波流共同作用下反斜桩局部冲刷特性试验研究

程永舟，程海洋，王晓光，黄筱云，吕 行

(1. 长沙理工大学水利工程学院，湖南 长沙 410114；2. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114)

随着海洋资源的进一步开发，各类海工建筑物的稳定与设计问题成为当前研究的热点，桩基础作为海工结构的主要支撑形式，在波浪、水流等荷载长期作用下形成的局部冲刷坑严重威胁着桩身安全[1- 2]，国内外学者已对纯流、纯波及波流共同作用下的垂直桩柱局部冲刷问题[3- 7]开展了大量研究工作并取得了丰富的成果。伴随着海洋工程对建筑结构稳定性及水平承载力更高的要求，斜桩基础也逐渐成为重要的结构支撑类型之一[8- 10]，在相关的科学研究及工程设计领域，通常将桩轴线与铅垂线的夹角(α)作为斜桩倾角进行分类，当α=0°时为垂直桩；当桩向下游倾斜时为正斜桩，α>0°；当桩向上游倾斜时为反斜桩，α<0°。

区别于垂直桩柱情形，斜桩基础下降水流的分离点位置通常因倾斜程度差异而出现不同程度的偏移，从而直接影响到基础近壁侧的涡流强度及泥沙输运特性。Najafi等[11]通过粒子图像测速技术(PIV)对0～40°正斜桩的流场特征进行了可视化分析，发现斜桩与垂直桩周边流场差异较大。Kitsikoudis等[12]通过水槽中的动床和清水冲刷试验，分析了正斜桩在不同倾斜角度下桩周冲刷形态及冲刷坑附近的流场特性，发现由于基础倾斜导致的流线变化直接影响局部冲刷进程，随着倾角的增加，泥沙冲刷量持续减少。Du等[13]基于Flow3D对比了斜桩与垂直桩的冲刷差异，模拟结果同样表明纯流作用下斜桩桩周冲刷深度会显著减少。王浩等[14]采用PIV及运动摄像恢复结构技术(Structure from Motion，SFM)探索了不同角度正斜桩的冲刷地形结构及流场特性，对纯流作用下正斜桩紊流结构- 泥沙运动的作用机制得出了较为细致的研究结论。相较于垂直桩，斜桩由于具有较大的水平刚度而被海上工程应用于抵抗更大的水平荷载[15]，但当倾斜方向不同或与外界荷载作用方向相反时，正斜桩与反斜桩的工作性能会产生较大差异[9，16- 17]，且相比于正斜桩向下游倾斜的“顺流线”特征，反斜桩也可能会由于波浪提前破碎而对桩周泥沙冲刷进程造成不同的影响[18]，这意味着桩身的水平承载能力可能因倾斜方向产生的冲深差异导致不同程度的弱化[1]。

综上可知，斜桩周围流动特性及涡流结构与垂直桩存在明显差异，且受倾角变化影响显著，基础附近的水流- 泥沙输运机制也更为复杂，但目前的研究主要集中于正斜桩局部冲刷规律及作用机理，忽略了实际海洋环境中波流传播方向与基础倾角相反的情况。本文基于波流水槽开展反斜桩局部冲刷试验，对反斜桩周围冲刷特性及影响因素进行分析和对比，为今后实际工程中斜桩的设计、防护及承载能力评估提供更完善的理论依据。

1 试验布置及试验工况

1.1 试验布置

试验在长沙理工大学水利实验中心波流水槽中进行，试验布置情况如图1所示。波流水槽具体尺寸长×宽×高为45.0 m×0.8 m×1.0 m，水槽首端安装推板式造波机，末端布设消能网防止波浪反射，同时配备循环造流系统及泥沙沉淀池，保证水流持续供应。试验沙槽位于水槽中部，长×宽×高为3.0 m×0.8 m×0.6 m，内部铺满中值粒径d50=0.403 mm的无黏性均匀沙，试验斜桩模型采用直径D=0.05 m的不锈钢圆管，小于0.1倍的水槽宽度，可以忽略边壁效应影响[19]，水深为h=0.4 m，远大于桩径，与实际海洋水深环境相似，可以忽略水深对冲刷造成的影响[20]。本试验定义桩轴线与铅垂线的夹角为反斜桩倾角，规定水流方向为正，分别针对α=0°、α=-10°、α=-20°、α=-30°等4种倾角的桩开展冲刷试验研究，其中α=0°的垂直桩作为反斜桩的对照组进行对比分析。试验采用规则波与恒定流作为环境荷载，波高测量采用WG- 50型浪高仪，最大量程为40 cm，采样频率为50 Hz，精度可达0.4%；流速测量采用Nortek公司生产的三维剖面流速仪(ADV)，采集频率为50 Hz，精度可达0.5%。每个点采样时间为120 s，采集过程中数据相关度始终维持在90以上。冲刷平衡后的地形测量采用加拿大2GRobotics公司生产的ULS- 100型三维水下激光扫描仪，分辨率0.018°，可以精确测量床面形态特征。

图1 试验布置Fig.1 Experimental layout

1.2 试验方案

本试验对波流共同作用下反斜桩周围局部冲刷特性进行研究，探讨不同倾角(α=0°、α=-10°、α=-20°、α=-30°)反斜桩在0～360 min内的冲刷历时特性、冲刷坑形态特征以及局部冲深的影响因素。试验工况如表1所示，采用周期T=1 s、3种入射波高(H=0.04 m、H=0.07 m、H=0.10 m)的规则波作为试验波浪参数，采用入射流速(Uc，距离床面1D处参考点流速)分别为0.180 m/s、0.206 m/s、0.240 m/s的3种恒定流作为水流参数，泥沙的临界希尔兹数Θcr=0.033，经测量计算，本研究中所有波高H=0 m、H=0.04 m、H=0.07 m的纯流和波流试验工况均为清水冲刷，波高H=0.10 m时均为动床冲刷。

表1 试验工况

2 试验结果分析与讨论

2.1 冲刷历时特性

2.1.1 冲刷坑演变特征

图2为高清摄像机记录下Uc=0.180 m/s、H=7 cm、α=-20°时反斜桩典型时刻的冲刷地形照片。前20 min冲刷发展迅速，局部输沙率较大，位于反斜桩侧前方的泥沙首先起动，桩周泥沙在马蹄涡和尾涡的作用下搬运至桩后落淤下来，形成波浪状的沙纹。斜桩与床面间的桩前角区空间较垂直桩有所减小，桩前由于冲刷形成“半环状”冲刷坑，桩后泥沙形成沙丘和规则的沙纹，冲刷坑对称分布。冲刷时间t=60 min时冲刷深度进一步加大，沙丘高度进一步增加，“半环状”冲刷坑的尺度继续增大，最大冲刷深度由侧前方已转移至正前方；t=180 min时冲刷基本达到平衡，冲刷坑形态发展基本成熟，桩周形成前后连通的“环状”冲刷坑，桩后沙丘为平缓的单峰；在冲刷时间180～360 min阶段，冲刷发展缓慢，冲刷坑尺度逐渐增大，桩前后最大冲刷深度差值较大，桩后呈“倒勺状”，冲刷达到准平衡状态。但由图2(d)可以观察到冲刷坑及沙丘并不完全对称，这可能是由于波浪提前破碎导致的桩基底部紊动增强所引起。

图2 冲刷坑演变过程Fig.2 Evolution of scour

2.1.2 局部冲深历时变化

图3为Uc=0.206 m/s，H分别为0 cm、4 cm、7 cm的-20°反斜桩与0°垂直桩的前360 min局部冲深历时曲线。通过冲深曲线可以观察到反斜桩在不同波高下的冲深发展规律与垂直桩较为相似，仍然可以分为快速发展阶段、缓慢发展阶段及准平衡阶段，冲刷深度随着波高的增大而增大。但由于桩身倾斜特征导致的桩周涡流结构差异，导致在同样的波流环境中，反斜桩冲刷深度始终小于垂直桩柱，这一特征与Kitsikoudis等[12]关于正斜桩清水冲刷试验结果具有一定相似性，结构在一定程度的倾斜会减缓桩基附近的泥沙侵蚀现象。在前人关于倾斜圆柱的相关研究中，通常将正斜桩局部冲深低于垂直桩的主要原因归功于正斜桩的“顺流线”特征，但此处关于反斜桩的试验结果中仍出现了局部冲深小于垂直桩的现象，这主要是由于向上游的倾角导致桩前下降水流的分离点位置发生变化[21]，马蹄涡未在冲刷坑内充分发展或强度降低，使得最终的冲刷深度得到了一定程度减小。

2.1.3 倾角与相对时间尺度关系

(1)

式中：g为重力加速度；s为泥沙相对密度，此处为2.65。

图3 冲深历时曲线Fig.3 Time development of relative scour depth

图4 倾角与相对时间尺度关系Fig.4 Correlation between inclination angle and relative time scale

2.2 冲刷坑形态特征

2.2.1 冲刷坑平衡形态对比

图5为Uc=0.180 m/s、H=7 cm条件下-20°反斜桩、0°垂直桩清水冲刷的地形照片。图6为图5所对应工况的等高线地形图，由水下地形仪扫描处理获得。从图5中可以观察到，反斜桩和垂直桩周围均由“环状”冲刷坑和尾后沙丘组成，由图6的等高线可以发现反斜桩冲刷宽度及最大冲刷深度皆小于垂直桩，但冲刷坑尾部区域略有拉长，俯视形态呈现出“水滴状”特征。此外，反斜桩的桩后沙丘淤积面积及高度都明显大于垂直桩，同时呈现尾部更长的单峰“带状”结构，这是由于反斜桩的“逆流线”特征导致波浪提前破碎，使桩后尾流区域呈现更强的紊动特性，进而影响了沙丘的淤积进程。由图例色阶可以观察到，两者桩前最大冲刷深度存在0.5 cm的深度差，这也与实测数据基本保持一致。

图5 试验地形照片Fig.5 Scour topography

2.2.2 波高对冲刷坑剖面影响

为定量分析波流作用下反斜桩与垂直桩的冲刷坑尺度差异，本研究分别选取Uc=0.180 m/s、倾角α=-20°时，纯流和波流作用下反斜桩冲刷坑的典型剖面形态图(图7)，剖面位置代表过冲刷坑轴线的纵剖面(图7(a))和过桩前最大冲刷深度点的横剖面(图7(b))。由图7(a)和图7(b)可以发现波流与纯流环境的冲刷坑横纵剖面明显不同，主要差异体现在冲刷尺寸方面，尤其在近壁面处的最大冲深处，波高对冲深大小起着较为明显的作用，即使叠加较小的波高，局部冲刷深度也会明显增大。由图7(a)可知，波流叠加导致的泥沙输移能力增强显著影响了冲刷坑宽度及桩后沙丘的堆积进程，当波高增加时，横剖面的冲刷宽度及坡度变化较小，但沿波流正向的纵剖面变化明显，沙丘距最大冲深点距离变远且高度更大。值得注意的是，当波高由4 cm增大到7 cm时，冲刷坑的剖面尺度并未如波高由0 cm增加到4 cm时变化显著，这是因为此时流速比大概维持在0.7左右，水流占主导地位，波高在小范围内的变化并不会对桩周水动力产生很大的影响。

图6 冲刷坑等高线Fig.6 Contour map of scour holes

图7 反斜桩冲刷坑剖面形态Fig.7 Lateral and longitudinal profile of scour holes

2.3 局部冲深影响因素分析

2.3.1 倾角及波高对最大冲刷深度影响

图8为Uc=0.206 m/s且在不同波高条件下反斜桩倾角与冲刷深度的关系图。其中，H=0为纯流环境下的清水冲刷情况，H=4 cm、H=7 cm表示波流作用下的清水冲刷，H=10 cm表示波流作用下的动床冲刷。由图可以发现清水冲刷下冲刷深度与倾角的关系与动床冲刷具有较大差异，在清水冲刷条件下，冲刷深度随着倾角增大而减小，随波高增大而增大，而当波高逐渐增加直至到动床冲刷条件时，冲刷深度反而变小，这是由于此时床面整体输沙能力虽然较强，但上游的泥沙不断被输运到冲刷坑内，导致桩周局部区域的波流净输沙量相对较低，从而减小了桩周局部冲深。

图8 倾角及波高对相对冲刷深度影响Fig.8 Influence of α and H on S/D

2.3.2 弗劳德数对冲刷深度影响

图9 Fra对相对冲刷深度影响Fig.9 Influence of Fra on S/D

2.3.3 Keulegan- Carpenter数及Ucw对冲刷深度影响

Keulegan- Carpenter数和流速比是在波流环境中对桩基冲刷发展影响最大的2个参数[5]，两者的大小直接关系到床面的涡流结构与输沙能力。在本试验中KC的范围为0.95～2.39，而Ucw=0与Ucw=1分别代表波浪冲刷与纯流冲刷的情况，0

由图10可以发现，对于-20°反斜桩，在Ucw=0.6±0.1、Ucw=0.775±0.075范围内的所有试验数据均位于各自对应垂直桩拟合曲线的上方，S/D随KC的变化趋势与垂直桩具有一定的相似性，而在图11中关于Ucw与冲刷深度关系的对比中，同样可以观察到-20°反斜桩数据点位于拟合曲线的上部，造成这一现象的主要原因是由于本试验冲刷时间360 min大于拟合曲线对应的大多数对比试验，因此，-20°反斜桩的数据点均位于拟合曲线上方的现象与前文反斜桩小于垂直桩局部冲深的结论并不矛盾。结合图10和图11可知，KC、Ucw与S/D之间的关系虽与垂直桩存在一定的相似性，但由于布置形式的差异，若考虑桩周波浪传播变形及破碎效应的影响[27]，具体的函数关系更难以确定，值得进一步探索。

图10 KC与相对冲刷深度关系Fig.10 Variation of S/D with KC

图11 流速比与相对冲刷深度关系Fig.11 Variation of S/D with Ucw

3 结 论

本文基于水槽试验开展了波流共同作用下反斜桩局部冲刷特性研究，对冲刷深度历时特性、冲刷坑形态特征、局部冲深影响因素等进行了分析，通过与垂直桩及纯流环境下的部分冲刷试验数据进行对比，得出以下结论：

(1) 反斜桩的冲刷发展特性与垂直桩具有一定相似性，在清水冲刷条件下，冲刷深度随波高增大而增大，且冲深发展速率随时间越来越慢。受桩身向上游倾角的“逆流线”特征影响，在相同的波流条件下，反斜桩局部冲刷深度始终低于垂直桩，相对冲刷深度随桩身倾角增大而减小，相对时间尺度随倾角增大而增大。在动床条件下，上游泥沙不断填充到冲刷坑内，降低了桩周局部输沙率，导致最终冲刷深度变小。

(2) 反斜桩和垂直桩周围均由“环状”冲刷坑和尾后沙丘组成，但反斜桩冲刷坑宽度相对较小，长度略大，尾后区域呈现“水滴状”形态。反斜桩向上游倾角加剧了波浪在桩前的传播变形过程，导致反斜桩的桩后沙丘淤积面积及高度都明显大于垂直桩，呈现出更长的单峰“带状”结构。

(3) 波高对冲深大小起着较为明显的作用，即使叠加较小的波高，局部冲刷深度也会明显增大，且随着波高增加，沿波流正向的冲刷坑纵剖面变化明显，沙丘距最大冲深点的距离和高度变化较大。在波流条件下，相对冲刷深度与弗劳德数之间存在较高的相关性，整体随Keulegan- Carpenter数、弗劳德数及流速比的增大而增大，但具体的函数变化关系有待研究。