Page 45 - 2021年第52卷第10期

将某个时段增量Δt 内的冲刷深度增量定义为Δd ，根据试验数据，可求出该时段内的冲刷深度变
s
化速率 dd /dt 随时间 t 的变化关系，如图 5 所示。
s
1 1
h=15cm 10 -1 h=10cm
v=0.26m/s
v=0.22m/s
-1
10
（cm · s -1 ） 10 -2 D=3cm A4（明流）dd s/dt=1.36t -1.15 （cm · s -1 ） 10 -2 D=4cm A6（明流）dd s/dt=1.36t -1.16
dd s/dt/ 10 -3 B4（冰盖）dd s/dt=0.69t -1.02 dd s/dt/ 10 -3 B6（加盖）dd s/dt=0.49t -0.98
10 -4 10 -4
10 -5 10 -5
0 5000 10000 15000 20000 25000 0 5000 10000 15000 20000 25000
t/s t/s
（a）A4、B4 （b）A6、B6
图 5 冰盖和明流条件下冲刷速率随时间变化

由图 5 可以看出，冰盖与明流条件下冲刷速率变化趋势相似，根据试验数据，拟合曲线 dd /dt 与
s
时间 t 呈指数函数形式。在冲刷刚开始时冲刷发展迅速，平衡时冲刷坑深度和范围主要是在初始冲刷
阶段完成的，随着冲刷坑深度和范围的逐渐发展，冲刷速率快速下降并逐渐变缓，最后冲刷速率曲
［11］
线逐渐走平，曲线斜率渐趋于 0。图 6 是根据 Hains 的试验数据计算绘出的，图 5 和图 6 遵循了同样
的定性规律。

1
h=22cm
10 -1 v=0.198m/s
D=5.08cm 明流
（cm · s -1 ） 10 -2 -3 冰盖
dd s/dt/ 10 -4
10
-5
10
0 20000 40000 60000
t/s
［11］
图 6 冰盖和明流条件下冲刷速率随时间变化（Hains 试验数据）
冲刷坑深度受近床切应力大小影响，近床切应力与近床速度梯度有关，水深的大小影响了流速
分布，从而影响到近床流速梯度及切应力，最终影响到冲刷坑深度。当水深增加时，过水断面最大
流速点距床面距离会增大，近底流速和近底床面切应力随之变小，桥墩附近局部冲刷能力也会变
小，因此，在相同时间内，水深较大时，冲刷坑的发展速度较慢。冰盖的存在会使得最大流速点更
靠近河床，床面近底流速梯度和切应力增大，从而使得冲刷比明流条件更严重。图 7 和图 8 为不同条
件下冰盖和明流条件下冲刷速率随时间变化图。冰盖和明流条件下桥墩局部冲刷速率随水深变化趋
势一致，水深越大，在同一时刻的冲刷速率越小，冲刷坑发展速度越慢，但随着水深增大，冲刷平

1 1
v=0.22m/s v=0.22m/s
-1 D=4cm -1 D=4cm
（cm · s -1 ） 10 -2 B6（h=0.1m） （cm · s -1 ） 10 -2 A6（h=0.1m）
d 50=0.714mm
d 50=0.714mm
10
10
A8（h=0.15m）
B8（h=0.15m）
dd s/dt/ 10 -3 B10（h=0.2m） dd s/dt/ 10 -3 A10（h=0.2m）
10 -4 10 -4
10 -5 10 -5
0 5000 10000 15000 0 5000 10000 15000
t/s t/s
（a）冰盖条件 （b）明流条件
图 7 冰盖和明流条件下冲刷速率随水深变化
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