樁群繞流后方流態影響區段比較測試研究

鄧紹云 邱清華 王義剛

（伊犁師范學院建筑工程系1） 伊寧 835000） （河海大學港口海岸與近海工程學院2） 南京 210098）

樁群在土木水利工程中具有廣泛地應用，隨著交通事業的飛速發展，橋梁規模的提升及港口碼頭工程規模的增大，樁群基礎越來越顯示其獨到的優越性而被人們所青睞［1－4］.樁群埋設于泥土置于水流中必然導致水沙運動特性的改變，其改變的特性與樁群中樁柱的種類、布設，及水流泥沙特性等諸多因素都有關系［5－8］.為探索繞流不同樁群水流流態變化影響性質和程度的差別，本文進行了大量組次的水槽試驗.

1 研究方法

試驗進行于寬5m，長30m的寬長水槽中，樁群置于水槽中軸線中心區域，并依據有關文獻［9－12］充分考慮水槽邊壁的影響.

1.1 試驗樁群

測試對象為由圓柱或方柱組成的外包絡線長0.33m、寬0.11m，矩形排列的10個不同樁群，樁柱數目N＝m×n，樁群橫向每排m根樁柱，縱向n個排架，見表1.定義：阻水率為垂直流向樁柱直徑總和除以樁群寬度，并用DH 表示；排架密度為順流向一排樁柱直徑總和除以樁群長度，并用DV表示；流態影響區段寬度與樁群寬度比值為相對影響寬度并用XB表示；流態影響區段長度與樁群長度比值為相對影響寬度并用XL表示；樁柱直徑用D表示.

表1 試驗樁群特征描述

1.2 試驗組次

試驗過程中，水深始終保持在0.1m，見表2.在不同的樁群、不同的水流流速和不同的迎流角的不同組合下，進行比較試驗.

2 研究內容與分析

樁群繞流可看為多個單樁繞流有規律性的組合結果，其組合效果跟樁群的樁柱排列方式有密切關系，對流態的影響可以從后方水流的紊動范圍和程度來衡量，進而從后方繞流所產生的馬蹄形漩渦和尾渦的數量和大小及影響水流寬度和水流恢復區段長度來衡量.

測試中，向水流中撒入珍珠巖粉，并將高清晰度數碼相機固定在樁群繞流區段的正前上方，并固定一人高度，全過程地進行監視錄像，所拍照片見圖1，加以比較，測量出繞流后方漩渦影響寬度和影響區段長度，見表3～表6及圖2～圖9.

表2 試驗組次描述

圖1 繞流不同樁群流態情形對比

表3 無迎流角不同流速下繞流不同樁群流態影響區段相對寬度

表4 迎流角為10°不同流速下繞流不同樁群流態影響區段相對寬度

表5 無迎流角不同流速下繞流不同樁群流態影響區段相對長度

表6 迎流角為10°不同流速下繞流不同樁群流態影響區段相對長度

圖2 不同阻水率同排架密度時繞流影響相對寬度與水流雷諾數的關系

圖3 相同阻水率不同排架密度時繞流影響相對寬度與水流雷諾數的關系

圖4 迎流角為10°時不同阻水率同排架密度時繞流影響相對寬度與水流雷諾數的關系曲線

圖5 迎流角為10°時相同阻水率同排架密度時繞流影響相對寬度與雷諾數的關系曲線

圖6 不同阻水率同排架密度時樁群繞流影響相對長度與雷諾數的關系曲線

圖7 相同阻水率不同排架密度樁群繞流影響相對長度與雷諾數的關系曲線

圖8 迎流角為10°時不同阻水率同排架密度是樁群繞流影響相對長度與雷諾數關系曲線

圖9 迎流角10°同阻水率不同排架密度時樁群繞流影響相對長度與雷諾數的關系曲線

3 結 論

流速對樁群繞流有很大影響，流速越大，也就是雷諾數越大，樁群繞流兩側流向下游的馬蹄形旋渦和后方尾流旋渦尺寸越大、越明顯，繞流紊動越劇烈，影響區域更寬更長；樁柱密度對樁群繞流也有影響，樁柱密度越大則繞流越明顯，越接近單樁柱繞流特性，馬蹄形渦旋和尾流旋渦尺寸越大、越明顯；當組成樁群的樁柱很稀疏時，樁群繞流很不明顯，馬蹄渦旋和尾流旋渦尺寸很小、很微弱.對樁群繞流特性的影響程度，樁群橫向樁柱密度大于縱向樁柱密度；迎流角對樁群繞流特性影響很大，微小的一個迎流角，將導致樁群后方尾流區域變得較樁群迎流角為零布置情況寬得多，而且，迎流角對繞流特性的影響，對于樁柱密度大的樁群，其程度大于對于樁柱密度小的樁群.

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