不同桩数的桥梁基础局部冲刷研究综述

黄严堃，魏松 （.安徽省水利水电勘测设计研究总院有限公司，安徽 合肥 30000；.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 30000）

1 引言

桥梁的安全稳定会受到桥梁基础冲刷的影响。桥梁基础结构形式复杂多样，工程中常见单桩、双桩乃至多桩基础。现有研究中关于单桩基础局部冲刷研究成果相当丰富[1]，但对于双桩与多桩的相关研究尚不够完善。由于双桩和多桩基础在桥梁工程中的广泛应用，对其展开局部冲刷研究仍具有较大的理论价值与工程意义。因此，本文针对不同桩数的桥梁基础局部冲刷研究进展进行了综述，主要包括单桩、双桩和多桩基础。

2 单桩基础局部冲刷研究

桩柱作为阻水构筑物布置在河床上会引起水流结构发生剧烈变化。作用在单桩周围的流场特征大致可以分为桩前壅水、马蹄涡结构、向下射流与桩周绕流引起的尾涡脱落这四种情况。现有对于单桩周围水流特性的研究主要集中在马蹄形漩涡结构和桩周流场变化。Laursen E[2]基于室内水槽试验对马蹄形漩涡成因的研究认为，行进水流经过桩柱时，会在边界层效应作用下产生逆压梯度，当其强度达到某个临界点时，桩柱迎水侧来流会产生下降水流，上游边界层分离后在底部附近产生回流，回流向下翻滚形成马蹄涡结构。Melville[3]研究了不同冲刷阶段的圆柱桩绕流场，结合气泡技术与定量测量等方法给出了不同阶段的桩周流场分布和桩周河床剪应力分布情况。Dargahi B[4]采用气泡技术与热膜测量方法研究了圆柱桩周围流场变化，发现桩柱上游的行进水流会发生三维边界层的分离，在桩柱两侧形成分离区域，该区域内不断有马蹄形漩涡生成并脱落。

桩周水流结构的改变会引起桩周床面泥沙的淘空，进而导致局部冲刷坑的出现。Barkdoll B B 等[5]将单桩基础局部冲刷演变过程划分成冲刷起始阶段、主要冲刷阶段和冲刷平衡阶段，不同阶段下的冲刷坑深度与发展速度都有所差异。Melville B W 和Chiew Y M 等[6]研究了在清水冲刷条件下布置在均匀沙质河床中的单圆柱桩周围局部冲刷坑历时演变过程，并根据试验过程中的桩周冲刷坑深度随时间变化的试验数据提出了冲深随时间发展的计算公式。

3 双桩和多桩基础局部冲刷研究

与单桩基础相比，双桩和多桩基础的桩数差异极大程度上会影响各桩周围流场变化和水沙作用，在桩间形成强烈的上升流流态，水流流态的改变与各桩周围涡体相互影响，进而导致床面泥沙运动及冲刷机理不同于单桩基础。目前国内外学者对多桩局部冲刷机理的研究主要集中在桩周水流特性和局部冲刷演变过程两方面。

3.1 桩周水流特性

对于双桩与多桩基础局部冲刷的桩周水流特性研究，Ataie-Ashtiani B 和Aslani-Kordkandi A[7]在平床条件下通过三维点式多普勒流速仪(ADV）测量了串列双桩冲刷过程中流场变化，发现串列布置后两桩之间形成强烈的上升流，下游桩区域的近床面流速受到上游桩“遮蔽效应”影响，下降为断面平均流速的20%～30%。Hamed A M 等[8]进行了不同桩间距以及双桩高度比的双桩冲刷试验，通过高精度粒子图像测速技术（PIV）测量各试验条件下流场情况并对比，其结果显示上游桩的“遮蔽效应”使下游桩附近的下降水流和回流区范围减小，且该效应影响效果与桩间距有关。Pasupuleti L N 等[9]使用16MHz 微型声学多普勒流速仪测量不同排列方式桩柱冲刷试验中的流场结构，包括单桩、串联双桩和正三角形排列三桩，测量结果表明：在正三角形错置三桩冲刷试验中，上游桩前水流结构变化与单桩情况类似，上游桩后由于存在下游桩的阻水作用，在上游桩近床表面两侧出现明显回流，形成更强的马蹄形漩涡结构，加剧上游桩的冲刷。Kirkil G 等[10-11]和Link O等[12]选用大涡模拟（LES）和脱离涡模拟（DES）模型研究了桩柱达到冲刷平衡后桩周冲刷坑内的流场特征，分析了马蹄形漩涡结构的动力学特性，结果指出随着冲刷发展，冲刷坑内马蹄涡系位置更加稳定，桩后上升流抑制了尾流区漩涡脱落现象。

很多国内学者也对多桩数的桩周流场进行了深入研究。如吴承伟等[13]通过数值模拟方法，以桩间距为试验变量，研究了存在自由液面影响的45°错列布置等直径双圆柱桩三维流场与水动力特征，其结果显示随着桩间距增大，上游桩阻力、升力影响系数均先增大后减小，下游桩阻力影响系数呈递增趋势，升力影响系数先递减再递增。许栋等[14]通过建立二维水流数学模型，来模拟河道斜交桥梁基础壅水工况，在经过试验验证后研究了错列布置正方形桩柱绕流水动力结构和壅水特性，归纳了最大壅水高度与绕流场特征随桩柱直径、错列布置角度、行进流速的变化规律。贾晓荷等[15]采用大涡模拟（LES）方法对串列和并列双圆柱进行了水动力计算，分析了桩柱周围瞬时流场、时均流场变化与圆柱受力情况。

3.2 局部冲刷演变过程

对于双桩和多桩基础的局部冲刷坑演变过程的研究，大多关注点在冲刷平衡后的桩周冲刷深度，但桩周冲刷坑形态特征随时间的变化规律也是研究多桩局部冲刷机理的重要方面。

①桩周冲刷深度

桩周冲刷深度能够直观反映桥梁基础局部冲刷程度，为桥梁加固与防护提供有力依据，是桥梁设计需要考虑的必不可少的参数之一。与单桩局部冲刷相比，多桩结构中桩数增加会带来桩间相互作用，从而影响多桩冲刷变化过程与结果。所以在多桩局部冲刷的研究中主要考虑桩柱个数、桩柱布置形式和桩柱间距等变量对冲刷深度的影响。如Ataie-Ashtiani B 等[16]进行了112 组多桩局部冲刷试验，试验考虑了桩柱排列方式、桩间距、水流交角、泥沙粒径等变量，获取不同试验变量下多桩局部冲刷规律。Lanca R等[17]研究了桩间距、水流交角、桩个数与排列方式对冲刷发展和平衡冲刷深度的影响。Liang F 等[18]进行了不同桩数下的冲刷试验，包括单桩、双桩和3×3 桩，并将试验结果与现有多桩冲刷深度预测公式进行对比分析。

②冲刷坑形态特征

除了冲刷深度外，研究冲刷坑长度、宽度等表征冲刷坑形态的参数同样具有一定的工程意义。区别于单桩冲刷的唯一冲刷坑，多桩冲刷过程中各桩周围均形成独立冲刷坑，这些独立冲刷坑会随时间相互重叠，扩大冲刷坑范围，对坑内水流结构造成干扰，使得多桩冲刷流场变化更加复杂。故通过研究冲刷坑形态特征，对明确多桩结构桥梁基础局部冲刷机理也是有帮助的。如Kim H S[24-25]采用LES 模型对泥沙颗粒运动进行模拟，研究不同桩间距与布置方式下多桩冲刷坑历时演变过程，描述了并列双桩、串列双桩冲刷平衡后河床表面冲淤特征。Hamidi A 和Siadatmousavi S M[26]利用数值模拟软件研究了串列双桩中各桩周围流场与冲刷坑形态，并指出随着冲刷不断发展，最大冲深位置逐渐靠近双桩中间。

4 结语

桥梁基础结构形式复杂多样，本文针对桥梁基础中的单桩、双桩和多桩的结构形式，对不同桩数的桥梁基础局部冲刷研究现状进行了综述。目前对于单桩局部冲刷机理的研究已经较为成熟，但对于双桩和多桩基础冲刷的研究还有待完善。与单桩相比，双桩或多桩的桩数差异会给桩周流场和水沙作用带来改变，使其冲刷机理与单桩有较大差异，需要开展进一步工作，借此提出三点建议。

①不同的桩柱布置方式也会给局部冲刷变化过程带来较大差异，现有研究对于桩柱布置形式多集中于串列或并列的布置方式，因此对于错列布置桩柱的局部冲刷机理还有待进一步研究。

②多桩冲刷的桩间相互作用主要取决于桩间距这一参数，在实际工程中如何设计桥梁基础的桩柱间距，例如等间距布置与不等间距布置的选用，也是今后多桩基础局部冲刷研究的重点。

③随着桥梁建设逐渐向山区、海洋发展，不同地质环境与水流条件下的多桩基础局部冲刷研究也是未来的发展趋势。