羅巍，程永舟，2，黃筱云，2，王曉光

（1.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114）

樁基礎(chǔ)作為一種結(jié)構(gòu)簡單、承載力強、適用范圍廣的基礎(chǔ)形式，在海洋工程中應(yīng)用廣泛[1]。海洋環(huán)境中的結(jié)構(gòu)物樁基礎(chǔ)同時受到波浪和水流的作用，其周圍會發(fā)生局部沖刷現(xiàn)象，使得樁基自由長度增大，對近海結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性造成影響[2]。在海洋環(huán)境中，水動力條件復(fù)雜多變，難以準確預(yù)測樁基周圍的最大沖刷深度[3]，需要考慮采取一定的沖刷防護措施。

幾十年以來，已有眾多學(xué)者針對純流條件下的沖刷防護進行了研究，并提出了多種類型的防護措施。這些防護措施主要可分為兩類[4]，一類是床面加強措施，即直接對床面材料進行加強改造的措施，如拋石防護、土工袋防護、石籠防護等。Chiew 對拋石護底抗沖措施的結(jié)構(gòu)和破壞機理進行了分析[5]。Zarrati 等采用拋石與護圈組合防護的方式，對防護下單樁和雙樁的局部沖刷特性進行了研究[6]。付旭輝等分析了鋼絲石籠防護下的沖刷機理，研究了鋼絲石籠在不同水流環(huán)境中的防護特性[7]。高正榮等采用拋填沙袋與下沉護坦相結(jié)合的方式對蘇通大橋進行了沖刷防護，并研究了大型橋梁沖刷防護工程的損壞特性[8]。Huang 等研究了柔性混凝土軟體墊的沖刷防護特性[9]。另一類是水流控制措施，其防沖原理是擾亂來流，削弱馬蹄渦等引起沖刷的水力因素。Grimaldi 等提出可以在樁后布置橫向平板作為攔沙檻，限制樁后尾渦的發(fā)展范圍，阻止泥沙被水流帶向下游，并驗證了其作為沖刷防護對策的有效性[10]。陳兵等通過放置擾流環(huán)來削弱馬蹄渦，以減小樁周局部沖刷深度[11]。Somayeh 等利用噴射水流干擾樁前來流以減小沖刷，驗證了該防沖措施的有效性[12]。姜松等采用樁前減沖樁作為防護措施，研究其防沖效果及樁柱周圍的流場特性[13]。Elnikhely 等研究了圓形開孔對樁基沖刷防護的作用[14]。Bestawy 等研究了不同樁身開槽方式及護圈型式組合下的防沖效果[15]。Zhang等在純流條件下討論了護筒直徑、埋置深度及水流強度對護筒防沖效果的影響，并與護圈防護進行了對比分析[16]。

床面加強措施在工程中應(yīng)用廣泛，但使用壽命一般較短，比如拋石防護，當水流流速比較大時，防護塊石容易流失，導(dǎo)致防護效果逐漸減弱。水流控制措施大多受到水流流向的限制，當流向發(fā)生擺動時防沖效果較差，比如當樁身開縫與水流夾角大于45°時，便會失去防護效果[17]。此外，目前該類措施的研究大多局限于單向恒定流條件，其在波流環(huán)境中是否具有同樣的防護效果，仍未得到更深入的研究。

防沖套筒是一種簡單的防護結(jié)構(gòu)，在樁柱周圍布置套筒，可以限制馬蹄形旋渦的發(fā)展空間，并將樁基周圍大部分床沙的活動范圍限制在套筒內(nèi)部，從而減少沖刷[18]。套筒防護不受水流流向的限制，能夠適用于各種水流條件下的沖刷防護。Liang 等對比研究了包括套筒在內(nèi)的4 種防沖措施在波流條件下的防沖效果，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)水流控制措施在波流作用下防沖效果較差，甚至產(chǎn)生了更深的沖刷坑，而套筒防護在波流作用下仍具有一定防沖能力，但其針對套筒防護的試驗工況較少，缺少對套筒防沖效果影響因素的研究分析[19]。本試驗分別在純流及波流作用下探討了套筒的防沖性能，進一步分析套筒高度和直徑對沖刷的影響，提出最佳的套筒布置方式，為實際工程提供參考。

1 試驗布置及試驗工況

1.1 試驗布置

試驗在長沙理工大學(xué)水利實驗中心的波流水槽中進行。水槽長45 m，寬0.8 m，高1 m，工作水深0.2～0.7 m。水槽設(shè)有循環(huán)造流系統(tǒng)并配備有沉淀池。試驗沙槽位于水槽中部，長3 m，寬0.8 m，高0.6 m，內(nèi)部鋪滿中值粒徑d50= 0.406 mm 的無黏性沙，沙槽正中央埋放直徑D = 0.05 m 的模型圓柱，套筒埋置在沙床中，沙槽上下游底床均為砂漿抹面，水槽側(cè)面為玻璃邊壁，水流到達樁前可形成穩(wěn)定的流速剖面。試驗水深h = 0.4 m，大于3～4 倍樁徑D，此時可忽略水深對于沖刷的影響[20]。波高測量采用WG50 型浪高儀，流速測量采用三維點式多普勒流速儀（ADV），地形測量采用ULS-100 型水下激光三維地形掃描儀。由于水槽寬度B 有限，必須控制模型的尺寸來防止邊壁效應(yīng)。參考Whitehorse[21]的建議，在清水沖刷條件下，水槽寬度與模型尺寸比值B/D 應(yīng)大于6。采用1.25D、1.5D、1.75D、2D 四種直徑的套筒進行防沖試驗，B/D 最小值為8，可忽略邊壁效應(yīng)。根據(jù)王順意等[22]以及本文預(yù)試驗的結(jié)果，當局部沖刷坑發(fā)展充分時，樁周最大沖刷深度始終出現(xiàn)在樁柱正前方，故設(shè)套筒內(nèi)樁正前方、套筒外筒正前方兩個位置作為特征點進行觀測，兩個觀測點的沖刷深度分別用以表示筒內(nèi)樁周圍和套筒外周圍的最大局部沖刷深度。樁身和筒身分別貼有量尺，以測量沖刷深度變化。試驗?zāi)Ｐ筒贾眉坝^測點位置如圖1 所示。

圖1 試驗布置圖

1.2 試驗方案

為研究套筒高度和直徑對防沖效果的影響，對比分析各試驗條件下沖刷過程、沖刷坑形態(tài)的差異，設(shè)置無防護的垂直樁作為對照組，共開展36組工況試驗。試驗包括純流和波流沖刷，以及清水沖刷和動床沖刷。Melville 等提出在室內(nèi)小型試驗中，要達到?jīng)_刷平衡，通常需要數(shù)天時間[23]。根據(jù)預(yù)實驗和程永舟等[24]的研究結(jié)果，當清水組沖刷時間達到6 h 后，沖刷過程雖仍在進行，其規(guī)律不再發(fā)生較大的變化。本試驗僅對各沖刷試驗的起始階段及主要沖刷階段進行觀測，對比分析各組工況在相同沖刷時間內(nèi)達到的最大沖刷深度，故設(shè)清水組沖刷時間為6 h。動床組沖刷過程較快，預(yù)試驗結(jié)果表明動床組沖刷在4 h 內(nèi)已達到動態(tài)平衡（圖4），此時樁前床面向下游穩(wěn)定輸出泥沙，上游床面平均高程不斷降低，該過程持續(xù)時間過長時，會產(chǎn)生其他無關(guān)變量影響試驗結(jié)果。此外，分析波流參數(shù)對沖刷深度的影響非本文重點，故僅對比不同波流條件下的沖刷坑形態(tài)差異，綜合以上考慮，將動床組沖刷時間設(shè)為4 h。沖刷試驗前對水流流速、波浪波高和周期進行標定，并保存相應(yīng)的標定文件，以計算機控制造流和造波。每組試驗先將與各工況對應(yīng)直徑的套筒以相應(yīng)的初始高度安裝在沙坑中，抹平沙床表面，控制水泵將水注入波浪水槽至試驗水深0.4 m。試驗波浪為規(guī)則波，采用間歇式造波法，防止波浪變形。達到設(shè)定沖刷時間后，關(guān)閉造流、造波系統(tǒng)，采用地形儀測量沖刷后的床面地形。具體試驗工況見表1。

定義R 為筒內(nèi)沖刷深度減小率，R′為筒內(nèi)外最大沖深減小率。計算公式為：

其中S0為無防護下的樁前最大局部沖刷深度。波流共同作用下的希爾茲數(shù)θ 和臨界希爾茲數(shù)θcr計算公式為[25]：

式中：Uf為波流共同作用下的最大摩阻流速；f 為波流共存時的摩阻系數(shù)；U0為波流共存時的流速；D*為沙粒量綱粒度；s 為沙水密度比，本試驗用沙s=2.65；υ 為運動黏性系數(shù)。本試驗臨界希爾茲數(shù)θcr=0.034，當泥沙起動強度θ/θcr＜1 時為清水沖刷，當θ/θcr＞1 時為動床沖刷。根據(jù)表1，本試驗中C0—C5 工況組為動床沖刷，其余均為清水沖刷。

表1 試驗工況

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 沖刷過程

圖2 為Ds=1.5D 時，不同套筒高度與純流條件下，套筒內(nèi)外相對沖刷深度的歷時曲線。從圖2（a）的筒內(nèi)沖深歷時曲線可看出，當套筒初始高度較低時，筒內(nèi)沖刷深度在前30 min 發(fā)展迅速。筒內(nèi)樁前床面先發(fā)生沖刷，泥沙在樁后堆積，隨后被帶出筒外。隨著沖刷過程的進行，樁后床面與套筒上邊緣逐漸形成高度差，筒內(nèi)樁后尾渦的能量不足以將大部分泥沙顆粒提升至該高度，無法繼續(xù)輸送筒內(nèi)泥沙至筒外，致使筒內(nèi)沖刷速度放緩，120 min 后，沖深歷時曲線趨于平緩。根據(jù)圖2（b）所示的筒外沖深歷時曲線，套筒露出高度小時，套筒外水流的流動強度較弱，筒外沖刷強度較小。隨著筒外沖刷過程的進行，套筒露出高度逐漸增大，筒前下潛水流、馬蹄渦等水力因素亦逐漸增強，沖刷速度隨之加快，90 min 左右沖深歷時曲線出現(xiàn)拐點。

圖2 沖刷深度歷時曲線（純流沖刷）

根據(jù)圖3 的沖刷歷時曲線特征，波流條件下的沖刷過程在60 min 前明顯加快。波流沖刷過程中，波浪在樁、筒周圍的反射、繞射等作用使得筒內(nèi)外水流的流動強度增大。除下潛水流、馬蹄渦的作用以外，還存在波浪對泥沙的上揚力，使樁筒結(jié)構(gòu)附近的床面泥沙更容易起動，故筒外沖刷在初期就發(fā)展迅速。

圖3 沖刷深度歷時曲線（波流清水沖刷）

圖4 所示的動床沖刷，由于床面切應(yīng)力較大，希爾茲數(shù)θ 大于臨界希爾茲數(shù)θcr，床面泥沙顆粒全面起動。如圖4（a）、（b）所示，初期筒內(nèi)外沖刷過程與波流清水沖刷類似，沖刷速度較快。30 min 后，隨著床面沙紋發(fā)展至樁筒結(jié)構(gòu)附近，大量床面泥沙顆粒被帶入沖刷坑，樁前床面對沖刷坑產(chǎn)生凈輸沙，此時沖刷深度轉(zhuǎn)而減小。由于床面起動具有隨機性，沙紋發(fā)展至沖刷坑的時間也不具有確定性，但基本發(fā)生在60 min 前。90 min 后，整個床面沙紋發(fā)展充分，樁前床面向沖刷坑穩(wěn)定輸出泥沙，樁筒結(jié)構(gòu)周圍的局部沖刷繼續(xù)發(fā)展，沖刷深度繼續(xù)增大。240 min 后，沖刷坑內(nèi)輸出和輸入的泥沙達到動態(tài)平衡，沖刷深度不再發(fā)生明顯變化。

圖4 波流動床沖刷過程

2.2 沖刷坑形態(tài)

2.2.1 不同波流條件下的沖刷坑形態(tài)對比 圖5（a）—（c）為he= 0.25D，Ds= 1.5D 時不同波流條件下的沖刷坑地形圖。圖5（a）為純流沖刷，對比圖5（b）的波流沖刷地形圖可看出，純流條件下，套筒內(nèi)外的沖刷深度和沖刷范圍均較小，沖刷坑未形成完整閉合的圓環(huán)，沙丘面積和沙丘高度亦較小。波流作用下的沖刷坑為勺形，在套筒前方和側(cè)前方產(chǎn)生較大沖刷，而筒后沖刷深度較小，沙坑到沙丘由一條沙脊連通，與大直徑圓柱在波流作用下的沖刷坑形態(tài)類似[26]。波流動床沖刷下的沖刷坑如圖5（c）、（d）所示，由于動床沖刷下的樁前床面對沖刷坑存在凈輸沙，相比波流清水沖刷，局部沖刷深度減小，但整體沖刷范圍增大。動床沖刷的床面存在大規(guī)模的沙紋，清水沖刷的床面形態(tài)則較為平整，沙紋僅出現(xiàn)在樁后。

圖5 不同波流條件下的沖刷坑地形圖（he=0.25D，Ds=1.5D）

2.2.2 不同套筒高度下的沖刷坑形態(tài)對比 圖6為Ds=1.5D，U=0.23 m/s，H =0.08 m 時不同高度套筒防護下的沖刷坑地形圖。當套筒埋置在初始床面以下，即he＜0 時，如圖6（b）所示，筒外沖刷深度和沖刷范圍相比無防護時明顯減小，此時沖刷過程主要發(fā)生在筒內(nèi)，套筒對樁身的保護效果較差。he＞0 時，沖刷坑形態(tài)發(fā)生改變，筒外沖刷范圍有所減小，筒內(nèi)沖刷減弱。當he增大到0.5D 以上時，套筒足夠?qū)⒋蟛糠值撞縼砹髯钃踉谕餐?，筒?nèi)幾乎不發(fā)生沖刷，但此時筒外沖刷深度較大，套筒整體的防護效果有限。

圖6 不同套筒高度下的沖刷坑地形圖（U=0.23 m/s，H=0.08 m，Ds=1.5D）

2.2.3 不同套筒直徑下的沖刷坑形態(tài)對比 圖7給出了套筒高度he= 0.25D，U = 0.23 m/s，H =0.08 m 時不同直徑套筒防護下的沖刷坑地形圖。如圖7（a）所示，當he=0.25D，Ds=1.25D 時，樁與套筒之間的間隙較小，樁筒整體結(jié)構(gòu)與單樁類似，沖刷坑形態(tài)與無防護時相比差異不大。套筒直徑增大到1.5D 時，主要沖刷過程發(fā)生在套筒內(nèi)，筒外沖刷深度和沖刷范圍減小，此時套筒的防護效果較好。隨著直徑的增大，筒外沖刷范圍增大，但套筒筒身逐漸遠離樁前下潛水流、馬蹄渦等沖刷要素的作用范圍，沖刷深度反而減小。

圖7 不同套筒直徑下的沖刷坑地形圖（U=0.23 m/s，H=0.08 m，he=0.25D）

2.3 筒內(nèi)最大沖深變化分析

圖8 分別給出了筒內(nèi)最大沖刷深度S1隨套筒高度he和套筒直徑Ds變化的曲線圖。圖8（a）表示筒內(nèi)沖刷深度隨套筒高度的變化情況，由圖可知，當Ds=1.5D，he＜0 時，S1均較大；隨著he的增加，筒內(nèi)沖深減小。圖8（b）反映了套筒直徑對筒內(nèi)沖刷的影響。當he=0.25D，Ds從1.25D 增大到1.5D 時，S1逐漸增大；Ds＞1.5D 時，筒內(nèi)最大沖深隨著直徑的增大不發(fā)生明顯的變化。

圖8 筒內(nèi)最大沖刷深度變化情況

圖9 為筒內(nèi)最大沖深S1隨he、DS變化的二維等值線圖。由圖可看出，純流條件下，he＞0.25D時，筒內(nèi)原本的沖刷強度較弱，擴大套筒直徑使得筒內(nèi)馬蹄渦的強度和活動范圍增大，導(dǎo)致沖刷深度增大。波流條件下，波浪不斷在套筒內(nèi)部進行反射和繞射，導(dǎo)致筒內(nèi)沖刷增強，該情況下擴大套筒直徑能夠?qū)⒉糠滞矁?nèi)波浪能量釋放至筒外，從而減小筒內(nèi)沖刷深度。

圖9 筒內(nèi)最大沖刷深度二維等值線圖

此外，當Ds＞1.5D 時，套筒高度he對筒內(nèi)沖刷的影響明顯比套筒直徑Ds的影響更大，這是由于筒內(nèi)達到平衡狀態(tài)時的沖刷深度主要是由樁后床面與套筒上邊緣的高度差決定的。套筒露出高度比較大時，即使筒內(nèi)沖刷過程仍在進行，樁前泥沙亦無法被帶出套筒，只能堆積在樁后和樁側(cè)，當筒內(nèi)沖刷坑邊坡接近泥沙休止角時，坡上泥沙顆粒便不再移動。樁前馬蹄渦的活動范圍本身有限，當直徑擴大到1.5D 后，筒內(nèi)沖刷深度不再發(fā)生明顯變化。

2.4 筒外最大沖深變化分析

圖10 為筒外最大沖刷深度S2隨he、Ds變化的曲線圖。根據(jù)圖10（a），當Ds= 1.5D 時，S2隨he的增加而增大。波流動床條件下，he過大時，筒外沖深甚至?xí)笥跓o防護下的沖刷深度，這是由于在波流沖刷條件下，除馬蹄渦的作用外，筒外泥沙還受到波浪的上揚力，更容易達到起動條件，致使筒外沖刷過程得以增強。波浪在筒前存在反射和繞射等作用，這個作用隨著套筒露出高度的增大而增強，這與大直徑淹沒樁隨淹沒度變化的規(guī)律類似[27]。因此，當套筒初始高度較低時，筒外沖刷過程發(fā)展較慢，反之則較快。

圖10 筒外最大沖刷深度變化情況

圖11 為S2隨he、Ds變化的二維等值線圖。結(jié)合圖10（b）與圖11 可知，he＞0 時，純流沖刷與波流沖刷條件下S2均隨Ds增大而減小。當he＜0且逐漸減小，即套筒的埋置深度越來越大時，直徑對筒外沖刷的影響越來越小，這與Zhang 等[16]的試驗結(jié)果相吻合。其原因是，套筒高度較低時，筒前來流大部分未經(jīng)阻擋直接越過套筒，產(chǎn)生的馬蹄渦強度較弱，不足以使筒外泥沙起動，沖刷過程仍主要發(fā)生在筒內(nèi)，此時即使擴大套筒直徑，也無法對筒外沖刷造成較大影響。

圖11 筒外最大沖刷深度二維等值線圖

2.5 最大沖刷深度減小率變化分析

圖12 反映了筒內(nèi)最大沖刷深度減小率R 的變化情況：當套筒直徑Ds不變，R 隨套筒高度he的增大而增大。he較小時，防護效果較差；he增大到0.25D 以上時，套筒對樁身的防護效果基本滿足要求。繼續(xù)增大高度至0.75D 以上，R 能達到70%以上，但此時筒外沖刷深度較大，與無防護時相比，波流沖刷下的筒外沖深僅減小10%，動床條件下的筒外沖刷甚至比無防護下的樁基沖刷更嚴重，整體防沖效果較差。

圖12 筒內(nèi)最大沖刷深度減小率變化情況

套筒內(nèi)、外最大沖刷深度同時影響樁筒結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，必須綜合考慮筒內(nèi)外的沖刷情況。定義筒內(nèi)外最大沖刷深度減小率R′（R′=[S0-max（S1，S2）]/S0），以綜合考量沖刷防護效果。給出如圖13所示的筒內(nèi)外最大沖刷深度減小率R′的變化曲線，由圖可知R′隨he、Ds的變化規(guī)律：隨著he增大，R′先增大后減??；隨著Ds增大，R′先增大，后趨于穩(wěn)定。he= 0.25D，Ds=1.75D 時總體效果最好，此時純流條件下的R′可達到40%以上，波流條件下也可達25%以上，基本能夠滿足防護要求。

圖13 筒內(nèi)外最大沖刷深度減小率變化情況

綜上所述，采用套筒作為防護措施具有一定可行性，設(shè)計布置方案時需合理配置套筒高度和直徑，同時考慮套筒內(nèi)外沖刷深度的影響，以達到最佳的防護效果。

3 結(jié)論

本試驗對純流及波流作用下樁筒結(jié)構(gòu)的局部沖刷過程進行了研究，并與無防護下的樁基沖刷進行對比，分析了套筒高度、直徑對套筒防護性能的影響，得到如下結(jié)論：

（1）在純流、波流清水沖刷和波流動床沖刷條件下，套筒均能起到一定沖刷防護作用。本試驗工況下，筒內(nèi)最大沖刷深度最高可減小70%，筒內(nèi)外最大沖刷深度可減小40%左右。he=0.25 D，Ds=1.75D 時套筒總體防護效果最好，此時純流條件下筒內(nèi)外最大沖深減小率R′達到40%，波流條件下也可達25%以上，基本能夠滿足防護要求。

（2）套筒高度he對筒內(nèi)沖刷的影響較大。直徑Ds不變時，筒內(nèi)最大沖深隨套筒高度的增大而減小，但當套筒高度he＞0.75D 時，波流沖刷下的筒外最大沖深與無防護時相比僅減小10%，動床條件下的筒外沖刷甚至比無防護下的樁基沖刷更嚴重，整體防沖效果較差。

（3）套筒直徑Ds主要影響筒外沖刷過程。當he＞0 時，筒外最大沖深隨直徑增大而減小。當he逐漸減小，直徑對筒外沖刷的影響越來越??；波流條件下，he＜0 時，直徑僅在1.25～1.5 倍樁徑范圍內(nèi)對筒外沖刷產(chǎn)生較大影響，大于1.5 倍樁徑時影響甚微。