Page 96 - 水利学报2021年第52卷第6期

2 试验设计及条件

2.1 基本设置与观测 试验在北京交通大学水动力灾害实验室的玻璃水槽进行，水槽长 6 m、宽

0.25 m、高 0.22 m，纵向坡度可调。水槽底部铺设的床沙为中值粒径 0.6 mm 均匀石英砂，铺沙厚度
0.06 m，铺沙长度 4.00 m，铺沙段的起、止位置分别距离水槽首、尾端各 1 m，铺沙宽度与水槽同
宽。群桩冲刷试验采用 4 根直径 D 均为 1.0 cm 的圆柱桩，垂直埋入沙层，在水槽中心位置作井字型
（或称正方形）布设，中心线与水流方向一致，主要研究各桩间净距 G 影响下的局部冲刷。以上设置
如图 1 所示。

（a）平面布置 （b）横剖面
图 1 试验设计示意图（单位：m）

冲刷试验的群桩间距分别为 2.0D、1.5D、1.0D 和 0，满
足群桩最大阻水宽度与水槽宽度之比小于 1/6。关于群桩冲
刷的抛石防护试验设计，因考虑到已有研究认为，桩间距
对防护设计影响不大 ［14］ ，因此，本试验专门针对产生最大
冲刷的零桩间距进行。抛石的平面范围以群桩中心为原点
0，向上、下游扩展的尺度 a、b 分别为 8D 和 10D，抛石层
上表面与水槽内铺设的沙床面平齐，见图 2。垂向厚度 Δh
为变量，试验分别对 Δ h=0.5D、1.0D、1.5D 的防护效果进
行了观测。
试验前首先进行预备实验，即在无桩柱条件下调试水
流条件，通过调节水槽坡度和尾门，观测沿程水面比降使
之等于水槽底坡。水面比降采用沿流程布置的 4 个数字水
位计观测。同时，采用 ADV 流速仪检测垂向流速分布，使 图 2 抛石防护试验布置
水流达到均匀流状态。试验中冲刷坑的最大深度采用柱面
刻度观测，其余坑内各点的深度分布采用地形仪观测。在上、下游桩周围分别布置了冲刷深度量测
点，上游桩周测点编号为 A1、B1、C1、D1，下游桩周为 A2、B2、C2、D2，测点位置如图 1 所示。
冲刷过程中坑形 （冲刷深度分布） 的量测，将测点加密布置，相邻测点间距为 0.005m。
2.2 试验的水沙参数及组次 水面纵比降等于水槽坡度 J，设 J=0.09%，水流流量 Q=2.78×10 m /s，
3
-3
水深 h=0.05 m，时均流速 U=0.22 m/s。根据沙莫夫公式，计算得到床沙的起动流速 U =0.26 m/s，此水
c
流条件（U/U =0.85）下局部冲刷状态为清水冲刷。群桩冲刷试验主要针对前述桩间距的影响开展。抛
c
石防护试验选用了 3 组中值粒径均为 d =2.0 mm 的非均匀粒径混合抛石料，中值粒径较由式（1）
［14］
r，50
计算的 2.3 mm 略小 13%。
d D = 0.42F 1.68 （1）
r，50 D
式中 F = U gD ，为桩弗劳德数，本文 F =0.70。
D
D
对实验沙料进行筛析，得出本试验所用混合抛石料的级配曲线如图 3 所示。各曲线的抛石料非均
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