橋梁群樁基礎附近三維流場水動力特性試驗研究

陳亞東 孔定新

（江蘇航運職業(yè)技術學院人文藝術學院，江蘇 南通 226010）

隨著交通運輸事業(yè)的快速發(fā)展，我國對跨江跨海通道的需求日益迫切，因此眾多的河流上都興建了越來越多的公路和鐵路橋梁。而橋梁的出現(xiàn)會破壞河道內(nèi)的原有水流條件，使得橋梁水下基礎周圍有向下水流、馬蹄形旋渦和尾流旋渦等水流結構形成。也正是由于橋梁水下基礎擾流而形成的水流三維邊界層分離、復雜的多重旋渦體系和水體的高強度紊動，使得橋梁水下基礎周圍產(chǎn)生了很劇烈的局部沖刷。局部沖刷不僅會導致水下基礎的移位、沉陷，橋面的開裂、變形，也會引發(fā)整座橋梁的突然坍塌，還會改變水下基礎周圍水流的運動規(guī)律和動力結構，對過橋船舶的通行安全造成較為嚴重的影響，甚至會破壞橋梁所在位置處河段河勢的穩(wěn)定，危及到橋梁上下游建筑物和沿岸堤防的安全。群樁基礎是跨江跨海橋梁普遍采用的橋墩形式，采用群樁基礎會使得橋墩附近旋渦體系對周圍床面沖刷作用機制發(fā)生改變。截至目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的研究主要集中在群樁的水流阻力，群樁基礎周圍的局部沖刷深度、范圍、形態(tài)等沖刷特性，規(guī)則波、不規(guī)則波以及波流共同作用引起的局部沖刷等少數(shù)幾個方面，而對于群樁基礎周圍三維流場水動力特性和水下基礎周圍局部沖刷相關機理的研究成果較少。本文通過室內(nèi)矩形斷面自循環(huán)變坡水槽試驗，對橋梁群樁基礎周圍的瞬時流速場進行了精細測量，分析了群樁基礎上下游鉛直對稱面內(nèi)三維流速、紊動強度、雷諾應力等水力參數(shù)的沿程垂線分布規(guī)律，研究了向下水流、馬蹄形旋渦和尾流旋渦等典型水流結構的沖刷力，深入揭示了橋梁群樁基礎周圍清水局部沖刷的主要 機理。

1 試驗系統(tǒng)設計

1.1 試驗水槽

橋梁群樁基礎附近三維流場水動力特性試驗采用的是自循環(huán)矩形斷面變坡水槽，水槽的長度為18.0m，寬度為1.0m，深度為0.8m，試驗水槽的兩側均為玻璃壁面，便于試驗過程中各種水流現(xiàn)象的觀測。水槽兩側的邊壁上均安裝了鋼制導軌，導軌支撐的儀器承臺能夠沿水槽縱向移動，使得試驗過程中對群樁基礎周圍三維流場的測量能夠順利進行。水槽的下游端設有一鉛直升降裝置，該裝置能使水槽的底坡在規(guī)定范圍內(nèi)變化調(diào)整，實現(xiàn)最大為15%的可調(diào)底坡，自循環(huán)矩形斷面變坡水槽及布置情況如圖1所示。

圖1 自循環(huán)矩形斷面變坡水槽及布置示意圖

試驗水槽入口處的水流流量，可由多普勒超聲波流量計進行測量，水槽內(nèi)的水位可由水槽下游端水流出口處的尾門控制，上下游各位置處的水位由水位測針讀取，群樁基礎周圍的三維流速場由超聲波多普勒流速儀測量，橋墩群樁基礎周圍局部沖刷發(fā)展過程中各個典型時刻的最大沖刷深度值利用潛望鏡進行觀測，沖刷達到平衡狀態(tài)時的沖淤地形由水位測針進行測量。試驗研究采用的模型橋墩是主通航孔為雙跨228m中承式鋼管砼系桿拱的某跨江大橋的主墩，其群樁基礎模型具體形式和參數(shù)如圖2所示。

圖2 橋梁群樁基礎模型具體形式和參數(shù)

1.2 試驗布置

為了開展群樁基礎周圍三維流場水動力特性和局部沖刷機理的相關研究，在水槽入口下游5.0m位置處，布置了一個作為有效試驗段的長方體沙坑，該沙坑的長度為10.0m，寬1.0m，深0.4m。沙坑的上游側和下游側均安裝了厚0.2m的灰塑板做成的假底，假底上鋪設了厚0.2cm的試驗用沙，在下游假底和試驗水槽出口之間為沉沙池。試驗采用天然無粘性均勻沙作為模型沙，被填充于作為試驗有效段的長方體沙坑內(nèi)，模型沙的顆粒形狀系數(shù)SH接近于1.0，模型沙的中值粒徑為0.70mm，模型沙的不均勻系數(shù)gσ為1.2，模型沙的密度sρ為2.65×103kg/m3。試驗布置如圖1所示。試驗采用的群樁基礎模型被固定在沙坑的中心位置處，群樁基礎模型與沙坑的平面形心重合，距水槽入口10.0m。試驗是在清水沖刷條件下展開的，試驗運行過程中的流量Q為105L/S，墩前行近流速∞U為0.36m/s，行近水深 ∞H為0.28m，來流剪切流速為0.019 m/s，模型沙的起動流速與來流剪切流速之比約為0.98。橋墩群樁基礎周圍的局部沖刷開始后，24h內(nèi)最大沖刷深度變化量小于1mm時被認為沖刷達到平衡狀態(tài)，沖刷達到平衡狀態(tài)時橋墩群樁基礎周圍的沖淤地形如圖3所示。

圖3 群樁基礎周圍沖淤地形圖

試驗采用順水流向作為X方向（水槽縱向），水平面內(nèi)與縱向坐標軸相垂直的作為Y方向（水槽橫向），垂直于水平坐標面的作為Z方向（水槽垂向），三維坐標系的坐標原點位于橋墩的對稱中心。試驗開展過程中利用超聲波多普勒流速儀對橋墩群樁基礎上游和下游水槽中軸線上X/D=±3.1，±3.3，±3.6，±3.9，±4.2，±4.7，±5.2，±6.3，±8.3等不同位置處的18條具有代表性的測流垂線上的各項水力要素進行測量和對比分析（其中橋墩寬度D為90mm），如圖1所示。每條測流垂線上的縱向和垂向流速分別用Ux和Uz表示，并利用橋墩迎水面上游的行近流速U∞無量綱化，測流垂線上各測點的位置高度Z用橋墩迎水面上游的行近水深 ∞H無量綱化，縱向、橫向和垂向紊動強度分別表示，由來流剪切流速無量綱化，雷諾應力無量綱化。

2 試驗結果分析

橋梁群樁基礎局部沖刷是由三維邊界層分離的多重旋渦體系和高強度的水體紊動引起的，所以通過分析流速、紊動強度、雷諾應力等流場水動力參數(shù)的沿程垂線分布規(guī)律，能夠徹底揭示橋梁群樁基礎的清水局部沖刷機理。

2.1 橋梁群樁基礎上游鉛直對稱面內(nèi)流速分布規(guī)律

為了分析向下水流和馬蹄形旋渦等水流結構對局部沖刷的影響，在清水沖刷條件下橋梁群樁基礎上游鉛直對稱面內(nèi)縱向流速（X方向）和垂向流速（Z方向）分布被繪制于圖4和圖5。

由圖4中的縱向流速分布可以看出，距離橋梁群樁基礎越遠，各測流垂線上相同水深位置處的縱向流速就越大，橋梁群樁基礎迎水面處測流垂線上各測點的縱向流速值最小，而當X/D≥8.3后，測流垂線各測點處的縱向流速均達到最大值。如上所述的不同測流垂線相同水深位置處的縱向流速分布表明，橋梁群樁基礎對其迎水面以上水流具有一定的阻礙作用，這種阻礙作用迫使水流漸近過程中動能向勢能轉化而產(chǎn)生局部水頭損失，進而造成局部沖刷，橋梁群樁基礎對其迎水面上游水流的影響范圍約為8.3倍橋墩墩寬。橋梁群樁基礎迎水面上游各測流垂線上，測點流速均隨水深增加而減小，靠近自由水面處的縱向流速最大，近床面附近的縱向流速最小，當X/D≤3.6時，各測流垂線均位于沖刷坑范圍內(nèi)，原始河床床面以下各測點處均有逆向流速出現(xiàn)，而且越靠近群樁基礎，逆向流速值越大，最大逆向流速值為Ux/U∞＝-0.19。逆向流速的出現(xiàn)是馬蹄形旋渦形成的主要表征，逆向流速值越大則馬蹄形旋渦的沖刷力也就越強。上述逆向流速最大值遠小于Ahmad N.等測得的Ux/U∞≈ -0.78，主要是因為不同于實體橋墩，橋梁群樁基礎是由若干樁基按一定間距規(guī)則排列形成的，在阻水的同時還具有一定的透水能力，這就使得沖刷坑內(nèi)的逆向流速極值明顯變小，因此馬蹄形旋渦的強度也被有效削弱。

圖4 群樁基礎上游縱向流速分布

分析圖5所示的垂向流速分布可知，各測流垂線上均有垂向流速出現(xiàn)，而且垂向流速均為負值，這是群樁基礎上游向下水流這一典型水流結構出現(xiàn)的主要表征。各測流垂線上的垂向流速均由自由水面處開始，先隨水深的增加而增大，而后又逐漸減小，并在0≤z/H∞≤0.2的范圍內(nèi)先后達到極值，這表明群樁基礎上游此區(qū)域內(nèi)的向下水流的沖刷力最大。越靠近群樁基礎的測流垂線，其上各測點處的垂向流速越大，在靠近群樁基礎承臺前沿處（X/D≈ 3.1）的原始河床面附近（z/H∞≈0）的相對垂向流速Uz/U∞出現(xiàn)約為-0.23的最大值，表明此處的向下水流對河床床面的沖刷作用最強，因此也幾乎是最大沖刷深度沖刷坑的出現(xiàn)位置。對比以往研究成果，本文測得的相對垂向流速最大值遠小于Ahmad N等在試驗中測得相對垂向流速最大值（Uz/U∞≈0.51），說明橋梁群樁基礎形式的橋墩類似于采用了開縫防護的實體橋墩，在允許部分水流穿墩而過的同時，有效削弱了墩前向下水流的沖刷力，也是工程實際中應該優(yōu)先首選的橋梁水下基礎形式。

圖5 群樁基礎上游垂向流速分布

2.2 橋梁群樁基礎下游鉛直對稱面內(nèi)流速分布規(guī)律

為了分析尾流旋渦對局部沖刷的影響作用，橋梁群樁基礎下游鉛直對稱面內(nèi)的縱向流速和垂向流速分布分別繪制于圖6和圖7。

由圖6中鉛直對稱面內(nèi)縱向流速分布可以看出，群樁基礎下游鉛直對稱面內(nèi)各測流垂線上的縱向流速均隨著水深的增加而減小，并均在河床床面附近具有極小值。對于不同位置處的測流垂線來說，隨著與群樁基礎尾水面距離的增加，相同水深位置處的縱向流速值也增加。在X/D≤-8.3之后的尾水區(qū)域內(nèi)，縱向流速幾乎不受群樁基礎的影響。在X/D≤-3.3、Z/H≤0.46的水域范圍內(nèi)的測流垂線上，有逆向流速出現(xiàn)，說明在群樁基礎下游尾流旋渦已經(jīng)形成。在靠近群樁基礎尾部，X/D＝-3.1位置處的測流垂線上，相對水深Z/H＝0.16時，逆向流速具有最大值/∞UUx＝-0.18，這個值比Ahmad N.等在實體橋墩沖刷試驗中測得的最大逆向流速值/∞UUx＝-0.32要小，這說明與實體橋墩相比，橋梁群樁基礎的透水性能使其下游尾流旋渦的強度被有效削減。

圖6 群樁基礎下游縱向流速分布

分析圖7所示的垂向流速分布可以看出，群樁基礎下游鉛直對稱面內(nèi)各測流垂線上的垂向流速均隨水深的增加先是逐漸增加，而后再逐漸減小。在相對水深0.2≤Z/H≤0.4的水域范圍內(nèi)，各測流垂線上的垂向流速先后達到極值，表明在此區(qū)域內(nèi)尾流旋渦對泥沙的卷揚作用最為明顯。對比不同位置處的測流垂線，隨著與群樁基礎尾水面距離的增加，相同水深位置處的垂向流速先增加而后減小。在X/D≤ -8.3之后的測流垂線上，垂向流速幾乎不受群樁基礎的影響。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。綜合來看，所有測流垂線上各測點處的垂向流速均為正值，說明垂向水流流向均背離河床床面，這就使得尾流旋渦能夠通過自身的旋轉和震蕩，將群樁基礎上游由向下水流和馬蹄形旋渦淘刷起動的泥沙卷揚至水體中，水體中的泥沙通過水流挾帶而順水流逝，造成了橋梁群樁基礎周圍的局部沖刷。

圖7 群樁基礎下游垂向流速分布

2.3 橋梁群樁基礎上游鉛直對稱面內(nèi)紊動強度分布規(guī)律

沖刷達到平衡狀態(tài)后橋梁群樁基礎上游鉛直對稱面內(nèi)縱向（X方向）、橫向（Y方向）和垂向（Z方向）紊動強度分布分別如圖8、圖9和圖10所示。

由圖8中的縱向紊動強度分布可以看出，群樁基礎上游鉛直對稱面內(nèi)各測流垂線上的縱向紊動強度均隨水深的增加逐漸增大，而后又隨水深的增加逐漸減小，并在 0≤Z/H≤0.1的水域內(nèi)分別達到極值，這說明在向下水流和馬蹄形旋渦共同作用下，群樁基礎上游近床面附近各水流結構的沖刷力最強。對于不同測流垂線而言，越靠近群樁基礎，相同水深位置處的縱向紊動強度越大，相對縱向紊動強度值最大可達這主要是越靠近群樁基礎水流受擾動越大的緣故，因此，也是局部沖刷防護的重點部位。Ahmad N等在實體橋墩沖刷試驗中測得的相對縱向紊動強度最大值為要大于本文實測結果，主要是因為群樁基礎具有相當強的透水性，這有效降低了其對水流造成的 干擾。

圖8 群樁基礎上游縱向紊動強度分布

分析圖9所示的橫向紊動強度分布可知，在群樁基礎上游鉛直對稱面內(nèi)，各個測流垂線的橫向紊動強度都在自由水面處具有極小值，隨著水深的增加紊動強度值也逐漸增大，而后又隨著水深的增加而減小，各測流垂線上的橫向紊動強度極大值均出現(xiàn)在0≤Z/H≤0.15范圍的水域內(nèi)，與此對應的水流結構的沖刷力最強。測流垂線越靠近群樁基礎，相同水深位置處的橫向紊動強度就越大，在X/D＝3.1， Z/H＝0.15的位置附近，橫向紊動強度具有最大值這說明群樁基礎周圍馬蹄形旋渦的形成及其向群樁基礎兩側的發(fā)展造成了局部區(qū)域內(nèi)橫向紊動強度的增大。

圖9 群樁基礎上游橫向紊動強度分布

圖10是群樁上游鉛直對稱面內(nèi)垂向紊動強度分布。由圖可知，由自由水面開始，各測流垂線上的垂向紊動強度均隨水深的增加先增大后減小，大多數(shù)測流垂線上的紊動強度在0.10≤Z/H≤0.25水域內(nèi)具有極值，越靠近群樁基礎的測流垂線上的紊動強度極值越大，紊動強度最大值0.96出現(xiàn)在X/D＝3.1，Z/H＝0.20位置處，垂向紊動強度的分布特點表明，群樁基礎的透水作用將上游水流結構沿直方向的沖刷力有效帶離河床床面附近水域。

圖10 群樁基礎上游垂向紊動強度分布

2.4 橋梁群樁基礎下游鉛直對稱面內(nèi)紊動強度分布規(guī)律

局部沖刷達到平衡狀態(tài)后橋梁群樁基礎下游鉛直對稱面內(nèi)縱向、橫向和垂向紊動強度分布分別如圖11、圖12和圖13所示。

圖12 群樁基礎下游橫向紊動強度分布

圖13 群樁基礎下游垂向紊動強度分布

圖11是群樁基礎上游鉛直對稱面內(nèi)縱向紊動強度分布。由圖可以看出，從河床床面至自由水面，縱向紊動強度先增加而后減小，各測流垂線上的縱向紊動強度極值出現(xiàn)在0.40≤Z/H≤0.73的水域范圍內(nèi)。而不同測流垂線上相同水深處的縱向紊動強度值也不同，自群樁基礎尾水面起 （X/D＝-3.1），隨著與群樁基礎距離的增加，垂線紊動強度值先是增大，在X/D＝-3.9附近，縱向紊動強度值最大可達幾乎是尾流旋渦作用最為強烈的區(qū)域，所以沖刷力最強，此后縱向紊動強度值逐漸減小。當 X/D≤-8.3后，縱向紊動強度垂線分布相差不大，說明該區(qū)域已經(jīng)脫離了尾流旋渦影響。

由圖12中群樁下游鉛直對稱面內(nèi)橫向紊動強度分布可知，群樁基礎下游鉛直對稱面內(nèi)各測流垂線上的橫向紊動強度均隨水深的增加先逐漸增加而后減小，紊動強度極值區(qū)域（X/D≈0.65）更靠近自由水面，這使得被尾流旋渦卷揚起來的泥沙順水流逝的幾率更大。對比不同測流垂線上的橫向紊動強度值發(fā)現(xiàn)，尾流旋渦中心區(qū)域與縱向紊動強度反映出來的幾乎一致，而該區(qū)域內(nèi)的最大橫向紊動強度值＝7.21）卻遠大于最大縱向紊動強度值。

圖13中群樁下游鉛直對稱面內(nèi)垂向紊動強度的分布規(guī)律，大致與縱向和橫向紊動強度的分布規(guī)律相類似，略有不同的是垂向紊動強度的最大值及其出現(xiàn)位置（X/D＝-3.9，Z/H≈0.72）。

2.5 橋梁群樁基礎上游鉛直對稱面內(nèi)雷諾應力分布規(guī)律

雷諾應力是水體內(nèi)部的紊動水團相互交換過程中在流層間產(chǎn)生的剪切應力。為了進一步分析水流結構沖刷力，橋梁群樁基礎上游鉛直對稱面內(nèi)的相對雷諾應力分布繪制于圖14和圖15。

從圖14中可以看出，從Z/H＝0.5開始直至自由水面的水域范圍內(nèi)，雷諾應力基本呈線性分布，表明該水域內(nèi)的切變流速較為穩(wěn)定。而在Z/H≤0.5≤0.5的水域范圍內(nèi)，雷諾應力顯著增大，并在原始河床床面附近具有極大值，說明該區(qū)域內(nèi)的水體由于受到馬蹄形旋渦橫向發(fā)展的影響，產(chǎn)生了較為強烈的剪切作用。

2.6 橋梁群樁基礎下游鉛直對稱面內(nèi)雷諾應力分布規(guī)律

局部沖刷達到平衡狀態(tài)后，橋梁群樁基礎下游鉛直對稱面內(nèi)的雷諾應力分布分別如圖16和圖17所示。

由圖16中可以看出，遠離群樁基礎的測流垂線上的雷諾應力沿水深的變化不大，說明該區(qū)域內(nèi)水體遠離尾流旋渦影響，水流的切變流速較為穩(wěn)定。而對于群樁基礎尾水面直至X/H∞=4.2的水域范圍內(nèi)的測流垂線來說，其上雷諾應力

3 結語

本文通過室內(nèi)變坡水槽試驗對橋梁群樁基礎附近三維流場水動力特性進行了研究，研究結果表明，群樁基礎上游有向下水流和馬蹄形旋渦生成，在兩個旋渦的共同作用下，水體的三維紊動加劇，切變流速變化明顯，并在靠近群樁基礎承臺前沿的床面附近具有極值，此位置處的沖刷力最大，是局部沖刷防護的重點部位，群樁基礎下游有尾流旋渦形成，靠近群樁基礎尾水面處的水體紊動較大，水流剪切作用強烈，使得尾流旋渦通過自身的卷揚作用促使上游來沙懸浮后順水流逝，進而造成沖刷，與實體橋墩相比，群樁基礎的透水性有效削減了上下游水流的三維流速，抑制了水體的三維紊動和水流的剪切作用，削減了旋渦體系的沖刷力。