樁承臺不同入水深度對局部沖刷影響的試驗研究

盧中一，高正榮

（南京水利科學研究院，交通部港口航道泥沙工程重點實驗室，江蘇 南京210029）

樁承臺橋墩基礎是常見的橋基形式之一。上世紀80年代以來，樁承臺橋基得到廣泛應用，樁承臺在原有的結構形式上得到了拓展[1]。新型的樁承臺基礎盡管承臺平面形狀各不相同，但有一個共同點：均以承臺和樁群兩部分共同為迎流主體，而不像以前的樁承臺或偏于承臺、或偏于樁群為迎流主體。目前的樁承臺建設具有上部承臺尺度向大型、特大型發展，底部樁群向規模化、深度化發展的趨勢，隨之以前不甚明顯的影響因素開始凸顯，比如橋基的上部承臺在水中不同位置對局部沖刷的影響，即當承臺尺度一定時，承臺在水中引起最大、最小局部沖刷的位置（即承臺高程）如何確定（見圖1）；在確定水域中，既要滿足上部承載要求、又使底部沖刷較小的承臺厚度如何確定以及底部群樁的排列方式等，這類問題對建設部門是至關重要的。目前有關這類問題的研究成果偏少，因此有必要對生產實際迫切需要解決的問題進行試驗和探索。

圖1 樁承臺基礎在水中不同位置示意圖

1 樁承臺基礎局部沖刷的研究現狀

迄今為止，國內對樁承臺基礎的研究按時間順序大致可分為兩個階段、兩種類型：

1）上世紀80年代之前（群樁、墩柱型）：以交通部公路工程水文勘測設計規范（以下簡稱規范）中編號9和編號10的樁承臺類型為代表，這類墩基的涉水主體有兩個特點：一種是以群樁為主（如編號9），即樁承臺涉水部分主要為承臺底部的樁群，承臺在水面之上，該類基礎所發生的局部沖刷主要由樁群引起。另一種是以承臺以上的墩柱為主（如編號10），真正由樁承臺引起的沖刷只占其中的一部分，距床面較近時這種墩基接近實體墩基。

2）上世紀80年代以后（組合墩型）：有關部門對在實際中采用的樁承臺新墩型進行了延伸研究，以規范中編號11和編號12的樁承臺類型為代表[2]，這類樁承臺主要呈現組合墩的特點：通常由橋墩柱+承臺（圍堰）+樁群三部分組成。試驗中得出了2種特征樁承臺的墩型系數和對應的樁承臺基礎局部沖深計算式，并運用大直徑圍堰群樁墩局部沖深計算式對南京長江二橋進行了局部沖深計算，并用局部沖刷比尺模型試驗結果對墩型系數計算值進行了驗證，使樁承臺的形式和計算得到了擴展。

然而，樁承臺基礎結構形式在發展、出新，有關的涉水研究方面也是一個需要經常完善、不斷深化的過程。迄今為止的樁承臺基礎研究中還存在著許多不足：首先表現在對特大密集型樁承臺的局部沖刷研究偏少；其次表現在以前對樁承臺沖刷的研究集中在底部樁群量少、細徑方面；第三是缺失對影響樁承臺局部沖刷因素的研究，比如在承臺厚度、底部布樁方式和承臺入水深度尤其是承臺頂面距水面距離對沖刷影響的研究方面。嚴格來說，以前的樁承臺基礎只是在某些方面與樁群有關的組合型墩基，與真正的樁承臺結構相差較遠，以交通運輸部2002年頒布的公路工程水文勘測設計規范中4種樁承臺墩基為例：

編號9的樁承臺：屬高樁型承臺墩基。涉水主體為樁群，承臺在水面以上，局部沖刷主要由群樁所引起。

編號10的樁承臺：屬組合型承臺墩基。由墩柱+承臺+樁群三部分組成。涉水主體為墩柱和承臺，這兩部分距床面越近越接近于實體墩基。

編號11的樁承臺：屬大直徑圍堰型群樁墩基。由橋墩+圓柱圍堰+樁群三部分組成。涉水主體為大直徑的圍堰，樁群位于床面以下，水流對樁群作用有限。

編號12的樁承臺：屬組合型承臺墩基。由墩柱+工字形承臺+大直徑基樁三部分組成。涉水主體為承臺和基樁，但基樁數量少（只有前后4根），與群樁定義相差較遠。

上世紀80年代末以來，蘇通長江大橋、南京長江三橋、四橋、杭州灣跨海大橋以及青島跨海大橋等一批國家級重點大橋采用了以承臺和群樁為共同迎流主體的樁承臺墩基，結構形式得到新的拓展，因此有必要就生產實際涌現的新型墩型進行進一步研究和探索。

2 樁承臺類型和研究內容

2.1 樁承臺類型

本次研究是對規范編號12樁承臺類型的延伸，與該類樁承臺相同之處是承臺和樁群共為涉水主體，不同之處是底部為大型密集型群樁，而不是少量的幾根樁柱。樁承臺基礎底部樁群的排列方式分為梅花形和普通的規則形，外形又分成方形和矩形兩種。為使試驗數據具有針對性，梅花形樁承臺采用長江近河口段的蘇通長江大橋的橋墩基礎。該橋基外形呈八邊形啞鈴狀，承臺底部樁群呈梅花形布設。上部承臺高6m，迎水寬48.1m，縱向長113.8m。試驗時將啞鈴形樁承臺（見圖2）分成方形樁承臺（1個承臺，迎水9排，縱向梅花形布樁15列共64根樁）和矩形樁承臺（2個承臺，迎水9排，縱向梅花形布樁31列共131根樁），樁徑均為2.8m。

圖2 樁承臺（底部梅花形樁群）結構示意圖

為使試驗具有可比性和適用性，群樁梅花形排列與規則排列的樁承臺的沖刷試驗在以下幾方面相同：1）承臺迎水寬度相同；2）承臺入水高度相同；3）樁承臺縱向長度相同；4）承臺底部樁群迎水排數相同；5）樁徑相等；6）總樁數接近，并采用相同的試驗條件（規則樁群樁承臺示意圖見圖3）。

圖3 樁承臺（底部規則形樁群）結構示意圖

2.2 研究內容

試驗時，按底部樁群排列方式分為梅花形和規則形樁群兩種類型的樁承臺，每類樁承臺又分為方形和矩形兩種外形。其中方形樁承臺寬、長均為48m；矩形樁承臺迎水面寬48m，順水流方向的縱向長114m。以hφ為承臺底部與河床面之間的距離，h為水深，承臺底在水中的位置（即高程）從河床往水面依次分為hφ/h=0（承臺底與床面平）、0.1、0.2、0.3、0.4、0.6、0.8和 1.0（承臺底與水面平）8種不同高度。由于試驗組次問題，本次試驗暫時不考慮承臺自身厚度對局部沖刷的影響，只選取承臺厚/水深=0.3的情況進行試驗。

3 模型概況和試驗條件

3.1 模型概況

試驗在寬水槽內進行，水槽尺度為33m（長）×5m（寬），試驗段有效范圍為10m（長）×5m（寬）。水槽上游采用矩形薄壁量水堰調控流量，下游采用橫向推拉式尾門微調水位，在不受樁柱阻水影響的樁柱上游布設直讀式流速儀監控行近流速（垂線平均）。試驗時，將樁承臺模型置于水槽中部，水流動力采用恒定流，調控好水位和行近流速后即進行試驗，同時監測橋基附近地形變化，直到相鄰幾次監測顯示變化不明顯時，說明局部沖刷達到基本平衡，試驗結束。多次試驗顯示，橋基從開始沖刷到基本平衡，歷時2.5～3 h。為便于比較，每組試驗沖刷時間一律取3 h。沖刷后的地形采用地形界面儀和測針相結合的方法測量，并用攝影輔助反映沖刷形態。

試驗采用非原型天然沙作為模型沙，其中值粒徑 d50=0.22mm，γs=2.65 t/m3。

3.2 試驗條件

試驗采用的水流條件見表1。

表1 試驗條件

4 梅花樁承臺的局部沖刷特征

由于承臺與底部樁群共同構成涉水主體，因此樁承臺的局部沖刷既具有樁群沖刷的特征，也具有有別于樁群沖刷的特征，其不同程度取決于涉水主體是上部承臺還是底部群樁。

為探討承臺厚度一定時，淹沒水中的承臺底部距河床面高度（即hφ）不同時對局部沖刷的影響，承臺厚度為6m，hφ分為0m（承臺底與床面平）、2m、4m、6m、8m、12m、16m和20m（承臺底與水面平）8種高度，試驗水深為20m，墩前行近流速為3.0m/s。試驗采用的樁承臺分為方形和矩形兩種，承臺下樁群為梅花形排列。

4.1 方形承臺的縱向特征

試驗時將梅花形樁群樁承臺分為方形（1個承臺，迎水面橫向布設9排，順水方向縱向梅花形布設15列共64根φ=2.8m樁）和矩形（2個承臺，迎水面橫向布設9排，順水方向縱向梅花形布設31列共131根φ=2.8m樁）兩種，即在承臺迎水寬度相同、順水流方向上長度不同情況下研究承臺在水中不同位置時對樁承臺局部沖刷的影響。

根據試驗得出方形承臺的縱向最大沖深，逐一列出承臺在水中不同位置時發生在樁群樁間床面的沖刷特征（見圖4）。

圖4 承臺入水不同位置時的縱向局部沖刷過程線（方形承臺，梅花樁）

承臺底與河床面平齊 （即hφ=0）時，承臺頂面距水面14m，最大沖刷發生在迎水面第3列。迎水第1列～第3列為沖深明顯增大區；第4列～第9列為沖深明顯減小區；第10列～第15列為微沖區。

承臺底距河床面2m （即hφ=0.1）時，承臺頂面距水面12m，最大沖刷發生在迎水面第2列。迎水第1列～第2列為沖深明顯增大區；第3列～第9列為沖深明顯減小區；第10列～第15列為微沖區。

承臺底距河床面4m（即hφ=0.2）時，承臺頂面距水面10m，最大沖刷發生在迎水面第3列。迎水第1列～第3列為沖深明顯增大區；第4列～第12列為沖深明顯減小區；第13列～第15列呈微沖。

承臺底距河床面6m（即hφ=0.3）時，承臺頂面距水面8m，最大沖刷發生在迎水面第2列。迎水第1列～第2列為沖深明顯增大區；第3列～第15列均為沖深明顯減小區。

承臺底距河床面8m（即hφ=0.4）時，承臺頂面距水面6m，最大沖刷發生在迎水面第2列。迎水第1列～第2列為沖深明顯增大區；第3列～第15列均為沖深明顯減小區。

承臺底距河床面12m（即hφ=0.6）時，承臺頂面距水面2m，最大沖刷發生在迎水面第3列。迎水第1列～第3列為沖深明顯增大區；第4列～第15列均為沖深明顯減小區。

承臺底距河床面16m（即hφ=0.8）時，此時承臺頂面在水面以上2m，最大沖刷發生在迎水面第3列。迎水第1列～第3列為沖深明顯增大區；第4列～第15列均為沖深明顯減小區。

承臺底距河床面20m（即hφ=1.0）時，此時承臺底面與水面平，最大沖刷發生在迎水面第3列。迎水第1列～第3列為沖深明顯增大區；第4列～第15列均為沖深明顯減小區。

試驗顯示：明顯沖深區位于承臺底部的樁群間，最深點通常位于迎水面樁群的第2列或第3列，而且基本不隨承臺底面距床面高度（即高程）的變化作前移或延后。

4.2 矩形承臺的縱向特征

其他尺度不變，改變樁承臺的順水縱向長度（增加縱向列數和總樁數），成為矩形樁承臺。試驗顯示：在承臺底距河床面高度相同情況下，除了沖深量值有所不同外，矩形承臺的最深點位置仍維持在迎水面的第2列～第3列，也就是說，改變樁承臺縱向長度，局部沖深量值會發生變化，而最深點位置不會改變，前述方形樁承臺在水中不同位置時的沖刷特征在矩形樁承臺中仍然存在。由于長度增加中間用連接梁連接前后兩承臺，矩形樁承臺又具有新的沖刷特征：在矩形樁承臺縱向31列沖刷中，迎水面第1列～第3列為沖深漸大區；第2列～第3列為最深區；第4列～第16列為明顯減沖區；第16列～第17列之間是兩承臺的連接梁位置，底部布樁較少，成為群樁間沖刷由沖轉淤的轉折點；第17列～第21列為由沖變淤區；第22列～第29列為由淤變沖區；第28列～第29列為二次沖深區；第30列～第31列為微沖區。如把樁承臺縱向長度定義為“L”，那么：0﹤L﹤0.1L為沖深漸大區；0.1L附近為樁群內最大沖深點；0.1L﹤L﹤0.5L為明顯減沖區；0.5L～0.7L為由沖變淤區；0.7L﹤L﹤0.9L為由淤變沖區；0.9L附近為背水面二次沖深區；L﹥0.9L為微沖區，矩形樁承臺順水流方向的縱向沖刷呈橫“S”狀（見圖5）。

圖5 承臺入水不同位置時的縱向局部沖刷過程線（矩形承臺，梅花樁）

由此可見，樁承臺的局部沖刷除了與承臺迎水寬度和底部群樁布置方式及數量多寡有關外，還取決于淹沒在水中的承臺厚度以及承臺底部與河床面的距離。

5 規則樁承臺的局部沖刷特征

梅花形樁群樁承臺的局部沖刷反映的是特例情況下的沖刷特征，要使試驗成果具有普遍性，必須對通常的規則樁群樁承臺的沖刷進行試驗并加以對比，找出其共性和特點，才能對此類樁承臺的局部沖刷有個較深入的了解。因此在同樣條件下對規則樁群樁承臺進行了試驗。

5.1 承臺下群樁間橫向沖刷特征

按照梅花樁群樁承臺的迎水寬度、縱向長度和總樁數，將承臺下樁群布置成普通的規則排列，依樁承臺縱向長度分為正方形樁承臺（迎水面9排，縱向7列，總計63根樁）和矩形樁承臺（迎水面9排，縱向14列，總計126根樁）。試驗顯示：規則樁群樁承臺的最大沖深發生在迎水面的前3列，以第1列居多；方形樁承臺與矩形樁承臺橫向沖深形態接近，基本不受縱向長度的影響。處于水下相對同一位置樁承臺的橫向間最大沖深與最小沖深的變幅較小，一般在20%以內。最大沖深點通常位于迎水面前3列的群樁內側樁間（不一定位于縱軸線上），在此范圍內變動。橫向沖刷深度隨樁群端部與河床面距離的趨遠而加大，當承臺逐步出水后，橫向沖深又有所減小。

5.2 承臺下群樁間縱向沖刷特征

方形樁承臺的縱向沖刷特征表現為：縱向沖刷呈前深（迎水面）后淺（背水面）的“勺”狀形態，最大沖刷區域位于迎水面前3列，承臺底中前部至中后部為局部沖刷由漸深轉變為漸淺的過渡區，樁群后部為沖刷相對穩定的淺沖區。隨著承臺底與河床面距離的加大，樁群間的最大沖刷深度逐漸增加。在承臺頂面即將出水時（hφ/h=0.6）樁承臺的局部沖刷達到最大；承臺部分出水后，局部沖刷有所減弱；承臺全部出水后，類似單純的樁群沖刷。當hφ/h≤0.2時，最大沖刷區位于樁群迎水面的第1列樁間；當hφ/h﹥0.2時，最大沖刷區后移且穩定在樁群迎水面的第2列樁間附近區域。樁群背水面最小沖深一般在迎水面最大沖深的29.5%～37.5%之間。方形樁承臺的縱向沖刷見圖6。

圖6 承臺入水不同位置時的縱向局部沖刷過程線（方形承臺，規則樁）

矩形樁承臺沖刷具有與方形樁承臺相似的沖刷特征，不同在于由于縱向長度的延長，樁群阻力加大，使得矩形樁承臺背水面淺沖區的沖刷強度進一步衰減，沖深幅度明顯變小，甚至在承臺底樁群中部附近形成局部淤積堆高，并和梅花形樁群一樣，具有在迎水面沖深越大，樁群中部沖深越小甚至堆高的逆反沖淤形態；在樁承臺的背水面附近，由于失去承臺和樁群的攔阻，承臺外側渦流具有內攏趨聚性，使得樁承臺中后部的沖刷力度略有增大，樁間發生二次沖深且基本穩定在迎水面最大沖深的30%～40%之間。矩形樁承臺的縱向沖刷見圖7。

圖7 承臺入水不同位置時的縱向局部沖刷過程線（矩形承臺，規則樁）

6 承臺底距床面不同高度對局部沖刷的影響

樁承臺呈方形時：在承臺底距床面hφ=0.1 h時，最大沖深和縱向沖深最小；其次為承臺底與床面平齊hφ=0時的情況；當承臺底部與床面位置處于0.1 h﹤hφ﹤0.6 hφ區間時，最大沖深和縱向沖深逐漸加大，在hφ=0.6 h時最大沖深和縱向沖深達到最大；當0.6 h﹤hφ=1.0 h時，沖深增幅由大轉小，當hφ=1.0 h（即承臺底與水面平齊）時，其沖深幅度與hφ＝0.4 h時情況相當。

值得注意的是：當承臺底距河床面12m（即hφ=0.6，承臺頂面距水面2m）時，底部河床的沖深達到最大；當承臺底距河床面2m （即hφ=0.1，承臺頂面距水面12m）時，底部河床的沖深最小；承臺底與床面平齊時的沖深除了大于承臺底距河床面2m時的情況，均小于承臺底距床面其它高度的情況。樁承臺的這種沖刷特征與承臺在水中的位置以及流速垂向分布有關：承臺底與床面平齊時，樁群在泥面以下，高6m的承臺臺體相當于一個實體墩，水流直接沖擊承臺邊壁。當承臺底距河床面2m時，承臺底下2m的群樁空間可以過流，加上近底流速較小，因此沖深最淺；而承臺底距河床面12m，即hφ=0.6時，承臺接近水流垂向分布的最大流速區，沖擊承臺邊壁下趨的水流淘刷力較大導致沖深較明顯。當承臺部分出水后（如承臺底距河床面16m，即hφ=0.8時），因迎流面積減少，沖深由大轉小；當承臺底面與水面平時，整個承臺全部處于水面以上，此時的沖刷類似由群樁引起的局部沖刷。受形狀所限，方形樁承臺基礎順水流方向的縱向沖刷呈前深后淺的“勺”狀形態。

矩形樁承臺的沖刷與方形樁承臺的情況相近，有所不同表現在：hφ﹤0.3 h時沖深均小于hφ＝0時的沖刷，這可能有兩個原因引起：一是垂向近底水流本身低緩，群樁間能過流更使淘刷力降低；二是受縱向長度延長總樁數增加使得阻力增加流速減緩的影響。0.3 h水層向上，隨著垂向流速的逐漸增大，沖深均大于hφ＝0時的沖刷。矩形樁承臺的縱向沖刷由方形樁承臺的“勺”形變為橫“S”形，且從承臺中部起向背水面區域呈現承臺前中部沖深越大、后中部淤高越大、沖深越淺的逆反形態。

矩形樁承臺在不同hφ情況下的沖刷特征為：hφ＝0.1時，承臺底部樁間的最大沖深和縱向沖深最小；hφ﹤0.3 h時的沖刷小于hφ＝0時的情況；當0.3 h﹤hφ﹤0.6 h時，最大沖深和縱向沖深逐漸加大，hφ＝0.6h時最大沖深和縱向沖深仍維持最大。

方形、矩形樁承臺底部距河床不同高度時的最大沖深見圖8和圖9。

圖8 承臺底距河床不同高度時的最大沖深（梅花樁承臺）

圖9 承臺底距河床不同高度時的最大沖深（規則樁承臺）

由此可見，樁承臺基礎在迎水寬度、橫向布樁排數一定的情況下，承臺底部距河床面高度（即hφ）以及縱向長度（L）的不同只改變最大沖深量值的大小，不改變局部沖深的分布特征：即hφ＝0.1 h時，樁承臺的最大沖深和縱向沖深最小；當0.1 h﹤hφ﹤0.6 h時，局部沖深由小逐漸加大，當hφ＝0.6 h時最大沖深和縱向沖深達到最大；當0.6 h﹤hφ＝1.0 h時，沖深增幅由大變小。

7 結語

樁承臺的局部沖刷程度與水中的承臺位置（即高程）有關，同時又與在承臺的自身厚度有關[3]。研究表明：承臺厚度相同時，梅花形和規則樁群樁承臺均在承臺底距河床面hφ=0.6時局部沖深達到最大；發生最小沖深的水中位置則與樁承臺底部的布樁方式有關：梅花形布樁時，承臺底距河床面0.1 h時沖深最小；規則布樁時，承臺底與床面齊平（即hφ=0）沖深最小，在確定承臺高程時應重視樁承臺位置對局部沖刷的影響。需要說明的是，本次試驗僅僅梅花形和規則群樁樁承臺進行了研究，未能顧及其他布樁方式的樁承臺情況，而且沒有考慮流速變化對其的影響，所以研究僅是初步的，后續繼續開展對其他布樁方式的樁承臺、承臺厚度、底部樁群打設順序等多種因素對局部沖刷影響的研究，以期對大型樁承臺的局部沖刷有個比較深入、完整的認識。

[1] 鐵道部科學研究院墩形系數專題組.橋墩局部沖刷墩形系數[J].鐵道工程學報，1984（2）：103-107.

[2] 齊梅蘭，王國華.新型橋墩局部沖刷研究[J].中國鐵道科學，2002，23（3）：99-103.

[3] 高正榮，黃建維，盧中一.長江河口跨江大橋橋墩局部沖刷及防護研究[M].北京：海洋出版社，2005.