桩群绕流后方流态影响区段比较测试研究

邓绍云 邱清华 王义刚

（伊犁师范学院建筑工程系1） 伊宁 835000） （河海大学港口海岸与近海工程学院2） 南京 210098）

桩群在土木水利工程中具有广泛地应用，随着交通事业的飞速发展，桥梁规模的提升及港口码头工程规模的增大，桩群基础越来越显示其独到的优越性而被人们所青睐［1－4］.桩群埋设于泥土置于水流中必然导致水沙运动特性的改变，其改变的特性与桩群中桩柱的种类、布设，及水流泥沙特性等诸多因素都有关系［5－8］.为探索绕流不同桩群水流流态变化影响性质和程度的差别，本文进行了大量组次的水槽试验.

1 研究方法

试验进行于宽5m，长30m的宽长水槽中，桩群置于水槽中轴线中心区域，并依据有关文献［9－12］充分考虑水槽边壁的影响.

1.1 试验桩群

测试对象为由圆柱或方柱组成的外包络线长0.33m、宽0.11m，矩形排列的10个不同桩群，桩柱数目N＝m×n，桩群横向每排m根桩柱，纵向n个排架，见表1.定义：阻水率为垂直流向桩柱直径总和除以桩群宽度，并用DH 表示；排架密度为顺流向一排桩柱直径总和除以桩群长度，并用DV表示；流态影响区段宽度与桩群宽度比值为相对影响宽度并用XB表示；流态影响区段长度与桩群长度比值为相对影响宽度并用XL表示；桩柱直径用D表示.

表1 试验桩群特征描述

1.2 试验组次

试验过程中，水深始终保持在0.1m，见表2.在不同的桩群、不同的水流流速和不同的迎流角的不同组合下，进行比较试验.

2 研究内容与分析

桩群绕流可看为多个单桩绕流有规律性的组合结果，其组合效果跟桩群的桩柱排列方式有密切关系，对流态的影响可以从后方水流的紊动范围和程度来衡量，进而从后方绕流所产生的马蹄形漩涡和尾涡的数量和大小及影响水流宽度和水流恢复区段长度来衡量.

测试中，向水流中撒入珍珠岩粉，并将高清晰度数码相机固定在桩群绕流区段的正前上方，并固定一人高度，全过程地进行监视录像，所拍照片见图1，加以比较，测量出绕流后方漩涡影响宽度和影响区段长度，见表3～表6及图2～图9.

表2 试验组次描述

图1 绕流不同桩群流态情形对比

表3 无迎流角不同流速下绕流不同桩群流态影响区段相对宽度

表4 迎流角为10°不同流速下绕流不同桩群流态影响区段相对宽度

表5 无迎流角不同流速下绕流不同桩群流态影响区段相对长度

表6 迎流角为10°不同流速下绕流不同桩群流态影响区段相对长度

图2 不同阻水率同排架密度时绕流影响相对宽度与水流雷诺数的关系

图3 相同阻水率不同排架密度时绕流影响相对宽度与水流雷诺数的关系

图4 迎流角为10°时不同阻水率同排架密度时绕流影响相对宽度与水流雷诺数的关系曲线

图5 迎流角为10°时相同阻水率同排架密度时绕流影响相对宽度与雷诺数的关系曲线

图6 不同阻水率同排架密度时桩群绕流影响相对长度与雷诺数的关系曲线

图7 相同阻水率不同排架密度桩群绕流影响相对长度与雷诺数的关系曲线

图8 迎流角为10°时不同阻水率同排架密度是桩群绕流影响相对长度与雷诺数关系曲线

图9 迎流角10°同阻水率不同排架密度时桩群绕流影响相对长度与雷诺数的关系曲线

3 结 论

流速对桩群绕流有很大影响，流速越大，也就是雷诺数越大，桩群绕流两侧流向下游的马蹄形旋涡和后方尾流旋涡尺寸越大、越明显，绕流紊动越剧烈，影响区域更宽更长；桩柱密度对桩群绕流也有影响，桩柱密度越大则绕流越明显，越接近单桩柱绕流特性，马蹄形涡旋和尾流旋涡尺寸越大、越明显；当组成桩群的桩柱很稀疏时，桩群绕流很不明显，马蹄涡旋和尾流旋涡尺寸很小、很微弱.对桩群绕流特性的影响程度，桩群横向桩柱密度大于纵向桩柱密度；迎流角对桩群绕流特性影响很大，微小的一个迎流角，将导致桩群后方尾流区域变得较桩群迎流角为零布置情况宽得多，而且，迎流角对绕流特性的影响，对于桩柱密度大的桩群，其程度大于对于桩柱密度小的桩群.

［1］郑薇薇.不同排列桩群对水流特性影响的试验研究［D］.石家庄：河北工程大学，2009.

［2］邓绍云，王义刚，邱清华.有限深度均匀流中圆柱桩群绕流对流速的影响［J］.水运工程，2011（4）：55－59.

［3］王春华.高桩码头桩群对流场及底床影响试验研究［D］.南京：南京水利科学研究院，2010.

［4］杨 星，王娅娜.基于阻力相似条件下的桩群物理模型设计方法［J］.四川大学学报：工程科学版，2010（3）：44－48.

［5］陈爱华，杨 星.桩群绕流阻力物理模型试验测量技术研究［J］.水道港口，2009（4）：50－53.

［6］黄本胜，程香菊，袁丽蓉，等.码头桩群对河道行洪与流场影响的三维数值模拟［J］.水动力学研究与进展：A辑，2010（1）：30－34.

［7］杨 星，李朝方，刘志龙.桥梁桩群存在条件下的河道水面线计算方法研究［J］.华中师范大学学报：自然科学版，2011（3）：102－105.

［8］任方方，郭巨海，李高阳，等.有桩群河道水流紊动特性探究［J］.人民长江，2011（10）：35－39.

［9］张远君.流体力学大全［M］.北京：北京航空航天大学出版社，1991.

［10］刘应中，缪国平.高等流体力学［M］.上海：上海交通大学出版社，2000.

［11］HONEMER S F.Fluid dynamic dray［M］.Washington，D.C，1958.

［12］邓绍云.圆柱桩群阻力特性及其对地床冲淤影响的研究［D］.南京：南京水利科学研究院，2007.