桥梁群桩基础附近三维流场水动力特性试验研究

陈亚东 孔定新

（江苏航运职业技术学院人文艺术学院，江苏 南通 226010）

随着交通运输事业的快速发展，我国对跨江跨海通道的需求日益迫切，因此众多的河流上都兴建了越来越多的公路和铁路桥梁。而桥梁的出现会破坏河道内的原有水流条件，使得桥梁水下基础周围有向下水流、马蹄形旋涡和尾流旋涡等水流结构形成。也正是由于桥梁水下基础扰流而形成的水流三维边界层分离、复杂的多重旋涡体系和水体的高强度紊动，使得桥梁水下基础周围产生了很剧烈的局部冲刷。局部冲刷不仅会导致水下基础的移位、沉陷，桥面的开裂、变形，也会引发整座桥梁的突然坍塌，还会改变水下基础周围水流的运动规律和动力结构，对过桥船舶的通行安全造成较为严重的影响，甚至会破坏桥梁所在位置处河段河势的稳定，危及到桥梁上下游建筑物和沿岸堤防的安全。群桩基础是跨江跨海桥梁普遍采用的桥墩形式，采用群桩基础会使得桥墩附近旋涡体系对周围床面冲刷作用机制发生改变。截至目前，国内外现有的研究主要集中在群桩的水流阻力，群桩基础周围的局部冲刷深度、范围、形态等冲刷特性，规则波、不规则波以及波流共同作用引起的局部冲刷等少数几个方面，而对于群桩基础周围三维流场水动力特性和水下基础周围局部冲刷相关机理的研究成果较少。本文通过室内矩形断面自循环变坡水槽试验，对桥梁群桩基础周围的瞬时流速场进行了精细测量，分析了群桩基础上下游铅直对称面内三维流速、紊动强度、雷诺应力等水力参数的沿程垂线分布规律，研究了向下水流、马蹄形旋涡和尾流旋涡等典型水流结构的冲刷力，深入揭示了桥梁群桩基础周围清水局部冲刷的主要 机理。

1 试验系统设计

1.1 试验水槽

桥梁群桩基础附近三维流场水动力特性试验采用的是自循环矩形断面变坡水槽，水槽的长度为18.0m，宽度为1.0m，深度为0.8m，试验水槽的两侧均为玻璃壁面，便于试验过程中各种水流现象的观测。水槽两侧的边壁上均安装了钢制导轨，导轨支撑的仪器承台能够沿水槽纵向移动，使得试验过程中对群桩基础周围三维流场的测量能够顺利进行。水槽的下游端设有一铅直升降装置，该装置能使水槽的底坡在规定范围内变化调整，实现最大为15%的可调底坡，自循环矩形断面变坡水槽及布置情况如图1所示。

图1 自循环矩形断面变坡水槽及布置示意图

试验水槽入口处的水流流量，可由多普勒超声波流量计进行测量，水槽内的水位可由水槽下游端水流出口处的尾门控制，上下游各位置处的水位由水位测针读取，群桩基础周围的三维流速场由超声波多普勒流速仪测量，桥墩群桩基础周围局部冲刷发展过程中各个典型时刻的最大冲刷深度值利用潜望镜进行观测，冲刷达到平衡状态时的冲淤地形由水位测针进行测量。试验研究采用的模型桥墩是主通航孔为双跨228m中承式钢管砼系杆拱的某跨江大桥的主墩，其群桩基础模型具体形式和参数如图2所示。

图2 桥梁群桩基础模型具体形式和参数

1.2 试验布置

为了开展群桩基础周围三维流场水动力特性和局部冲刷机理的相关研究，在水槽入口下游5.0m位置处，布置了一个作为有效试验段的长方体沙坑，该沙坑的长度为10.0m，宽1.0m，深0.4m。沙坑的上游侧和下游侧均安装了厚0.2m的灰塑板做成的假底，假底上铺设了厚0.2cm的试验用沙，在下游假底和试验水槽出口之间为沉沙池。试验采用天然无粘性均匀沙作为模型沙，被填充于作为试验有效段的长方体沙坑内，模型沙的颗粒形状系数SH接近于1.0，模型沙的中值粒径为0.70mm，模型沙的不均匀系数gσ为1.2，模型沙的密度sρ为2.65×103kg/m3。试验布置如图1所示。试验采用的群桩基础模型被固定在沙坑的中心位置处，群桩基础模型与沙坑的平面形心重合，距水槽入口10.0m。试验是在清水冲刷条件下展开的，试验运行过程中的流量Q为105L/S，墩前行近流速∞U为0.36m/s，行近水深 ∞H为0.28m，来流剪切流速为0.019 m/s，模型沙的起动流速与来流剪切流速之比约为0.98。桥墩群桩基础周围的局部冲刷开始后，24h内最大冲刷深度变化量小于1mm时被认为冲刷达到平衡状态，冲刷达到平衡状态时桥墩群桩基础周围的冲淤地形如图3所示。

图3 群桩基础周围冲淤地形图

试验采用顺水流向作为X方向（水槽纵向），水平面内与纵向坐标轴相垂直的作为Y方向（水槽横向），垂直于水平坐标面的作为Z方向（水槽垂向），三维坐标系的坐标原点位于桥墩的对称中心。试验开展过程中利用超声波多普勒流速仪对桥墩群桩基础上游和下游水槽中轴线上X/D=±3.1，±3.3，±3.6，±3.9，±4.2，±4.7，±5.2，±6.3，±8.3等不同位置处的18条具有代表性的测流垂线上的各项水力要素进行测量和对比分析（其中桥墩宽度D为90mm），如图1所示。每条测流垂线上的纵向和垂向流速分别用Ux和Uz表示，并利用桥墩迎水面上游的行近流速U∞无量纲化，测流垂线上各测点的位置高度Z用桥墩迎水面上游的行近水深 ∞H无量纲化，纵向、横向和垂向紊动强度分别表示，由来流剪切流速无量纲化，雷诺应力无量纲化。

2 试验结果分析

桥梁群桩基础局部冲刷是由三维边界层分离的多重旋涡体系和高强度的水体紊动引起的，所以通过分析流速、紊动强度、雷诺应力等流场水动力参数的沿程垂线分布规律，能够彻底揭示桥梁群桩基础的清水局部冲刷机理。

2.1 桥梁群桩基础上游铅直对称面内流速分布规律

为了分析向下水流和马蹄形旋涡等水流结构对局部冲刷的影响，在清水冲刷条件下桥梁群桩基础上游铅直对称面内纵向流速（X方向）和垂向流速（Z方向）分布被绘制于图4和图5。

由图4中的纵向流速分布可以看出，距离桥梁群桩基础越远，各测流垂线上相同水深位置处的纵向流速就越大，桥梁群桩基础迎水面处测流垂线上各测点的纵向流速值最小，而当X/D≥8.3后，测流垂线各测点处的纵向流速均达到最大值。如上所述的不同测流垂线相同水深位置处的纵向流速分布表明，桥梁群桩基础对其迎水面以上水流具有一定的阻碍作用，这种阻碍作用迫使水流渐近过程中动能向势能转化而产生局部水头损失，进而造成局部冲刷，桥梁群桩基础对其迎水面上游水流的影响范围约为8.3倍桥墩墩宽。桥梁群桩基础迎水面上游各测流垂线上，测点流速均随水深增加而减小，靠近自由水面处的纵向流速最大，近床面附近的纵向流速最小，当X/D≤3.6时，各测流垂线均位于冲刷坑范围内，原始河床床面以下各测点处均有逆向流速出现，而且越靠近群桩基础，逆向流速值越大，最大逆向流速值为Ux/U∞＝-0.19。逆向流速的出现是马蹄形旋涡形成的主要表征，逆向流速值越大则马蹄形旋涡的冲刷力也就越强。上述逆向流速最大值远小于Ahmad N.等测得的Ux/U∞≈ -0.78，主要是因为不同于实体桥墩，桥梁群桩基础是由若干桩基按一定间距规则排列形成的，在阻水的同时还具有一定的透水能力，这就使得冲刷坑内的逆向流速极值明显变小，因此马蹄形旋涡的强度也被有效削弱。

图4 群桩基础上游纵向流速分布

分析图5所示的垂向流速分布可知，各测流垂线上均有垂向流速出现，而且垂向流速均为负值，这是群桩基础上游向下水流这一典型水流结构出现的主要表征。各测流垂线上的垂向流速均由自由水面处开始，先随水深的增加而增大，而后又逐渐减小，并在0≤z/H∞≤0.2的范围内先后达到极值，这表明群桩基础上游此区域内的向下水流的冲刷力最大。越靠近群桩基础的测流垂线，其上各测点处的垂向流速越大，在靠近群桩基础承台前沿处（X/D≈ 3.1）的原始河床面附近（z/H∞≈0）的相对垂向流速Uz/U∞出现约为-0.23的最大值，表明此处的向下水流对河床床面的冲刷作用最强，因此也几乎是最大冲刷深度冲刷坑的出现位置。对比以往研究成果，本文测得的相对垂向流速最大值远小于Ahmad N等在试验中测得相对垂向流速最大值（Uz/U∞≈0.51），说明桥梁群桩基础形式的桥墩类似于采用了开缝防护的实体桥墩，在允许部分水流穿墩而过的同时，有效削弱了墩前向下水流的冲刷力，也是工程实际中应该优先首选的桥梁水下基础形式。

图5 群桩基础上游垂向流速分布

2.2 桥梁群桩基础下游铅直对称面内流速分布规律

为了分析尾流旋涡对局部冲刷的影响作用，桥梁群桩基础下游铅直对称面内的纵向流速和垂向流速分布分别绘制于图6和图7。

由图6中铅直对称面内纵向流速分布可以看出，群桩基础下游铅直对称面内各测流垂线上的纵向流速均随着水深的增加而减小，并均在河床床面附近具有极小值。对于不同位置处的测流垂线来说，随着与群桩基础尾水面距离的增加，相同水深位置处的纵向流速值也增加。在X/D≤-8.3之后的尾水区域内，纵向流速几乎不受群桩基础的影响。在X/D≤-3.3、Z/H≤0.46的水域范围内的测流垂线上，有逆向流速出现，说明在群桩基础下游尾流旋涡已经形成。在靠近群桩基础尾部，X/D＝-3.1位置处的测流垂线上，相对水深Z/H＝0.16时，逆向流速具有最大值/∞UUx＝-0.18，这个值比Ahmad N.等在实体桥墩冲刷试验中测得的最大逆向流速值/∞UUx＝-0.32要小，这说明与实体桥墩相比，桥梁群桩基础的透水性能使其下游尾流旋涡的强度被有效削减。

图6 群桩基础下游纵向流速分布

分析图7所示的垂向流速分布可以看出，群桩基础下游铅直对称面内各测流垂线上的垂向流速均随水深的增加先是逐渐增加，而后再逐渐减小。在相对水深0.2≤Z/H≤0.4的水域范围内，各测流垂线上的垂向流速先后达到极值，表明在此区域内尾流旋涡对泥沙的卷扬作用最为明显。对比不同位置处的测流垂线，随着与群桩基础尾水面距离的增加，相同水深位置处的垂向流速先增加而后减小。在X/D≤ -8.3之后的测流垂线上，垂向流速几乎不受群桩基础的影响。在-4.7≤X/D≤-4.2的近床面位置附近，垂向流速具有最大值Uz/U∞=0.44。综合来看，所有测流垂线上各测点处的垂向流速均为正值，说明垂向水流流向均背离河床床面，这就使得尾流旋涡能够通过自身的旋转和震荡，将群桩基础上游由向下水流和马蹄形旋涡淘刷起动的泥沙卷扬至水体中，水体中的泥沙通过水流挟带而顺水流逝，造成了桥梁群桩基础周围的局部冲刷。

图7 群桩基础下游垂向流速分布

2.3 桥梁群桩基础上游铅直对称面内紊动强度分布规律

冲刷达到平衡状态后桥梁群桩基础上游铅直对称面内纵向（X方向）、横向（Y方向）和垂向（Z方向）紊动强度分布分别如图8、图9和图10所示。

由图8中的纵向紊动强度分布可以看出，群桩基础上游铅直对称面内各测流垂线上的纵向紊动强度均随水深的增加逐渐增大，而后又随水深的增加逐渐减小，并在 0≤Z/H≤0.1的水域内分别达到极值，这说明在向下水流和马蹄形旋涡共同作用下，群桩基础上游近床面附近各水流结构的冲刷力最强。对于不同测流垂线而言，越靠近群桩基础，相同水深位置处的纵向紊动强度越大，相对纵向紊动强度值最大可达这主要是越靠近群桩基础水流受扰动越大的缘故，因此，也是局部冲刷防护的重点部位。Ahmad N等在实体桥墩冲刷试验中测得的相对纵向紊动强度最大值为要大于本文实测结果，主要是因为群桩基础具有相当强的透水性，这有效降低了其对水流造成的 干扰。

图8 群桩基础上游纵向紊动强度分布

分析图9所示的横向紊动强度分布可知，在群桩基础上游铅直对称面内，各个测流垂线的横向紊动强度都在自由水面处具有极小值，随着水深的增加紊动强度值也逐渐增大，而后又随着水深的增加而减小，各测流垂线上的横向紊动强度极大值均出现在0≤Z/H≤0.15范围的水域内，与此对应的水流结构的冲刷力最强。测流垂线越靠近群桩基础，相同水深位置处的横向紊动强度就越大，在X/D＝3.1， Z/H＝0.15的位置附近，横向紊动强度具有最大值这说明群桩基础周围马蹄形旋涡的形成及其向群桩基础两侧的发展造成了局部区域内横向紊动强度的增大。

图9 群桩基础上游横向紊动强度分布

图10是群桩上游铅直对称面内垂向紊动强度分布。由图可知，由自由水面开始，各测流垂线上的垂向紊动强度均随水深的增加先增大后减小，大多数测流垂线上的紊动强度在0.10≤Z/H≤0.25水域内具有极值，越靠近群桩基础的测流垂线上的紊动强度极值越大，紊动强度最大值0.96出现在X/D＝3.1，Z/H＝0.20位置处，垂向紊动强度的分布特点表明，群桩基础的透水作用将上游水流结构沿直方向的冲刷力有效带离河床床面附近水域。

图10 群桩基础上游垂向紊动强度分布

2.4 桥梁群桩基础下游铅直对称面内紊动强度分布规律

局部冲刷达到平衡状态后桥梁群桩基础下游铅直对称面内纵向、横向和垂向紊动强度分布分别如图11、图12和图13所示。

图12 群桩基础下游横向紊动强度分布

图13 群桩基础下游垂向紊动强度分布

图11是群桩基础上游铅直对称面内纵向紊动强度分布。由图可以看出，从河床床面至自由水面，纵向紊动强度先增加而后减小，各测流垂线上的纵向紊动强度极值出现在0.40≤Z/H≤0.73的水域范围内。而不同测流垂线上相同水深处的纵向紊动强度值也不同，自群桩基础尾水面起 （X/D＝-3.1），随着与群桩基础距离的增加，垂线紊动强度值先是增大，在X/D＝-3.9附近，纵向紊动强度值最大可达几乎是尾流旋涡作用最为强烈的区域，所以冲刷力最强，此后纵向紊动强度值逐渐减小。当 X/D≤-8.3后，纵向紊动强度垂线分布相差不大，说明该区域已经脱离了尾流旋涡影响。

由图12中群桩下游铅直对称面内横向紊动强度分布可知，群桩基础下游铅直对称面内各测流垂线上的横向紊动强度均随水深的增加先逐渐增加而后减小，紊动强度极值区域（X/D≈0.65）更靠近自由水面，这使得被尾流旋涡卷扬起来的泥沙顺水流逝的几率更大。对比不同测流垂线上的横向紊动强度值发现，尾流旋涡中心区域与纵向紊动强度反映出来的几乎一致，而该区域内的最大横向紊动强度值＝7.21）却远大于最大纵向紊动强度值。

图13中群桩下游铅直对称面内垂向紊动强度的分布规律，大致与纵向和横向紊动强度的分布规律相类似，略有不同的是垂向紊动强度的最大值及其出现位置（X/D＝-3.9，Z/H≈0.72）。

2.5 桥梁群桩基础上游铅直对称面内雷诺应力分布规律

雷诺应力是水体内部的紊动水团相互交换过程中在流层间产生的剪切应力。为了进一步分析水流结构冲刷力，桥梁群桩基础上游铅直对称面内的相对雷诺应力分布绘制于图14和图15。

从图14中可以看出，从Z/H＝0.5开始直至自由水面的水域范围内，雷诺应力基本呈线性分布，表明该水域内的切变流速较为稳定。而在Z/H≤0.5≤0.5的水域范围内，雷诺应力显著增大，并在原始河床床面附近具有极大值，说明该区域内的水体由于受到马蹄形旋涡横向发展的影响，产生了较为强烈的剪切作用。

2.6 桥梁群桩基础下游铅直对称面内雷诺应力分布规律

局部冲刷达到平衡状态后，桥梁群桩基础下游铅直对称面内的雷诺应力分布分别如图16和图17所示。

由图16中可以看出，远离群桩基础的测流垂线上的雷诺应力沿水深的变化不大，说明该区域内水体远离尾流旋涡影响，水流的切变流速较为稳定。而对于群桩基础尾水面直至X/H∞=4.2的水域范围内的测流垂线来说，其上雷诺应力

3 结语

本文通过室内变坡水槽试验对桥梁群桩基础附近三维流场水动力特性进行了研究，研究结果表明，群桩基础上游有向下水流和马蹄形旋涡生成，在两个旋涡的共同作用下，水体的三维紊动加剧，切变流速变化明显，并在靠近群桩基础承台前沿的床面附近具有极值，此位置处的冲刷力最大，是局部冲刷防护的重点部位，群桩基础下游有尾流旋涡形成，靠近群桩基础尾水面处的水体紊动较大，水流剪切作用强烈，使得尾流旋涡通过自身的卷扬作用促使上游来沙悬浮后顺水流逝，进而造成冲刷，与实体桥墩相比，群桩基础的透水性有效削减了上下游水流的三维流速，抑制了水体的三维紊动和水流的剪切作用，削减了旋涡体系的冲刷力。