彭程 王昊 胡傳琦

摘要：

為研究水動力條件變化對復(fù)雜承臺群樁基礎(chǔ)橋墩局部沖刷的影響，以深圳市東寶河大橋主墩基礎(chǔ)為研究對象，通過大比尺（1∶15）正態(tài)物理模型試驗分析了橋墩基礎(chǔ)在半掩埋條件下的局部沖刷坑形態(tài)、尺度及沖刷過程在不同水流偏向角度、水動力條件下的動力響應(yīng)。結(jié)果表明：橋墩受小角度偏轉(zhuǎn)水流的沖刷作用普遍增強(qiáng)；周邊新建工程實施后，橋墩周圍水深變小、流速變大，伴隨著沖刷坑影響范圍增大，水流偏向角為0°和5°時最大沖刷深度分別增加17%和16%；受復(fù)雜承臺結(jié)構(gòu)和群樁阻水效應(yīng)的聯(lián)合影響，沿橋墩軸線方向產(chǎn)生的3個沖刷坑尺度依次遞減，至沖坑末端為沙脊淤積；沖刷坑在立面上呈現(xiàn)出從倒圓錐變化至半橢圓形態(tài)，且隨著高程增加，沖刷坑水平方向尺寸增幅放緩而橫截面面積顯著增加。研究成果可為類似復(fù)雜橋墩型式的橋梁安全運(yùn)行提供參考。

關(guān) 鍵 詞：

復(fù)雜承臺群樁基礎(chǔ)； 局部沖刷； 沖刷坑形態(tài)； 沖刷坑尺度； 水動力條件； 正態(tài)物理模型

中圖法分類號： TV131.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.034

0 引 言

橋墩基礎(chǔ)局部遭受沖刷是導(dǎo)致大多數(shù)橋梁水毀的重要原因［1］。橋墩局部沖刷是一個動態(tài)三維問題［2］，水動力過程復(fù)雜，文獻(xiàn)中亦不乏大型橋梁建成后實際沖刷深度逼近設(shè)計值而需進(jìn)行沖刷防護(hù)的報導(dǎo)［3-5］。深入了解橋墩的局部沖刷規(guī)律對橋梁安全性和可靠性具有重要的工程意義，大量學(xué)者對此開展了理論分析和試驗研究。理論公式有中國廣泛采用的規(guī)范公式［6］和美國的HEC-18公式［7］。數(shù)值模擬方面，祝志文等［8］利用k-ε紊流模型及雷諾平均方程，對圓柱橋墩和半圓柱橋臺的局部沖刷進(jìn)行模擬，獲得了較好的沖坑形態(tài)，但他們模擬得到的最大沖刷坑位置與物理試驗結(jié)果仍有一定差距。鑒于數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性仍有進(jìn)一步提升的空間［9］，實際工程應(yīng)用中，采用物理模型試驗［10-11］依舊是解決和評估橋墩沖刷問題的常用手段。

之前國內(nèi)關(guān)于此類的研究往往以單樁為研究對象，對于復(fù)雜型式橋墩的沖刷尺度、規(guī)律及沖坑形態(tài)的研究雖也偶見報導(dǎo)，但在預(yù)測沖刷深度領(lǐng)域仍有不足［1］。此外，依托實際工程的橋墩沖刷物理模型試驗多將起沖深度設(shè)在低于承臺下沿的群樁處，考慮不同承臺結(jié)構(gòu)型式阻水效應(yīng)的試驗較少［12-13］。如鄭小穎等［13］利用主因子分析及量綱分析等手段，推導(dǎo)出象山港大橋復(fù)雜橋墩局部沖刷公式，但研究中的水流淹沒深度、床面高度（起沖深度）僅從群樁處開始，未考慮極端情況下承臺的阻水效應(yīng)。國外類似研究相對較早，Yang［14］和Raudkivi［15］等利用等效樁徑的概念，將復(fù)雜樁等效為單樁，泥沙起沖深度不僅包含從群樁處開始，亦包含從承臺處開始。之前大量關(guān)于沖刷的研究，往往側(cè)重最大沖坑深度的預(yù)測，而在定量認(rèn)知局部沖刷的平面涉及范圍上仍存在一定的局限性［16］。此外，學(xué)者郭健等［1］在綜述文獻(xiàn)中指出，考慮圍墾等人類活動對于跨海橋梁基礎(chǔ)沖刷的影響將是今后研究的趨勢，而此類研究公開報導(dǎo)較少。周邊圍墾工程的興建，不僅導(dǎo)致橋梁區(qū)域附近原有流速大小發(fā)生改變，流向也隨之改變，與原有的橋梁軸線法向產(chǎn)生夾角。水流入射角度（亦稱偏向角）對于沖刷坑形態(tài)的影響及局部沖刷精細(xì)發(fā)展規(guī)律［14］，也值得關(guān)注。

因此，有必要針對上述不足并結(jié)合工程實際，進(jìn)一步探究復(fù)雜承臺群樁基礎(chǔ)橋墩的局部沖刷問題。

本文以已建深圳市東寶河特大橋主墩基礎(chǔ)為對象，建立正態(tài)物理模型，考慮水流小角度偏轉(zhuǎn)的因素，分析橋墩基礎(chǔ)半掩埋條件下的局部沖刷深度、沖刷坑水平尺度、沖坑形態(tài)及其變化規(guī)律，定量刻畫因周邊圍墾工程導(dǎo)致的沖刷形態(tài)影響，以為類似復(fù)雜橋墩型式的橋梁安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程位置及橋墩結(jié)構(gòu)型式

東寶河特大橋位于深圳市東寶河入?？谔?，受珠江口潮汐動力及河道徑流的共同作用。東寶河河口外西側(cè)為擬建圍填海工程和泄洪整治工程，擬建工程項目將改變已建橋墩所在水域的水動力條件。各工程項目地理位置關(guān)系如圖1所示。

大橋主墩基礎(chǔ)為群樁承臺結(jié)構(gòu)，承臺設(shè)計頂標(biāo)高為2.5 m（85高程，下同），兩側(cè)邊塔承臺平面尺寸為9.2 m×14.3 m（長×寬），中間塔承臺平面尺寸為14.3 m×14.3 m（長×寬），厚度為5.0 m。兩側(cè)邊塔承臺下各設(shè)6根，中塔承臺下設(shè)9根直徑2.5 m的鉆孔灌注樁，各橋墩位置、結(jié)構(gòu)尺寸及橋墩模型實景照片如圖2所示。

1.2 橋梁區(qū)域水域條件

橋梁所在海域的波浪基本特征為無浪日居多，波高小于0.5 m的波浪占比在90%以上，且主要以風(fēng)浪為主，涌浪較少。波浪傳至東寶河河口附近已經(jīng)較小，傳播至橋梁所在區(qū)域波浪更小。潮汐為不規(guī)則半日混合潮，橋墩處于徑流和潮流共同作用的感潮河段，落潮最大流速均大于漲潮最大流速?？菟谧畲舐涑绷魉贋?.72 m/s，最大漲潮流速為0.64 m/s［17］。橋梁區(qū)域所在河流輸沙主要以懸移質(zhì)為主，含沙量較小。橋梁

區(qū)域底質(zhì)組成以淤泥為主，橋墩周圍中值粒徑平均值為0.01 mm。橋墩處地質(zhì)組成自上而下依次為淤泥、粗砂、粗砂夾礫砂、全風(fēng)化混合片麻巖、強(qiáng)風(fēng)化混合片麻巖等土層。可沖刷部分主要為地質(zhì)上層的淤泥層和粗砂層，淤泥層層底標(biāo)高約為-9.90～-10.86 m，粗砂層層底標(biāo)高約為-17.30～-18.26 m［18］。

2 研究方法

2.1 橋梁區(qū)域水動力變化數(shù)值模擬及分析

通過MIKE 21軟件［19］建立東寶河河口二維潮流數(shù)學(xué)模型，旨在為物理模型試驗提供邊界條件。選擇兩種極端水文條件作為代表工況：① 徑流作用為主導(dǎo)，重現(xiàn)期100 a一遇洪水+常遇大潮潮型；② 以潮流作用為主導(dǎo)，重現(xiàn)期100 a一遇潮型+重現(xiàn)期2 a一遇洪水，計算分析河口圍填海工程實施前后橋梁區(qū)域水動力變化情況，計算中均不考慮橋墩［18］。根據(jù)計算結(jié)果，在工況①下：工程實施前橋墩處最大流速為1.74 m/s，對應(yīng)水深3.48 m；工程實施后橋墩處最大流速為2.03 m/s，對應(yīng)水深2.88 m。在工況②下：工程實施前橋墩處最大流速為0.43 m/s，對應(yīng)水深2.75 m；工程實施后橋墩處最大流速為0.48 m/s，對應(yīng)水深2.68 m。依據(jù)現(xiàn)場觀測及潮流模型計算結(jié)果，流向與橋墩軸線最大夾角為5°，因此取0°和5°用以判斷水流偏向角對于沖刷坑的影響，并提取潮流數(shù)學(xué)模型中橋墩處的水深和流速，最終得到物理模型試驗的水動力條件（見表1）。

2.2 物理模型試驗設(shè)計

物理模型按照正態(tài)模型設(shè)計，模型中的水流運(yùn)動需滿足重力相似、阻力相似，并考慮垂直比尺限制條件，模型中的泥沙運(yùn)動需滿足起動相似、水下休止角相似等［20］。另考慮到試驗水槽邊壁的影響，模型中橋墩壓縮比不宜過?。?1］。綜合考慮后，確定本次試驗幾何比尺為1∶15。模型試驗在交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院長50.0 m、寬8.0 m的實驗水槽中進(jìn)行，動床段長12 m，深0.70 m。模型布置及邊界條件如圖3所示。

模型兩端為水流控制邊界，采用循環(huán)水泵及變頻器調(diào)速控制水流流速；水位由尾門控制，通過高精度自動水位儀實時監(jiān)測；水流的測量采用多普勒三維流速測試系統(tǒng)；橋墩附近床面高程變化采用探頭式水下高頻超聲波測距系統(tǒng)實時測量；橋墩周圍床面和局部沖坑形態(tài)采用三維激光掃描儀進(jìn)行四向測量后，搭配點云后處理軟件進(jìn)行拼接處理和后處理數(shù)據(jù)的提取。

橋墩局部沖刷模型中，模型沙的選擇依據(jù)泥沙在水流動力下的起動相似原則為主。選用河床表層泥沙（D50=0.01 mm）為原型代表沙樣，根據(jù)張瑞瑾公式［22］計算，平均水深3.17 m時，泥沙起動流速約為1.05 m/s。在幾何比尺為1∶15的條件下，起動流速相似比尺約為3.873，模型水深約0.21 m，模型起動流速0.27 m/s。實驗室中選取D50=0.203 mm的天然沙作為模型沙，以1∶15的幾何比尺進(jìn)行水槽泥沙動力特性試驗，該模型沙起動流速約為0.25 m/s，實際流速起動相似比尺為4.2，與計算相似的比尺（3.873）偏差較小，可以滿足大橋主墩附近區(qū)域泥沙流速起動相似要求。模型沙采用天然沙，泥沙顆粒加速度與水下休止角相似條件可自然滿足［23］。

洪水徑流和潮汐共同作用的往復(fù)流導(dǎo)致的橋墩沖刷深度，較洪水徑流作為恒定流導(dǎo)致的橋墩沖刷深度小，且沖刷平衡時間長，因此試驗中選取對橋墩局部沖刷最不利條件作為試驗條件：沖刷洪水采用恒定流控制，流速采用洪峰最大流速，水深采用流速最大時刻對應(yīng)水位。東寶河流域洪水一般由暴雨或臺風(fēng)造成，整個過程持續(xù)時間一般不超過48 h，因此試驗時間按照原型2 d施放。試驗中的河床起沖高程根據(jù)2020年5月橋梁附近的水下地形測量結(jié)果（-1.74 m）確定。

為測定局部沖刷深度發(fā)展過程，并討論不同水流方向?qū)_刷情況造成的影響，在橋墩承臺側(cè)壁布置了28個水下高頻超聲波測距探頭，對橋墩周圍的床面高程變化進(jìn)行實時測量。根據(jù)橋墩承臺組成個數(shù)和河道左岸和右岸的位置，將傳感器布置分為6個區(qū)域，具體布置見圖4。

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 橋墩周圍流場變化特征

橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)主要包括墩前向下水流、墩前水面涌波和尺度較大的渦旋體系［24-25］。渦旋體系［26］是一種綜合水流結(jié)構(gòu)，包括墩前沖刷坑邊緣形成的，繞橋墩兩側(cè)流向下游的馬蹄形漩渦、橋墩兩側(cè)水流分離引起的尾流漩渦。渦旋體系在墩后和兩側(cè)還不斷地由床面釋放出小漩渦，向水面發(fā)展。

受橋墩上方承臺及下方群樁阻水影響，部分水流受阻后轉(zhuǎn)向水面，引起水面壅高，橋墩上下游流速減緩。水流經(jīng)過承臺前緣所在斷面后，橋墩兩側(cè)形成繞流且流速增大。由于承臺下方群樁阻水，來流受阻后部分轉(zhuǎn)向床面，產(chǎn)生下潛水流，并在近床面處形成一橫軸反向漩渦。該漩渦與來自上游底部的縱向水流結(jié)合在一起，形成繞樁且靠近床面流向下游的馬蹄形漩渦。在馬蹄形漩渦作用下，樁周床面泥沙被沖起帶向背流側(cè)［27］。以5°試驗工況（見圖5）為例，可以看出橋墩左岸側(cè)的繞流現(xiàn)象較橋墩右岸側(cè)更為明顯。

3.2 局部沖刷發(fā)展過程及沖坑形態(tài)特征

圖6～7給出了各試驗工況下橋墩代表特征監(jiān)測點（1～28號）處沖刷深度隨時間的變化曲線。當(dāng)沖刷開始時，橋墩附近床面泥沙受到承臺和群樁周圍水流的作用，在迎流側(cè)承臺前端逐漸形成沖刷坑。隨著沖刷繼續(xù)進(jìn)行，沖刷坑的前后范圍和深度逐漸增加，并向兩側(cè)延伸。試驗自開始至1 h內(nèi)，承臺1附近（1～8號，26～28號）沖刷坑快速形成，沖坑深度劇烈增加，沖刷深度占總沖刷深度的60%以上；由于工程實施后較工程實施前水深淺、流速大，工程實施后承臺1附近

沖刷坑形成時的增長速度大于工程實施前。由于泥沙之間的相互阻礙作用，隨著沖刷時間的增加，沖刷坑不斷發(fā)展，從沖刷坑內(nèi)沖走的泥沙愈來愈少，試驗第2～10 h內(nèi)，沖刷坑深度的增長速度逐漸放緩并趨于動態(tài)平衡狀態(tài)。第10～12 h，承臺1附近沖坑無明顯變化，此時認(rèn)為沖刷達(dá)到動態(tài)平衡，試驗最終停止。以5°試驗工況為例（見圖8），橋墩處達(dá)到最大沖刷深度是一個動態(tài)平衡的狀態(tài)，此時橋墩下游沙丘的沖刷仍在繼續(xù)進(jìn)行，從沖刷坑流出的水流把沉積形成的沙丘不停拉平，并逐漸推向下游。

3.3 水流偏向角沖刷影響對比與機(jī)理分析

從圖9中可以看出，水流偏向角對橋墩周圍床面沖刷的影響體現(xiàn)在橋墩整體沖刷深度變化與橋墩兩側(cè)沖刷深度的差異。

對于橋墩整體沖刷深度變化而言，各組次下承臺前緣沖刷情況均為中部沖刷深度最大，向兩側(cè)遞減。當(dāng)水流偏向角為5°時，各代表特征監(jiān)測點的沖刷深度普遍高于0°工況。平均沖刷深度增大是由于在有一定水流偏向角情況下，橋墩迎水面對水流產(chǎn)生的阻力更大，水流在受阻后產(chǎn)生更強(qiáng)的下降水流，增強(qiáng)了對底部泥沙的沖刷。來流角度增大而引起的沖刷加劇在Yang等［2，14］的試驗和其他文獻(xiàn)中［28］也有報道。另一方面，5°時由于偏向角較小，墩側(cè)水流受到側(cè)壁阻力后在墩尾流速降低，墩尾沒有直接受到水流頂沖，因此墩尾分流未能與背水面低速區(qū)形成墩尾的渦流體系，因此沖刷坑只在墩前形成，墩尾處沖刷均較弱甚至產(chǎn)生淤積。

工程實施后沖刷試驗表明，橋墩左岸側(cè)（4～8號）的沖刷深度相較模型中橋墩右岸側(cè)（1～2號，26～28號）增加明顯，水流偏向角為0°與5°時，橋墩前部左岸側(cè)平均沖刷深度分別為38.24 cm和51.60 cm，右岸側(cè)平均沖刷深度分別為31.03 cm和36.89 cm，左岸側(cè)沖刷深度相較右岸側(cè)增加明顯。這是由于橋墩受到水流偏向角的影響，橋墩迎水面積增大，橋墩左岸側(cè)不僅受到與橋墩軸線平行的縱向水流作用，同時還會受到與軸線垂直的橫向水流作用。此外，橋墩左岸側(cè)背水面受到承臺的遮蔽作用，流速較慢，形成低速區(qū)，縱向水流與橫向水流經(jīng)過承臺前緣形成的高速射流與該低速區(qū)相匯，形成大面積的旋渦區(qū)，加強(qiáng)了對該位置泥沙的沖刷。隨后，泥沙在縱向水流的作用下繼續(xù)向下游輸移。值得注意的是，0°工況下出現(xiàn)小幅淤積的13號和21號監(jiān)測點處，5°工況下淤積增強(qiáng)，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是墩側(cè)水流受到流速梯度的影響而形成了豎直方向的旋渦，該旋渦在水流的作用下不斷擴(kuò)散至下游，到達(dá)橋墩后部內(nèi)凹處的低速區(qū)后發(fā)生沉積，導(dǎo)致該位置處泥沙淤積。受到水流偏向角的影響，墩側(cè)水流產(chǎn)生的旋渦增強(qiáng)，導(dǎo)致墩后低速區(qū)泥沙沉積量增加。

3.4 最大沖刷深度、尺度及沖刷坑形態(tài)分析

4組工況（A、B、C、D）所得最大沖刷深度原型值分別為7.32，7.92，8.60 m和9.20 m。以組次C為例，依據(jù)HEC-18［7］公式，該試驗條件下所得最大沖刷深度為9.67 m，試驗值小于規(guī)范計算值（HEC-18計算值偏大的報道在其他文獻(xiàn)中亦有提及［29］），這與規(guī)范中將不同橋墩承臺型式、樁基布置埋深等歸一為等效樁徑［15］有關(guān)。依據(jù)HEC-18公式計算得到的等效樁徑約為13.78 m，接近于承臺寬度，承臺在此公式中基于疊加法［30］所得等效樁徑的占比較大，達(dá)84%，是群樁貢獻(xiàn)的5倍以上。因承臺的作用占比大，其較大的阻水作用及產(chǎn)生更大的下潛水流導(dǎo)致沖刷尺度較大。

以水流偏向角0°為例，沿橋墩縱軸線的沖刷典型剖面見圖10。圖10中均見到3個明顯沖刷坑。受上部復(fù)雜承臺結(jié)構(gòu)和下部群樁基礎(chǔ)的影響，沖刷坑形態(tài)空間分布上與單樁沖刷形態(tài)有一定差異，但總體趨勢一致，呈現(xiàn)出前側(cè)沖坑尺度最大且呈倒圓錐形，隨后依次遞減，至尾部呈現(xiàn)淤積的沙脊形態(tài)。此外，第二和第三個沖坑較第一個沖坑的坡度明顯降低，呈半橢圓狀。此多坑形態(tài)在熊文等［5］的數(shù)值模擬雙柱墩沖刷工作中亦有提及，沖刷后立面圖分布與本次研究形態(tài)基本一致。水流因被最前端樁阻擋遮蔽，到達(dá)后方時流速剪切紊流動能減弱，產(chǎn)生的沖刷較溫和。但他們的雙柱墩沖刷數(shù)值模擬結(jié)果沒有捕捉到尾部的沙脊淤積形態(tài)，可能是橋墩形式及起沖深度的區(qū)別導(dǎo)致的。由圖10中兩組工況亦可知，由于工程實施后流速增大，產(chǎn)生的沖刷坑較深，橋墩后方產(chǎn)生的沙脊高度也較高，這是由于沙脊的堆積高度基本與墩周圍的泥沙沖刷量一致［25，31］。沿流線方向各組次局部沖刷形態(tài)及組次變化見圖11～12。如圖11可見，在較大流速作用下，沖刷坑范圍明顯加大，最大沖刷加劇亦發(fā)生在橋墩的最前方，增加值接近2 m，后方的沙脊堆積反而增大，同時軸線兩側(cè)的沖刷亦有加劇。沖坑形態(tài)基本呈左右對稱趨勢，沖坑兩側(cè)向后方均有小幅擺動，橋墩兩側(cè)沖刷槽基本呈對稱形態(tài)。圖12為水流偏向角為5°時工程實施前后沖刷對比。此時沖坑形狀受橋墩縱軸線與水流方向的夾角影響，向左岸側(cè)擺動，末端呈明顯勺狀。自承臺前部至中間主承臺前端附近第二排橋墩處，承臺上游沖坑深度逐漸減小，橋墩兩側(cè)的沖刷槽向下游雙向延伸。橋墩兩側(cè)沖刷槽亦與繞墩水流集中區(qū)域一致，左岸側(cè)沖刷槽由于迎流方向面積更大而更為明顯。承臺2和3之間的形狀內(nèi)凹處為弱回流區(qū)，為泥沙落淤提供了一定的時間和空間條件，故橋墩兩側(cè)該位置均有丘狀淤積體。而在橋墩下游區(qū)域，出現(xiàn)明顯的帶狀淤積丘，淤積丘在承臺后方淤積最強(qiáng)，向下游和兩側(cè)逐漸減小。

本文給出最大沖刷尺度包括：各高程等值線切面上的最大沖坑影響范圍沿橋墩縱軸線長度定義為a，垂直橋墩縱軸線長度定義為b，沖坑最大沖刷長度定義為l，包絡(luò)面積綠色范圍內(nèi)定義為s（見圖8）。試驗得到的最大沖刷尺度見圖13。本次研究的橋墩結(jié)構(gòu)為上部承臺、下部群樁的組合結(jié)構(gòu)（見圖1），且起沖床面位于承臺底部之上，因此二者的聯(lián)合作用直接影響了沖坑深度、沖坑形態(tài)及不同等值線切面上的影響范圍。由于工程實施后組次橋梁區(qū)域附近水深淺、流速大，導(dǎo)致局部沖刷更為劇烈，水流偏向角為0°和5°時工程實施后橋墩最大沖刷深度較實施前分別增加約17%和16%，水動力條件的變化不僅影響橋墩最大沖刷深度，同樣影響橋墩沖坑影響范圍，各等值線切面上的沖坑影響范圍同樣表現(xiàn)為工程實施后大于工程實施前，且隨等值線切面高程絕對值增加而增加。以0°時為例，工程實施后-4～-8 m等值線切面包絡(luò)面積s較工程實施前分別增加約7.5%，9.8%和25.9%（見圖13）。由圖13還可知，所有工況的影響面積s均表現(xiàn)出-6～-4 m等值線切面上的增加幅度大于-8～-6 m的特征，這意味著沖刷坑靠近原沖刷面時，沖坑截面面積增幅擴(kuò)大，同其他試驗結(jié)果類似［31］。

對于沖坑縱向影響范圍a，床面較高時，主要受承臺阻水面形成的下潛水流的影響，由于工程實施前水深大于工程實施后，因此a在-4 m等值線切面上表現(xiàn)為工程實施前總體大于工程實施后（見圖13），0°時工程實施前后的a值分別為22.28 m和20.71 m，5°時分別為26.59 m和24.79 m。隨著沖坑深度增加，承臺的影響減弱而轉(zhuǎn)為水流對下部群樁的作用，工程實施后水流流速更大，因此a在-6～-8 m等值線切面上表現(xiàn)為工程實施后大于工程實施前，以0°時為例，a值在-6 m和-8 m等值線切面上工程實施后較工程實施前分別增加19%和36%。另一方面，工程實施后較小的水深限制了沖刷坑的沿流線方向的發(fā)展，縱向影響范圍a從-6～-4 m處增幅明顯衰減，而工程實施前時基本呈線性增加。對于沖坑橫向影響范圍b，主要受承臺和群樁阻水面積的影響，隨著水流偏向角從0°增加到5°，承臺和群樁的阻水面積小幅增加，最終表現(xiàn)為相同試驗條件下5°時b值略大于0°（見圖13）。較小的水深同樣限制了沖刷坑的垂直于流向方向的發(fā)展，工程實施后沖坑橫向影響范圍b從-6～-4 m處增幅明顯衰減，而工程實施前依舊基本呈線性增加。對于沖坑最大沖刷長度l，主要受水流偏角的影響，當(dāng)水流流向偏轉(zhuǎn)為5°時，沖坑形態(tài)向左岸側(cè)擺動且末端呈明顯勺狀，導(dǎo)致l值明顯大于0°（見圖13）。以-4 m等值線切面為例，工程實施前0°和5°時l值分別為30.23 m和42.29 m，工程實施后0°和5°時l值分別為33.93 m和44.57 m。5°時l的斜率（星花記號）增幅高于0°時，沖坑最大沖刷長度在小角度斜向入射時隨等值線增加表現(xiàn)出非線性增加趨勢，越接近原床面，增幅越大。

4 結(jié) 論

本文以深圳市東寶河特大橋復(fù)雜承臺群樁基礎(chǔ)橋墩為研究對象，開展正態(tài)物理模型試驗，分析橋墩周邊新建圍填海和河口泄洪整治工程引起的代表性水動力條件變化對橋墩局部沖刷的影響，得到如下結(jié)論。

（1） 模型試驗經(jīng)歷約12 h達(dá)最大沖深，沿流線方向呈現(xiàn)3個沖刷坑，前側(cè)最大，呈倒圓錐形態(tài)，隨后依次遞減，至尾部為呈現(xiàn)淤積形態(tài)的沙脊。受上部復(fù)雜承臺結(jié)構(gòu)和下部群樁基礎(chǔ)的影響，試驗中的多坑形態(tài)空間分布上與單樁沖刷形態(tài)有一定差異，但總體趨勢一致。第二和第三個沖刷坑較第一個的坡度明顯降低，呈半橢圓狀。橋墩兩側(cè)的沖刷槽向下游雙向延伸。橋墩下游出現(xiàn)明顯的帶狀淤積丘，淤積丘在承臺后方淤積最強(qiáng)，向下游和兩側(cè)逐漸減小。

（2） 水流偏向角對橋墩周圍沖刷產(chǎn)生一定影響，在偏向角為5°時，橋墩周圍床面的整體沖刷深度增加，橋墩前緣的沖刷深度增加量最大，而橋墩背水面的沖刷深度增幅最大，但在背水面墩尾處沖刷強(qiáng)度減弱甚至產(chǎn)生淤積。同時，橋墩左岸背水面形成的旋渦體系顯著增加了對該側(cè)床面的沖刷，沖刷坑向左岸側(cè)擺動，末端呈明顯勺狀，橋墩左岸側(cè)沖刷深度相較右岸側(cè)增加明顯。

（3） 橋墩最大沖刷尺度受橋梁區(qū)域附近水動力變化的影響，較工程實施前工程實施后水深淺、流速大，沖刷更為劇烈，水流偏向角在0°和5°時最大沖刷深度分別增加17%和16%。沖坑形態(tài)亦受到橋梁區(qū)域附近水動力變化的影響，工程實施后的沖坑橫向、縱向?qū)挾群蜎_坑最大沖刷長度均大于工程實施前。當(dāng)水深較小、流速較大時，沖刷坑水平方向尺寸增幅趨勢隨高程增加而放緩，而沖坑橫截面面積則隨高程升高增加顯著。

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（編輯：胡旭東）

Abstract：

In order to study the influence of hydrodynamic conditions change on the local scour of bridge foundation of complex cap pile group，the main pier foundation of Dongbao River Bridge was taken as a research object.A large-scale（1∶15）normal physical model test was carried out to study the shape and scale of local scouring pit，and the dynamic response of scouring process under different flowing angles and hydrodynamic conditions.The results showed that the scouring effect of small deflected flow on piers was generally enhanced.After the implementation of the new projects around the bridge，the water depth around the pier became smaller，the flow velocity became larger，and the influence range of the scouring pit increased.When the flow deflection angle were 0°and 5°，the maximum scouring depth increased by 17% and 16% respectively.Under the combined influence of the complex cap structure and the water-blocking effect of the pile group，the scale of the three scouring pits generated along the axis of the pier decreased in turn，and the sand ridge was deposited at the end of the scouring pit.The scouring pit changed from inverted cone to semi-elliptical shape on the elevation，and with the increasing of elevation，the increase of the horizontal size of the scouring pit slowed down，while the cross-sectional area increased significantly.The research results can provide reference for the safe operation of bridges with similar complex pier types.

Key words：

complex cap pile group foundation；local scouring；scouring pit shape；scouring pit scale；hydrodynamic condition；normal physical model