Page 98 - 水利学报2021年第52卷第6期

坑。而随桩距减小，两桩间沙脊渐近消失；当桩间净距趋于零时，群桩冲刷坑形与单桩趋同 ［19］ 。
取出不同桩间距、各特征时刻群桩冲刷坑内的最大深度进行分析，如图 5。由图 5 可知两点：
（1）平衡冲刷深度（t=10 h 时刻）随桩间净距的增大呈非线性减小，在本文实验条件下，桩间距 G/D=2.0
较 G/D=1.5 的冲刷深度相对减小量已接近 2%，表明若 G/D 再增大，冲刷坑则近似于单桩冲刷坑特
征；（2）冲刷过程中（t=0.5、1.0 h 时刻）虽 G/D=1.5 时冲刷深度较其他桩间距情况为小，但其平衡冲深
不是最小，这一表现可能因该桩间距状况下的水流随冲刷坑变化特征引起，值得今后深入研究。

图 5 桩间净距对冲刷深度的影响
设使群桩冲刷深度降至最小的最大桩间距为 G /D，则当 G/D>G /D 时，群桩冲刷深度不再随其增
m
m
大而减小。本文试验得到 G /D≈2.0，而其他关于四桩井字形排列的群桩冲刷研究文献中，该值与本
m
试验结果有所不同，为 G /D=2 ~ 4 不等 ［18，20-21］ 。对此，本文作者分析认为，G /D 的取值应与反映水动
m
m
力和桩直径影响的因素有关，而桩弗劳德数 F 则是表达这两个因素的重要参数。根据本文与文献数
D
据的分析发现，F 与 G /D 有一定的相关性，将其相应数值列入表 1，以供参考。从这些文献和本文
m
D
的试验观测数据还发现，G /D 值相应的群桩平衡冲刷深度与 G/D=0 的平衡冲刷深度之比，约为 0.54 ~
m
0.66。由于群桩冲刷影响因素很复杂，对 G /D 的详尽研究有待继续。
m
3.2 特征纵剖面冲刷深度的分布 分别通过桩群中心 0 点和一列桩中心点，沿水流方向作床面形态
剖面图，如图 6 所示。由图 6 可见，在任何桩间距和冲刷过程的任何时刻，桩群中心剖面冲刷最深点
位置位于前排两桩间，在桩柱中心剖面则位于桩前。冲刷过程中，桩群中心剖面的初期冲刷速率明
显小于桩柱剖面。桩柱中心剖面的平衡冲刷最大深度（设为 S ）大于桩群中心剖面，其差值随 G/D 减
m
小，其对比可见表 2。

表 1 最大桩间距与 F D 表 2 两剖面最大冲刷深度 S m/D 对比

来源 本文 文献［21］ 文献［22］ 文献［19］ G/D 桩群中心剖面 桩柱中心剖面 两剖面相对差/%
2.0 1.95 2.20 11.36
F D 0.70 0.46 0.44 0.37
1.5 2.20 2.25 2.22
F D/D 2.0 3.0 3.5 2 ~ 4
1.0 2.40 2.45 2.04

3.3 群桩局部冲刷深度发展过程表达 以各组试验观测的群桩前排桩前点 A1 的冲刷为例，分析不同
桩间距的冲刷深度发展，并与单桩冲刷进行比较。设 S 为瞬时冲刷深度，t 为时间，S 为平衡冲刷深
e
度，t 为达到冲刷平衡的时间，可会出 A1 点相对冲刷深度（S/S）随相对时间（t/t）的变化，如图 7。从
e
e
e
时间轴两端数据可见：t/t →0 时， G/D 越小（G/D=1.0）冲刷深度越大；t/t →1 时，G/D 越大（G/D=2.0）冲
e
e
刷深度 S/S e 越早趋于 1.0，即冲刷平衡越早达到。3 组数据趋势的外包线如图 7 中黑实线所示，参照
Melville 等针对单桩冲刷提出的冲刷深度随时间变化曲线（图 7 中虚线）的计算公式 ［19］ ：
ì | U | 1.6 ü
S ï | c ln ç ç æ t ö | ï （3）
S = exp í -0.03 | | U t | ÷ ÷ | ø ý
ï
ï
e
î è e þ
本试验所得群桩冲刷发展趋势外包线可写为：
— 726 —