波浪作用下跨海桥梁桩基冲刷防护装置特性研究

段玮玮，孙 佳，朱海芬，李 强

(浙江海洋大学港航与交通运输工程学院，浙江舟山 316022)

近年来，跨海大桥建设在我国长三角地区兴起。跨海大桥的建设大量采用桩基作为基础，而海洋环境下桥梁桩基的冲刷作用对桥梁结构的稳定性产生了一定的影响。桥梁桩基的局部冲刷长期以来受到工程界的关注。基于流体力学和大量的模型试验研究，工程界对桩周局部冲刷机理已经有了全面的认识[1]。对于局部冲刷而言，其原因主要归结于桩柱周围上游处流体的分离和下游处周期性的涡街释放。但在海洋环境下除了流的作用外，波也是一个重要的影响因素。根据波长与桩径比，一般桩柱可分为大直径的墩和小直径的桩。过去四十年来，很多研究者对小直径桩在波浪作用下桩周的局部冲刷进行了研究。CHEN Guoping，et al[2]认为桩周的局部冲刷根据床面速度和底质的起动速度以及波长和桩径比可以分为三种类型：浑水冲刷、对称角状分布冲刷、环向冲刷。由于桩周的冲刷作用会影响桥梁结构的稳定性，工程界对于减低桩周冲刷一直较为关注，也提出了很多的冲刷防护措施。DEY，et al[3]把工程防护措施分为保护层措施和改变流场措施两类。保护层措施主要包括抛石、系缆块、四面体防护块等；改变流场措施主要有墩前桩列、淹没槛、桩前三角翼式槛、墩部分或整体开缝防护、护圈防护等，在此基础上进一步提出了一种附于桩上的对称分割板和螺旋绕线桩。CHIEW[4]回顾了桥墩冲刷防护现有方法，提出了一种由开缝和护圈组合的防护方法，研究表明可以减低冲刷深度达20%。大多数这些冲刷防护对于工程来说都是较为昂贵的，相比较而言，采用护圈防护是可行的[5]，但护圈防护的效果取决于护圈与床面的距离，KUMAR，et al[6]指出护圈只在离床面一定范围内可以有效的减低局部冲刷，应用上存在一定的局限性。

1 冲刷防护装置设计

通过文献回顾，可以发现桩周局部冲刷主要有三个因素引起：桩前向下流、马蹄涡和桩后涡街释放。本文提出了一种能够降低桩周局部冲刷的防护装置，它由一个上部护圈和一个表面钻有很多圆孔的护筒组合而成，这里采用了16 列孔，钻孔排数根据筒高不同而变，如图1(a)所示。护圈可以有效降低向下流，多孔管可以改变桩周流场，安装示意图如图1(b)所示。

图1 防护装置简图和安装示意图Fig.1 Schematic diagram of protective device and installation diagram

2 试验系统和测试方法

桩的局部冲刷试验在波浪水槽中进行，水槽中试验段长17 m，宽1.4 m，深1.0 m，下游为消浪斜波段。水槽中设有4.8 m 长，0.5 m 深的砂床段，距造波机为30 m。所采用的砂的中值粒径为0.25 mm。直径分别为35 mm、45 mm、55mm 的透明塑料管被用来模拟不同直径的桩基，塑料管上在周向8 个方向上标有刻度。这些管子垂直安设于砂床中部，通过造波机造波进行试验测试。测试系统由浪高仪和冲刷深度测试装置组成，3 个电容式浪高仪安设于水槽中心线上，彼此保持一定的间距置于砂槽段前方。通过浪高仪监测波高，并将数据反馈给造波机，以便波高可以精确控制。上述桩基冲刷测试试验系统如图2 所示。本研究中关注的是桩周和防护装置周围的冲刷深度，但由于本装置是由护筒和护圈组成，护圈的存在使得桩周冲刷深度测试存在困难，地形仪不方便测试，因此采用了内窥镜装置对桩周8 个方向的冲刷深度进行测试。方向由入射波攻角θ 来定义，攻角范围为-180°～180°，其中θ=0°代表垂直于桩表面的入射波方向，顺时针为正，逆时针为负。试验中采用时间间隔为每次造波后15 min、30 min、60 min，之后采用每2 h 测1 次，直至相邻2次桩周的冲刷深度相对较小或不变为止，视为此时达到桩周冲刷平衡。双桩试验中采用串列双桩布置，桩的中心距为10.8 cm。

图2 冲刷试验波浪水槽简图Fig.2 Scouring test wave sink sketch

3 桩周局部冲刷

当桩径较小时，桩周局部冲刷主要由马蹄涡产生。桩周最大冲刷坑和最大冲刷深度的产生非常靠近桩身。本次试验研究中，在波的作用下，底床砂产生运动形成砂纹，桩周地形的变化包括了由涡流产生的局部冲刷和砂纹变化两部分共同作用产生。试验共计22 组单桩冲刷试验和12 组串列双桩冲刷试验，包括9 组无防护装置的单桩冲刷试验，13 组为加防护装置的桩周局部冲刷试验以及3 组无防护串列双桩冲刷试验和9 组加防护装置的串列双桩冲刷试验。大多数试验中发生了浑水冲刷，在较短波长的波的作用下，有少数试验中出现了类似流体冲刷的环向冲刷。根据桩周局部冲刷深度的测试结果，得出了局部冲刷的发展和一些重要的影响因素对桩周局部冲刷的作用。

3.1 桩周最大冲刷深度的发展

桩周最大冲刷深度与最终冲刷深度比随波数而发展，由于本研究中冲刷是由两种作用叠加，因此冲刷深度随波数的发展较为曲折。随着波浪冲刷时间的增长，局部冲刷形态基本不变。桩无防护时的最大冲刷深度集中在桩的后部，其攻角在-135°～135°之间，而有防护时桩周最大冲刷深度主要集中在桩的两侧。

3.2 最大冲刷深度的影响因素

正如上面所提到的，桩周局部冲刷的最大冲刷深度与入射波高、波长、水深、桩径、防护装置筒高、护圈直径和开孔率有关。

3.2.1 波高的影响图3 反映了最大冲刷深度和波高的关系。从图3 可见，桩周冲刷深度随着波高的增加而增加，增加了防护的桩周冲刷深度小于无防护桩的冲刷深度。

3.2.2 波长的影响图4 反映了最大冲刷深度与波长的关系，两者之间的关系与波高对冲刷深度的影响基本一致。

图3 有/无防护下波高对冲刷深度的影响Fig.3 Effect of wave height on scour depth with/without protection

图4 有/无防护下波长对冲刷深度的影响Fig.4 Effect of wave length on scour depth with/without protection

3.2.3 水深的影响

图5 反映了最大冲刷深度与水深的关系，最大冲刷深度随着水深的增加而降低，水深越小，冲刷深度的降低越快，有防护的桩周冲刷深度小于无防护的情况。由于底层水流速度随着水深的增加迅速降低，结果造成最大冲刷深度减小。可以推断，当水深增加到一定深度，如h＞L/2 时，桩周沉积物不再发生运动，最大冲刷趋于零。

4月24日是个星期一，参观者不多，但还是有好几队中、小学生的参观队伍在老师带领下安静有序地参观。博物馆展示内容除了卡尔梅克人社会、文化、民俗外，历史部分占了参观大厅一层一个大展厅，其中阿玉奇汗的业绩占了显要地位。对渥巴锡东归之举则是用平实的言词客观描述了这一历史事件始末，少有评议。值得一提的是，我们在博物馆当代卡尔梅克造型艺术的展厅不仅看到了反映阿玉奇汗与彼得大帝会面场景的精美的油画，还看到了土尔扈特末代公主满琳的巨幅油画。

3.2.4 桩径的影响

桩径对冲刷深度的影响如图6 所示，桩径越大，冲刷深度越大。在无防护的情况下，桩周冲刷深度和桩径呈线性关系，当增加了防护装置后，冲刷深度小于无防护的情况，且在直径较小时，冲刷深度的增长平行于无防护的情况，而在直径较大时，冲刷深度的增加趋缓。

图5 有/无防护下水深对冲刷深度的影响Fig.5 Effect of water depth on scour depth with/without protection

图6 有/无防护下桩径对冲刷深度的影响Fig.6 Effect of pile diameter on scour depth with/without protection

3.2.5 防护装置参数的影响

由图7 和图8 可见，冲刷深度随着护圈直径的加大而减小，当护圈直径增加至一定值时，冲刷深度不再变化；在较小的防护装置高度下，冲刷深度随护筒的增加而减小，当防护装置高度继续增加时，冲刷深度反而迅速增加。

图7 护圈直径对冲刷深度的影响Fig.7 Effect of retainer diameter on scour depth

图8 防护装置高度对冲刷深度的影响Fig.8 Effect of height of protective device on scour depth

3.2.6 串列双桩的影响

在双桩情况下，动床冲刷深度主要取决于Keulegan-Carpenter 数KC 和无量桩间距G/d。在本文中，我们研究了三种直径桩(d=3.5 cm、4.5 cm 和5.5 cm)的串联布置的双桩组。

无保护条件下桩径对冲刷深度的影响如图9 所示。波长、波高、防护装置高度对防护装置冲刷深度的影响如图10～12 所示。通过与几种情况的比较，可以看出无防护的桩的最大冲刷深度和任意方向的冲刷均大于加防护的桩。从图9 可以看出，在波长L=195 cm，波高H=8.5 cm 时桩的最大冲刷深度随桩的直径d 的增加而增加。在较小的直径下，桩的最大冲刷深度位于桩的侧面，θ=90°或θ=270°。而在直径较大时，前桩最大冲刷深度位于桩后，后桩最大冲刷深度出现在桩前。通过对单桩和双桩群冲刷深度的比较，可以发现后桩的冲刷深度要比前桩深，这可能与整体冲刷作用有关。

图9 无防护时桩径对冲刷深度的影响Fig.9 Effect of pile diameter on scour depth without protection

图10 给出了防护装置高度为1.5cm、波高为8.5cm 时波长对于加防护的串列双桩的冲刷深度影响。从图10 中可以看出，桩身冲刷深度随波长L 的增大而增大，前桩最大冲刷深度位于桩身两侧，后桩一侧位于桩后。

图10 波长对防护桩冲刷深度的影响Fig.10 Effect of wavelength on scour depth of protective pile

图11 给出了防护装置高度为1.5 cm、波长为195 cm 时波高对于加防护的串列双桩的冲刷深度影响。由图11 可知，波浪高度H 对桩身冲刷深度有重要影响。波浪高度越小，最大冲刷深度越小。随着波浪高度的增大，桩前、桩后最大冲刷深度随波浪高度的减小而明显增大。波高较小时最大冲刷深度出现在桩的两侧，而波高较大时桩前、后两个位置上的冲刷深度较大且量值比较接近。

图11 波高对防护桩冲刷深度的影响Fig.11 Effect of wave height on scour depth of protective pile

防护装置的高度对最大冲刷深度的影响如图12 所示。可以看出，防护装置高度h=1.5 cm 的防护装置的最大冲刷深度最小，而防护装置高度h=2.0 cm 的最大冲刷深度最大，这与单桩冲刷的结果类似。3 种防护高度的前桩冲刷深度都明显大于后桩，并且随着高度的增加，冲刷深度为前桩迅速增加，后桩变化不大。

图12 防护装置高度对带防护桩冲刷深度的影响Fig.12 Effect of height of protective device on scour depth of pile with protective device

4 结论

(1)提出了一种新的局部冲刷防护装置，波浪冲刷试验结果表明该装置可以有效降低由波浪引起的桩周局部冲刷作用。

(2)无防护时桩周的最大冲刷深度分布在桩的后侧方，而有防护时桩的最大冲刷深度出现在桩的两侧。安装防护装置后，冲刷深度明显降低。

(3)串列双桩对于冲刷防护有明显影响，波长、波高和防护筒高度越大，冲刷越大。

(4)桩周最大冲刷深度与波高、波长和桩径成正比，而与水深和护圈直径成反比关系。存在一个适中的防护筒高度，超过这一高度，防护效果较差。