Page 95 - 水利学报2021年第52卷第6期

水 利 学 报

2021 年 6 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 6 期

文章编号：0559-9350（2021）06-0723-08

群桩冲刷及抛石级配与厚度对防护效果的影响

齐梅兰 ，周马生 ，汤改春 1
2
1
（1. 北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2. 中国路桥工程有限责任公司，北京 100011）

摘要：水下群桩不可避免地发生局部冲刷而使桩基埋深减小，影响上部结构的安全，因此，群桩冲刷及其防护措
施十分值得研究。通过实验室水槽试验和结果分析，研究了井字形排列群桩的间距与冲刷深度变化的关系，进而
研究抛石颗粒的级配及抛石层厚度对冲刷防护效果的影响。研究发现，桩间净距的增大可使群桩局部冲刷深度减
小，与桩间零净距相比，当达到临界最大桩间净距时冲刷深度可减小 50% ~ 60%，临界最大桩间净距与桩弗劳德
数有关；在冲刷过程的前 30%时段，群桩冲刷速率较之单桩偏小约 30% ~ 50%，群桩冲刷达到平衡时的最大冲深
点位于前排桩柱前；与颗粒均匀的抛石料相比，非均匀抛石在较小的抛石层厚度下可取得更优的防护效果；存在
与水动力、桩径、床沙等因素有关的最佳抛石料级配和抛石层厚度，尚需更深入的研究。
关键词：群桩；冲刷；抛石级配；抛石层厚度；防护效果
中图分类号：TV147 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200875

1 研究背景

群桩结构广泛应用于跨河或近海工程的水下基础，群桩冲刷及其防护的研究是必不可少的。冲
刷的防护措施已有多种，但就其机理或功能而言，可分为两大类：（1）削弱造成冲刷的水流动力，如
结构性防护；（2）增强抵抗水流冲刷力，如床面层大颗粒抛石。诸多学者针对单一桥墩的冲刷防护，
研究了结构性防护及其效果，如墩体开缝 ［1-2］ 、设置分流板、环翼式防冲板、水平护圈、导流屏 ［2-6］ 、
牺牲桩 ［7-8］ 等措施。抛石防护因其不改变桥墩或其基础的结构形式，便于工程应用，尤其对群桩基础
［9］
的防护设计具有优越性，抛石防护机理及设计的研究也有很多进展，例如，由水面向下抛石的落距 、
抛石失稳机理和模式条件 ［10-11］ ，等等。本文期望从提高桩群防护效果的角度，研究抛石防护设计的关
键参数。
抛石防护效果与水流动力、桩结构尺度、抛石材料组成、抛石层厚度及抛石平面范围等参数有
关。关于抛石材料，已有研究更多地考虑了均匀抛石颗粒，并将水流动能 ［12］ 、水流弗劳德数 ［13］ 或桩
弗劳德数 ［14］ 视为主要变量。当抛石与床沙的平均粒径之比很大，如大于 20 时，由于底部床沙有自大
块抛石颗粒空隙间析出的可能，因此，有学者提出了抛石层材料需进行级配设计 ［15-16］ 。墩柱周围抛石
的平面范围可根据局部冲刷坑尺度确定，但通常的研究将其设计为墩柱直径的倍数。抛石层的厚度
多设为抛石粒径的 2 ~ 4 倍 ［11，13，17］ 或更多，且抛石层顶面高程等于或低于床面高程将有较好的防护效
果。以往这些冲刷及防护的研究，主要针对单一墩柱、均匀抛石颗粒进行，鲜见针对群桩冲刷和抛
石材料级配及优化防护设计的深入研究。因此，在已有文献的基础上，作者通过水槽试验，首先研
究了井字型排列群桩的冲刷及其发展规律，然后研究了抛石料级配及抛石层厚度对减小局部冲刷效
果的影响。本文所得结果可为水下结构冲刷防护工程设计参考，也为今后开展更深入的研究奠定基础。

收稿日期：2020-07-29；网络首发时间：2021-04-19
网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210416.1614.004.html
/
基金项目：国家自然科学基金项目（51578062）
作者简介：齐梅兰（1956-），博士，教授，主要从事河流海岸动力学研究。Email：mlqi@bjtu.edu.cn
— 723 —