波浪作用下跨海橋梁樁基沖刷防護裝置特性研究

段瑋瑋，孫 佳，朱海芬，李 強

(浙江海洋大學港航與交通運輸工程學院，浙江舟山 316022)

近年來，跨海大橋建設在我國長三角地區興起。跨海大橋的建設大量采用樁基作為基礎，而海洋環境下橋梁樁基的沖刷作用對橋梁結構的穩定性產生了一定的影響。橋梁樁基的局部沖刷長期以來受到工程界的關注?；诹黧w力學和大量的模型試驗研究，工程界對樁周局部沖刷機理已經有了全面的認識[1]。對于局部沖刷而言，其原因主要歸結于樁柱周圍上游處流體的分離和下游處周期性的渦街釋放。但在海洋環境下除了流的作用外，波也是一個重要的影響因素。根據波長與樁徑比，一般樁柱可分為大直徑的墩和小直徑的樁。過去四十年來，很多研究者對小直徑樁在波浪作用下樁周的局部沖刷進行了研究。CHEN Guoping，et al[2]認為樁周的局部沖刷根據床面速度和底質的起動速度以及波長和樁徑比可以分為三種類型：渾水沖刷、對稱角狀分布沖刷、環向沖刷。由于樁周的沖刷作用會影響橋梁結構的穩定性，工程界對于減低樁周沖刷一直較為關注，也提出了很多的沖刷防護措施。DEY，et al[3]把工程防護措施分為保護層措施和改變流場措施兩類。保護層措施主要包括拋石、系纜塊、四面體防護塊等；改變流場措施主要有墩前樁列、淹沒檻、樁前三角翼式檻、墩部分或整體開縫防護、護圈防護等，在此基礎上進一步提出了一種附于樁上的對稱分割板和螺旋繞線樁。CHIEW[4]回顧了橋墩沖刷防護現有方法，提出了一種由開縫和護圈組合的防護方法，研究表明可以減低沖刷深度達20%。大多數這些沖刷防護對于工程來說都是較為昂貴的，相比較而言，采用護圈防護是可行的[5]，但護圈防護的效果取決于護圈與床面的距離，KUMAR，et al[6]指出護圈只在離床面一定范圍內可以有效的減低局部沖刷，應用上存在一定的局限性。

1 沖刷防護裝置設計

通過文獻回顧，可以發現樁周局部沖刷主要有三個因素引起：樁前向下流、馬蹄渦和樁后渦街釋放。本文提出了一種能夠降低樁周局部沖刷的防護裝置，它由一個上部護圈和一個表面鉆有很多圓孔的護筒組合而成，這里采用了16 列孔，鉆孔排數根據筒高不同而變，如圖1(a)所示。護圈可以有效降低向下流，多孔管可以改變樁周流場，安裝示意圖如圖1(b)所示。

圖1 防護裝置簡圖和安裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of protective device and installation diagram

2 試驗系統和測試方法

樁的局部沖刷試驗在波浪水槽中進行，水槽中試驗段長17 m，寬1.4 m，深1.0 m，下游為消浪斜波段。水槽中設有4.8 m 長，0.5 m 深的砂床段，距造波機為30 m。所采用的砂的中值粒徑為0.25 mm。直徑分別為35 mm、45 mm、55mm 的透明塑料管被用來模擬不同直徑的樁基，塑料管上在周向8 個方向上標有刻度。這些管子垂直安設于砂床中部，通過造波機造波進行試驗測試。測試系統由浪高儀和沖刷深度測試裝置組成，3 個電容式浪高儀安設于水槽中心線上，彼此保持一定的間距置于砂槽段前方。通過浪高儀監測波高，并將數據反饋給造波機，以便波高可以精確控制。上述樁基沖刷測試試驗系統如圖2 所示。本研究中關注的是樁周和防護裝置周圍的沖刷深度，但由于本裝置是由護筒和護圈組成，護圈的存在使得樁周沖刷深度測試存在困難，地形儀不方便測試，因此采用了內窺鏡裝置對樁周8 個方向的沖刷深度進行測試。方向由入射波攻角θ 來定義，攻角范圍為-180°～180°，其中θ=0°代表垂直于樁表面的入射波方向，順時針為正，逆時針為負。試驗中采用時間間隔為每次造波后15 min、30 min、60 min，之后采用每2 h 測1 次，直至相鄰2次樁周的沖刷深度相對較小或不變為止，視為此時達到樁周沖刷平衡。雙樁試驗中采用串列雙樁布置，樁的中心距為10.8 cm。

圖2 沖刷試驗波浪水槽簡圖Fig.2 Scouring test wave sink sketch

3 樁周局部沖刷

當樁徑較小時，樁周局部沖刷主要由馬蹄渦產生。樁周最大沖刷坑和最大沖刷深度的產生非?？拷鼧渡?。本次試驗研究中，在波的作用下，底床砂產生運動形成砂紋，樁周地形的變化包括了由渦流產生的局部沖刷和砂紋變化兩部分共同作用產生。試驗共計22 組單樁沖刷試驗和12 組串列雙樁沖刷試驗，包括9 組無防護裝置的單樁沖刷試驗，13 組為加防護裝置的樁周局部沖刷試驗以及3 組無防護串列雙樁沖刷試驗和9 組加防護裝置的串列雙樁沖刷試驗。大多數試驗中發生了渾水沖刷，在較短波長的波的作用下，有少數試驗中出現了類似流體沖刷的環向沖刷。根據樁周局部沖刷深度的測試結果，得出了局部沖刷的發展和一些重要的影響因素對樁周局部沖刷的作用。

3.1 樁周最大沖刷深度的發展

樁周最大沖刷深度與最終沖刷深度比隨波數而發展，由于本研究中沖刷是由兩種作用疊加，因此沖刷深度隨波數的發展較為曲折。隨著波浪沖刷時間的增長，局部沖刷形態基本不變。樁無防護時的最大沖刷深度集中在樁的后部，其攻角在-135°～135°之間，而有防護時樁周最大沖刷深度主要集中在樁的兩側。

3.2 最大沖刷深度的影響因素

正如上面所提到的，樁周局部沖刷的最大沖刷深度與入射波高、波長、水深、樁徑、防護裝置筒高、護圈直徑和開孔率有關。

3.2.1 波高的影響圖3 反映了最大沖刷深度和波高的關系。從圖3 可見，樁周沖刷深度隨著波高的增加而增加，增加了防護的樁周沖刷深度小于無防護樁的沖刷深度。

3.2.2 波長的影響圖4 反映了最大沖刷深度與波長的關系，兩者之間的關系與波高對沖刷深度的影響基本一致。

圖3 有/無防護下波高對沖刷深度的影響Fig.3 Effect of wave height on scour depth with/without protection

圖4 有/無防護下波長對沖刷深度的影響Fig.4 Effect of wave length on scour depth with/without protection

3.2.3 水深的影響

圖5 反映了最大沖刷深度與水深的關系，最大沖刷深度隨著水深的增加而降低，水深越小，沖刷深度的降低越快，有防護的樁周沖刷深度小于無防護的情況。由于底層水流速度隨著水深的增加迅速降低，結果造成最大沖刷深度減小?？梢酝茢?，當水深增加到一定深度，如h＞L/2 時，樁周沉積物不再發生運動，最大沖刷趨于零。

4月24日是個星期一，參觀者不多，但還是有好幾隊中、小學生的參觀隊伍在老師帶領下安靜有序地參觀。博物館展示內容除了卡爾梅克人社會、文化、民俗外，歷史部分占了參觀大廳一層一個大展廳，其中阿玉奇汗的業績占了顯要地位。對渥巴錫東歸之舉則是用平實的言詞客觀描述了這一歷史事件始末，少有評議。值得一提的是，我們在博物館當代卡爾梅克造型藝術的展廳不僅看到了反映阿玉奇汗與彼得大帝會面場景的精美的油畫，還看到了土爾扈特末代公主滿琳的巨幅油畫。

3.2.4 樁徑的影響

樁徑對沖刷深度的影響如圖6 所示，樁徑越大，沖刷深度越大。在無防護的情況下，樁周沖刷深度和樁徑呈線性關系，當增加了防護裝置后，沖刷深度小于無防護的情況，且在直徑較小時，沖刷深度的增長平行于無防護的情況，而在直徑較大時，沖刷深度的增加趨緩。

圖5 有/無防護下水深對沖刷深度的影響Fig.5 Effect of water depth on scour depth with/without protection

圖6 有/無防護下樁徑對沖刷深度的影響Fig.6 Effect of pile diameter on scour depth with/without protection

3.2.5 防護裝置參數的影響

由圖7 和圖8 可見，沖刷深度隨著護圈直徑的加大而減小，當護圈直徑增加至一定值時，沖刷深度不再變化；在較小的防護裝置高度下，沖刷深度隨護筒的增加而減小，當防護裝置高度繼續增加時，沖刷深度反而迅速增加。

圖7 護圈直徑對沖刷深度的影響Fig.7 Effect of retainer diameter on scour depth

圖8 防護裝置高度對沖刷深度的影響Fig.8 Effect of height of protective device on scour depth

3.2.6 串列雙樁的影響

在雙樁情況下，動床沖刷深度主要取決于Keulegan-Carpenter 數KC 和無量樁間距G/d。在本文中，我們研究了三種直徑樁(d=3.5 cm、4.5 cm 和5.5 cm)的串聯布置的雙樁組。

無保護條件下樁徑對沖刷深度的影響如圖9 所示。波長、波高、防護裝置高度對防護裝置沖刷深度的影響如圖10～12 所示。通過與幾種情況的比較，可以看出無防護的樁的最大沖刷深度和任意方向的沖刷均大于加防護的樁。從圖9 可以看出，在波長L=195 cm，波高H=8.5 cm 時樁的最大沖刷深度隨樁的直徑d 的增加而增加。在較小的直徑下，樁的最大沖刷深度位于樁的側面，θ=90°或θ=270°。而在直徑較大時，前樁最大沖刷深度位于樁后，后樁最大沖刷深度出現在樁前。通過對單樁和雙樁群沖刷深度的比較，可以發現后樁的沖刷深度要比前樁深，這可能與整體沖刷作用有關。

圖9 無防護時樁徑對沖刷深度的影響Fig.9 Effect of pile diameter on scour depth without protection

圖10 給出了防護裝置高度為1.5cm、波高為8.5cm 時波長對于加防護的串列雙樁的沖刷深度影響。從圖10 中可以看出，樁身沖刷深度隨波長L 的增大而增大，前樁最大沖刷深度位于樁身兩側，后樁一側位于樁后。

圖10 波長對防護樁沖刷深度的影響Fig.10 Effect of wavelength on scour depth of protective pile

圖11 給出了防護裝置高度為1.5 cm、波長為195 cm 時波高對于加防護的串列雙樁的沖刷深度影響。由圖11 可知，波浪高度H 對樁身沖刷深度有重要影響。波浪高度越小，最大沖刷深度越小。隨著波浪高度的增大，樁前、樁后最大沖刷深度隨波浪高度的減小而明顯增大。波高較小時最大沖刷深度出現在樁的兩側，而波高較大時樁前、后兩個位置上的沖刷深度較大且量值比較接近。

圖11 波高對防護樁沖刷深度的影響Fig.11 Effect of wave height on scour depth of protective pile

防護裝置的高度對最大沖刷深度的影響如圖12 所示?？梢钥闯觯雷o裝置高度h=1.5 cm 的防護裝置的最大沖刷深度最小，而防護裝置高度h=2.0 cm 的最大沖刷深度最大，這與單樁沖刷的結果類似。3 種防護高度的前樁沖刷深度都明顯大于后樁，并且隨著高度的增加，沖刷深度為前樁迅速增加，后樁變化不大。

圖12 防護裝置高度對帶防護樁沖刷深度的影響Fig.12 Effect of height of protective device on scour depth of pile with protective device

4 結論

(1)提出了一種新的局部沖刷防護裝置，波浪沖刷試驗結果表明該裝置可以有效降低由波浪引起的樁周局部沖刷作用。

(2)無防護時樁周的最大沖刷深度分布在樁的后側方，而有防護時樁的最大沖刷深度出現在樁的兩側。安裝防護裝置后，沖刷深度明顯降低。

(3)串列雙樁對于沖刷防護有明顯影響，波長、波高和防護筒高度越大，沖刷越大。

(4)樁周最大沖刷深度與波高、波長和樁徑成正比，而與水深和護圈直徑成反比關系。存在一個適中的防護筒高度，超過這一高度，防護效果較差。