不同樁數(shù)的橋梁基礎局部沖刷研究綜述

黃嚴堃，魏松 （.安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 30000；.合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 30000）

1 引言

橋梁的安全穩(wěn)定會受到橋梁基礎沖刷的影響。橋梁基礎結(jié)構(gòu)形式復雜多樣，工程中常見單樁、雙樁乃至多樁基礎?，F(xiàn)有研究中關于單樁基礎局部沖刷研究成果相當豐富[1]，但對于雙樁與多樁的相關研究尚不夠完善。由于雙樁和多樁基礎在橋梁工程中的廣泛應用，對其展開局部沖刷研究仍具有較大的理論價值與工程意義。因此，本文針對不同樁數(shù)的橋梁基礎局部沖刷研究進展進行了綜述，主要包括單樁、雙樁和多樁基礎。

2 單樁基礎局部沖刷研究

樁柱作為阻水構(gòu)筑物布置在河床上會引起水流結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈變化。作用在單樁周圍的流場特征大致可以分為樁前壅水、馬蹄渦結(jié)構(gòu)、向下射流與樁周繞流引起的尾渦脫落這四種情況?，F(xiàn)有對于單樁周圍水流特性的研究主要集中在馬蹄形漩渦結(jié)構(gòu)和樁周流場變化。Laursen E[2]基于室內(nèi)水槽試驗對馬蹄形漩渦成因的研究認為，行進水流經(jīng)過樁柱時，會在邊界層效應作用下產(chǎn)生逆壓梯度，當其強度達到某個臨界點時，樁柱迎水側(cè)來流會產(chǎn)生下降水流，上游邊界層分離后在底部附近產(chǎn)生回流，回流向下翻滾形成馬蹄渦結(jié)構(gòu)。Melville[3]研究了不同沖刷階段的圓柱樁繞流場，結(jié)合氣泡技術(shù)與定量測量等方法給出了不同階段的樁周流場分布和樁周河床剪應力分布情況。Dargahi B[4]采用氣泡技術(shù)與熱膜測量方法研究了圓柱樁周圍流場變化，發(fā)現(xiàn)樁柱上游的行進水流會發(fā)生三維邊界層的分離，在樁柱兩側(cè)形成分離區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)不斷有馬蹄形漩渦生成并脫落。

樁周水流結(jié)構(gòu)的改變會引起樁周床面泥沙的淘空，進而導致局部沖刷坑的出現(xiàn)。Barkdoll B B 等[5]將單樁基礎局部沖刷演變過程劃分成沖刷起始階段、主要沖刷階段和沖刷平衡階段，不同階段下的沖刷坑深度與發(fā)展速度都有所差異。Melville B W 和Chiew Y M 等[6]研究了在清水沖刷條件下布置在均勻沙質(zhì)河床中的單圓柱樁周圍局部沖刷坑歷時演變過程，并根據(jù)試驗過程中的樁周沖刷坑深度隨時間變化的試驗數(shù)據(jù)提出了沖深隨時間發(fā)展的計算公式。

3 雙樁和多樁基礎局部沖刷研究

與單樁基礎相比，雙樁和多樁基礎的樁數(shù)差異極大程度上會影響各樁周圍流場變化和水沙作用，在樁間形成強烈的上升流流態(tài)，水流流態(tài)的改變與各樁周圍渦體相互影響，進而導致床面泥沙運動及沖刷機理不同于單樁基礎。目前國內(nèi)外學者對多樁局部沖刷機理的研究主要集中在樁周水流特性和局部沖刷演變過程兩方面。

3.1 樁周水流特性

對于雙樁與多樁基礎局部沖刷的樁周水流特性研究，Ataie-Ashtiani B 和Aslani-Kordkandi A[7]在平床條件下通過三維點式多普勒流速儀(ADV）測量了串列雙樁沖刷過程中流場變化，發(fā)現(xiàn)串列布置后兩樁之間形成強烈的上升流，下游樁區(qū)域的近床面流速受到上游樁“遮蔽效應”影響，下降為斷面平均流速的20%～30%。Hamed A M 等[8]進行了不同樁間距以及雙樁高度比的雙樁沖刷試驗，通過高精度粒子圖像測速技術(shù)（PIV）測量各試驗條件下流場情況并對比，其結(jié)果顯示上游樁的“遮蔽效應”使下游樁附近的下降水流和回流區(qū)范圍減小，且該效應影響效果與樁間距有關。Pasupuleti L N 等[9]使用16MHz 微型聲學多普勒流速儀測量不同排列方式樁柱沖刷試驗中的流場結(jié)構(gòu)，包括單樁、串聯(lián)雙樁和正三角形排列三樁，測量結(jié)果表明：在正三角形錯置三樁沖刷試驗中，上游樁前水流結(jié)構(gòu)變化與單樁情況類似，上游樁后由于存在下游樁的阻水作用，在上游樁近床表面兩側(cè)出現(xiàn)明顯回流，形成更強的馬蹄形漩渦結(jié)構(gòu)，加劇上游樁的沖刷。Kirkil G 等[10-11]和Link O等[12]選用大渦模擬（LES）和脫離渦模擬（DES）模型研究了樁柱達到?jīng)_刷平衡后樁周沖刷坑內(nèi)的流場特征，分析了馬蹄形漩渦結(jié)構(gòu)的動力學特性，結(jié)果指出隨著沖刷發(fā)展，沖刷坑內(nèi)馬蹄渦系位置更加穩(wěn)定，樁后上升流抑制了尾流區(qū)漩渦脫落現(xiàn)象。

很多國內(nèi)學者也對多樁數(shù)的樁周流場進行了深入研究。如吳承偉等[13]通過數(shù)值模擬方法，以樁間距為試驗變量，研究了存在自由液面影響的45°錯列布置等直徑雙圓柱樁三維流場與水動力特征，其結(jié)果顯示隨著樁間距增大，上游樁阻力、升力影響系數(shù)均先增大后減小，下游樁阻力影響系數(shù)呈遞增趨勢，升力影響系數(shù)先遞減再遞增。許棟等[14]通過建立二維水流數(shù)學模型，來模擬河道斜交橋梁基礎壅水工況，在經(jīng)過試驗驗證后研究了錯列布置正方形樁柱繞流水動力結(jié)構(gòu)和壅水特性，歸納了最大壅水高度與繞流場特征隨樁柱直徑、錯列布置角度、行進流速的變化規(guī)律。賈曉荷等[15]采用大渦模擬（LES）方法對串列和并列雙圓柱進行了水動力計算，分析了樁柱周圍瞬時流場、時均流場變化與圓柱受力情況。

3.2 局部沖刷演變過程

對于雙樁和多樁基礎的局部沖刷坑演變過程的研究，大多關注點在沖刷平衡后的樁周沖刷深度，但樁周沖刷坑形態(tài)特征隨時間的變化規(guī)律也是研究多樁局部沖刷機理的重要方面。

①樁周沖刷深度

樁周沖刷深度能夠直觀反映橋梁基礎局部沖刷程度，為橋梁加固與防護提供有力依據(jù)，是橋梁設計需要考慮的必不可少的參數(shù)之一。與單樁局部沖刷相比，多樁結(jié)構(gòu)中樁數(shù)增加會帶來樁間相互作用，從而影響多樁沖刷變化過程與結(jié)果。所以在多樁局部沖刷的研究中主要考慮樁柱個數(shù)、樁柱布置形式和樁柱間距等變量對沖刷深度的影響。如Ataie-Ashtiani B 等[16]進行了112 組多樁局部沖刷試驗，試驗考慮了樁柱排列方式、樁間距、水流交角、泥沙粒徑等變量，獲取不同試驗變量下多樁局部沖刷規(guī)律。Lanca R等[17]研究了樁間距、水流交角、樁個數(shù)與排列方式對沖刷發(fā)展和平衡沖刷深度的影響。Liang F 等[18]進行了不同樁數(shù)下的沖刷試驗，包括單樁、雙樁和3×3 樁，并將試驗結(jié)果與現(xiàn)有多樁沖刷深度預測公式進行對比分析。

②沖刷坑形態(tài)特征

除了沖刷深度外，研究沖刷坑長度、寬度等表征沖刷坑形態(tài)的參數(shù)同樣具有一定的工程意義。區(qū)別于單樁沖刷的唯一沖刷坑，多樁沖刷過程中各樁周圍均形成獨立沖刷坑，這些獨立沖刷坑會隨時間相互重疊，擴大沖刷坑范圍，對坑內(nèi)水流結(jié)構(gòu)造成干擾，使得多樁沖刷流場變化更加復雜。故通過研究沖刷坑形態(tài)特征，對明確多樁結(jié)構(gòu)橋梁基礎局部沖刷機理也是有幫助的。如Kim H S[24-25]采用LES 模型對泥沙顆粒運動進行模擬，研究不同樁間距與布置方式下多樁沖刷坑歷時演變過程，描述了并列雙樁、串列雙樁沖刷平衡后河床表面沖淤特征。Hamidi A 和Siadatmousavi S M[26]利用數(shù)值模擬軟件研究了串列雙樁中各樁周圍流場與沖刷坑形態(tài)，并指出隨著沖刷不斷發(fā)展，最大沖深位置逐漸靠近雙樁中間。

4 結(jié)語

橋梁基礎結(jié)構(gòu)形式復雜多樣，本文針對橋梁基礎中的單樁、雙樁和多樁的結(jié)構(gòu)形式，對不同樁數(shù)的橋梁基礎局部沖刷研究現(xiàn)狀進行了綜述。目前對于單樁局部沖刷機理的研究已經(jīng)較為成熟，但對于雙樁和多樁基礎沖刷的研究還有待完善。與單樁相比，雙樁或多樁的樁數(shù)差異會給樁周流場和水沙作用帶來改變，使其沖刷機理與單樁有較大差異，需要開展進一步工作，借此提出三點建議。

①不同的樁柱布置方式也會給局部沖刷變化過程帶來較大差異，現(xiàn)有研究對于樁柱布置形式多集中于串列或并列的布置方式，因此對于錯列布置樁柱的局部沖刷機理還有待進一步研究。

②多樁沖刷的樁間相互作用主要取決于樁間距這一參數(shù)，在實際工程中如何設計橋梁基礎的樁柱間距，例如等間距布置與不等間距布置的選用，也是今后多樁基礎局部沖刷研究的重點。

③隨著橋梁建設逐漸向山區(qū)、海洋發(fā)展，不同地質(zhì)環(huán)境與水流條件下的多樁基礎局部沖刷研究也是未來的發(fā)展趨勢。