大桩周冲刷越快，尤其是在桩后区域，在此阶段桩周冲淤情况基本以来流方向对称发展。当试验超过10～15 h，桩周冲刷深度基本稳定，桩周冲刷边界呈现出较为明显的非对称性(与Debnath[21]试验中桩两侧冲刷不对称情况一致)，这主要是由于试验床砂的非均匀性、上游马蹄形漩涡和尾涡脱落的随机性导致的。

图8 不同时刻定床模型桩桩周冲刷深度发展Fig. 8 Development of scour depth around the model pile at different time

冲刷性质水深/cm桩后开始淤积时间/h桩后淤积达到最大桩后达到初始床面时间/h淤积厚度时间/h定床冲刷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 桩周最大、最小冲深及其方位变化

图9(a)为定床冲刷试验中桩周的最大、最小冲刷深度随时间变化曲线。从图中可以看出，桩周最大、最小冲刷深度一般在10～15 h后趋于稳定。水深越大冲深越大，这主要是由于边界层厚度的增加导致了较大的桩前漩涡尺度。图9(b)表征了桩周冲深的最大、最小值的方位角度变化。在试验开始阶段，桩周的最大冲深出现在模型桩的侧前方(方位角-50°左右)，而由于桩后泥沙淤积，最小冲深首先出现在桩后(方位角±180°处)；随着冲刷持续5～10 h后，最大冲深值的方位角存在突然变化，由桩侧前方(方位角-50°)变为桩侧后方(方位角±125°)，最小冲深方位仍保持在桩的侧后方(方位角±125°)；之后，桩周最大、最小冲深方位不再发生明显变化。各组试验最终的具体冲深情况见图10，其最大冲深值均在0.71D以上，与最小冲深存在0.2D～0.4D的差距，最大、最小冲深位置集中在桩侧后方。

图9 桩周最大、最小冲深和及其冲深方位变化Fig. 9 Evolution of maximum, minimum scour depths and their locations around model pile

图10 不同水深时最大、最小冲深值及方位Fig. 10 Maximum, minimum scour depths and their locations at different water depth

2.2动床冲刷试验

针对动床冲刷条件共进行了5组水深(20 cm、30 cm、40 cm、50 cm、60 cm)情况的试验，图11为水深20 cm时冲刷试验情况，可见底床表面起伏不平的沙波。

图11 水深20 cm时动床冲刷试验Fig. 11 Live-bed scour at the water depth of 20 cm

2.2.1 桩周冲深随时间变化特征

图12为动床冲刷时，不同水深条件下模型桩的桩周冲深比(S/D)随时间变化情况，动床冲刷总体上对称发展。如图12所示：动床冲刷时近底床流速大，桩前、桩侧冲刷与桩后淤积同时发生且发展迅速，冲深沿水流方向对称变化。表4给出了模型桩桩后冲淤随时间变化情况。可以看到，单桩桩后砂层淤积的时间短，最大淤积厚度可超过初始床面0.13D。一般地，水深越大，桩后淤积持续时间越短且厚度越小。冲刷达到10 h后，较小水深(20 cm、30 cm、40 cm)条件下的桩周冲刷深度趋于稳定，而对于较大水深(50 cm、60 cm)，桩周的局部冲刷仍在持续增长，且冲刷深度沿桩周基本均匀发展。

图12 不同时刻动床模型桩桩周冲刷深度发展Fig. 12 Development of scour depth around the model pile at different time

冲刷性质水深/cm桩后开始淤积时间/h桩后淤积达到最大桩后达到初始床面时间/h淤积厚度时间/h动床冲刷2000．03-0．13D0．123000．03-0．11D0．094000．02-0．11D0．0475000．007-0．039D0．0136000．017-0．087D0．028

2.2.2 桩边最大、最小冲深及其方位随时间变化特征

在5组动床试验中，桩周最大、最小冲刷深度随时间的变化如图13(a)所示。试验进行到10 h后，较小水深(20 cm、30 cm)时最大、最小冲深趋于稳定，而较大水深(40 cm、50 cm、60 cm)时最大、最小冲深随时间线性增长。图13(b)所示为桩周最大、最小冲深值在模型桩桩周的方位角度变化。从图中看出，最小冲深点的方位始终位于桩侧后方(±150°左右)，而最大冲深点在较小水深(20 cm、30 cm)条件时位于桩侧前方(-50°左右)，在较大水深(40 cm、50 cm、60 cm)时波动较大(-50°→50°或±150°)，表明这两个方位冲深差别不大；在冲刷试验后期，桩周各方位冲深的发展较为一致，且随水深增加差别越小。图14为各组试验最终冲深值，其最大冲深值在1.11D以上，与最小冲深值相差0.1D～0.4D，最大、最小冲深分别出现在桩侧前方与桩侧后方。

图13 桩周最大、最小冲深及其方位变化Fig. 13 Evolution of maximum, minimum scour depths and their locations around the model piles

图14 不同水深时最大、最小冲深值及方位Fig. 14 Maximum, minimum scour depths and their locations at different water depths

3 结 语

针对单桩桩周冲刷边界随时间的变化特征，本文开展了10组室内水槽试验，研究不同水深、不同底床冲刷条件下，单桩基础桩周的局部冲刷深度随时间变化特征。在试验过程中，通过模型桩内放置摄像机实时监测桩周冲刷情况，获得桩周边界冲刷深度、最大和最小冲深及方位随时间的变化，得到以下主要结论：

1)在冲刷的初始阶段，单桩桩周的局部冲刷首先发生在桩的侧前方，而在桩后区域床砂先发生淤积再逐渐被冲刷走；试验发现，水深越大，流速越大，桩后淤积持续时间越短，淤积量越小，桩周局部冲刷发展越迅速。

2)在定床冲刷时，较小水深情况下(20 cm、30 cm)的桩周冲刷深度在短时间内即趋于稳定；水深越大，流速越大，冲刷稳定所需时间越长；对于动床冲刷且水深较大时(40 cm、50 cm、60 cm)，单桩桩周冲刷深度增长快，沿桩周基本均匀发展，最大、最小冲深差别小。

3)单桩基础桩周的最大冲深点首先出现在桩的侧前方，最小冲深点位于桩后区域；随着冲刷进行，对于定床冲刷，最大、最小冲深点突变为桩的侧后方；对于动床冲刷，最小冲深点始终位于桩的侧后方，最大冲深点在较小水深(20 cm、30 cm)时位于桩的侧前方，而在较大水深(40 cm、50 cm、60 cm)时在桩的侧前方和侧后方之间波动。

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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

国家国际科技合作专项(2015DFE72830)；国家杰出青年科学基金(51325901)；国家自然科学基金(51209183)；浙江省自然科学基金(LY15E090002)；中央高校基本科研业务费(2015QNA4023)

马丽丽，女，河南人，从事桩基冲刷研究。

国 振(1982-)，男，山东淄博人，博士，副教授，从事海洋岩土工程研究。E-mail：nehzoug@163.com