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摘要：为研究复杂结构桩基在多沙河流上的局部冲刷问题，利用1：100正态模型水槽对主河槽中输电塔基的冲刷情况进行了试验，对塔基不同埋深、不同洪水频率条件下的冲刷坑形态进行了观测和分析。结果表明：塔基周围水流流态及流速分布与单桥墩类似，但桩群内部水流流态及流速分布则相对复杂；试验前后塔基前水深、流速的比值分别为0.47～0.64、1.25～1.26；塔基冲刷深度与水流单宽流量成正比，与承台埋深成反比，下游塔基的冲刷深度略小于上游塔基的。
关键词：水槽试验；水流流态；局部冲刷；塔基桩群
中图分类号：P334 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2017.07.014
1研究背景
与河道相关的涉河建筑物主要包括桥梁及大跨越的输电工程。桥墩及输电塔基基础一般位于工程跨河线路河道上，直接与水流接触，河道的局部冲刷是影响桥梁及塔基安全的重要因素。在水中建造桥梁或安放塔基等建筑物时，桥墩或塔基会对周围的水流产生显著影响，单一形状的桥墩周围主要有桥墩前的下降水流、下部的马蹄形旋涡、前边的表层旋滚和下游的激发旋涡。这些流态使得局部泥沙运移能力增强而导致冲刷，甚至还会威胁工程结构的安全。
目前，常采用有关规范中的公式计算涉河建筑物桥墩的局部冲刷，包括公路规范和铁路规范。因为塔基基础桩群组成较为复杂，与桥墩的形态具有较大差别，而现有规范的桥墩冲刷公式不能直接用于塔基桩群的冲刷计算，所以在求算塔基桩群的冲刷深度时往往利用物理模型对塔基基础进行局部冲刷试验，由此获得塔基基础的局部冲刷深度。
上海庙一山东+800kV特高压直流输电线路黄河大跨越工程位于黄河下游高村至陶城铺河段，上距孙口水文站10.5km。该河段从上游到下游河道逐渐变窄变深，主流摆动减弱，属于由游荡型向弯曲型转变的过渡性河道。线路跨越黄河左岸大堤桩号为K175+439，跨越右岸大堤桩号为K330+033，穿越枣包楼控导工程的位置在13#、14#坝之间，线位轴线的法线方向与水流方向基本一致。跨越黄河主槽段每个塔基均由4根直径2m的混凝土支柱支撑到100a一遇水面以上，每根支柱下面有一承台（承台上表面埋到自然地面以下约2m或-2.2m（高出地面2.2m）），每个承台下面有4根桩，塔基的基础根开（相邻承台中心间距）啕为23.06m，承台边长为6.0m，厚度为1.2m，桩径及畦距分别为1.2、3.6m，塔基下承台之间的距离为23.06m，该塔基型式为Ⅱ型，塔基结构见图1。
2试验概况
2.1试验布置
本试验重点研究塔基群桩基础的局部冲刷，根据塔基模型尺寸选用长25m、宽2m、深0.6m的试验水槽，有效试验段位于水槽中部，长度约6m。水槽内壁用水泥砂浆精细抹面，水槽底坡水泥面比降按0.012%设计，接近该河段天然比降。塔基布置在试验段中部。根据塔基尺寸，从水槽进口至出口布置10个水位测量断面，塔基附近适当加密（具体布置见图2、表1），测量每个断面中线处的水位。
选取项目所在河道主槽为研究对象，水槽中模型铺沙厚度为30cm（相当于天然条件下30m）以保证足够的冲刷深度。塔基位于水槽中部，塔基上下游各2m范围内布置7-14个流速测量断面，每个断面设置5-13条垂线（具体测点见图3），测量垂线平均流速。
试验过程中，采用浑水地形仪监测塔基前的冲深变化，用电阻式旋桨流速仪测量塔基周围流速。待塔基冲刷停止后停水，然后测量塔基冲刷坑形态及深度。
模型进口流量控制分为设防流量17500m3/s、100a一遇洪水設计流量13000m3/s、50a一遇洪水设计流量11400m3/s。经计算，设防流量洪水时主槽单宽流量为14m2/s，其他设计洪水频率的单宽流量见表2。
2.2模型设计
试验水槽为正态，选定模型水槽几何比尺为1：100。根据以往模型试验设计经验及模型沙基本特性，经反复率定比选，采用中值粒径为0.05mm的郑州热电厂粉煤灰作为模型床沙，含沙量比尺取1：2。
模型水槽设计主要遵循水流重力相似、水流阻力相似、泥沙悬移相似、水流挟沙相似、泥沙起动及扬动相似等准则。依据相似准则及相似条件求算模型水槽的主要比尺见表3。塔基基础承台顶埋深分为2.0、-2.2m，试验流量分别为设防流量、100a一遇流量、50a一遇流量，河道主槽塔基基础冲刷试验组次见表2。
2.3模型验证
为了更好地模拟塔基的冲刷，在水槽试验前应对试验水槽进行冲刷验证试验，以检验试验水槽模型比尺选择的合理性及模型沙冲刷的相似性，由此获得较为可靠的塔基冲刷试验数据。水槽验证试验选取黄河下游老京广铁桥桥墩的冲刷资料。根据文献，1958年7月17日大河流量为16200m3/s，次日5时测得的黄河老京广铁桥桥墩脚水深5.0m，9时发展到9.2m，到12时冲深已大于14.0m（铅鱼已不能探底）。根据当时情况分析，7h已使局部冲坑发展到稳定阶段，最大净冲刷深度11m。
根据原型京广铁桥桥墩1958年大洪水的冲刷情况，对1958年汛前京广铁桥断面进行计算，在大河流量为16200m3/s时，求得主槽流量为14500m3/s，流速为4.40m/s，水深为2.5m。假定洪水过程中断面形态不变，则求得原型主槽单宽流量为14.5m2/s。模型水槽单宽流量比尺为1：1000，由此算出水槽试验进口流量为29L/s。
试验开始时，先以较小流量（模型流量15L/s）对水槽进行充水，调整尾门控制水面比降约为0.02%，此时模型水槽平均水深为5cm，等待30min水流稳定后正式开始试验。正式试验的进口流量为29L/s，调整尾门控制模型流速不小于0.4m/s（流速再增大的话，水面波动较大且接近临界流），此时模型水深约为4.2cm。试验过程中每10min测量一次桥墩前的水深，直至冲刷水深基本稳定为止，试验总历时为80min。 图4为原型/模型桥墩前冲刷深度变化过程。可以看出，水槽试验桥墩冲刷深度变化过程与原型桥墩的基本一致，说明模型水槽设计合理，水槽比尺是相似的，该模型水槽可以用于塔基局部冲刷的试验研究。
3试验结果
3.1流势流态
河流中的塔基使其所在的水流断面面积减小，改变了原来的水流及泥沙运动规律，塔基周围水流速度增大，会引起对河床的冲刷。来流遇到塔基阻挡时将会在塔基前形成水面涌波及下降水流，在塔基周围形成紊流区。试验对塔基在设防流量下的流态进行了观测，可以看出水流在通过塔基时大致可分为三股，分别从塔基中线过流及沿塔基两侧绕流。由于塔基基础的阻碍，因此塔基两侧及承台后方存在水流分离区，且形成较小的旋涡，塔基上游产生壅水，塔基后有较小旋涡。试验过程可以观察到塔基周围形成复杂的紊流区域，包括迎水面的下降水流及绕流形成的马蹄形旋涡和塔基两侧分离形成的尾流旋涡，以及在塔基两侧和塔基后形成的小旋涡。
3.2流速
试验开始时在没有放置塔基的情况下，水槽垂线平均流速为2.4-2.5m/s，且水槽内水流为均匀分布。当水槽内放置塔基后，受塔基影响，塔基周围水流流态及流速分布出现变化，塔基前（承台埋深-2.2m）垂线平均流速减小到1.40～1.50m/s：在承台埋深2.0m时，塔前垂线平均流速减小到1.55-1.60m/s。当水流经过塔基时，因水流的绕流作用，故塔基后均存在水流滞留区并产生小旋涡，其垂线平均流速几乎为0。
由设防流量下塔基承台埋深-2.2m冲坑稳定后的垂线流速分布情况可知，水流经过塔基时，塔基前水流垂线平均流速比冲刷初期流速值略有降低。在塔基后方存在扇形水流滞留区，滞留区长度为塔基直径的10～12倍，即20～30m。滞留区水流垂线平均流速降低为1，0-1.5m/s，尤其塔基后5-6m区域内垂线平均流速几乎为0。在塔基纵向中心区域受塔基挤压影响，垂线平均流速略有增大，约为2.5m/s。
由表4可以看出，无论何种洪水频率，冲坑稳定后塔基前的垂线平均流速均小于冲刷前的，冲刷前后塔基前垂线平均流速比值为1.25-1.26。
3.3水深
由图5可以看出，试验初期15h（模型时间1.5h）内塔基前冲刷水深增加较快，由最初的6.1m逐步增大至12.7m，随后水深增速趋缓，到20h时塔基前水深趋于稳定值13.0m，在25h后水深达到稳定值13.1m。其他塔基试验组次塔基前水深的变化过程与该组试验基本一致。
由表5可以看出，不同洪水频率条件下，无论哪种塔基布置工况，塔基前冲刷后的水深都大于冲刷前的，冲刷前后塔基前水深的比值为0.47-0.64。
3.4冲刷情况
冲刷通常是由自然演变的冲刷、过水断面的减小而引起的一般冲刷以及塔基周围产生的局部冲刷三部分组成，其中最主要的是局部冲刷。从试验过程看，位于上游侧的两个塔基受水流顶冲作用较强，塔基冲刷坑发展相应较快，冲刷坑深度最大。受上游塔基的影响，下游侧塔基受水流冲击作用相对较弱，冲坑发展相对较慢，冲刷坑深度也略小。下游侧塔基的冲坑深度约比上游侧塔基冲刷深度小0.5m。
在塔基冲刷坑发育过程中，随着塔基冲刷深度增大，塔基冲刷坑尺寸逐步增大，同时塔基冲刷对下游的影响距离也逐步增大。表6为不同频率洪水塔基冲刷坑参数统计，由表6可以看出，塔基冲坑深度、大小及对下游的影响距离均与来流量及塔基承台埋深相关，冲刷坑长度为深度的3-4倍，对下游的影响距离約为冲刷坑深度的10倍，最大冲刷深度为7.40m。
塔基冲刷发育过程中，其冲刷深度一般与水流流量、水深、塔基形态及布置形式、河床质粒径及组成等因素有关。各组次试验的河床质粒径及组成基本一致，塔基形态一致，水深随来水流量而调整，这些因素也可以作为稳定变量。因此，本试验塔基冲刷深度的影响变量为水流流量及塔基布置形式。水槽试验水流是采用不同频率洪水计算出的单宽流量，故水流因子采用单宽流量更具有代表性：塔基的布置形式主要表现为承台埋深不同，试验中承台埋深分别为-2.2、2.0m，从表6可以看出，塔基冲刷深度与承台埋深关系较大，对于出露地面的承台塔基，其冲刷深度要远大于承台位于地下的情况。对表6相关数据进行回归分析，结果见式（1）、式（2），可以看出，塔基的冲刷深度、对下游的影响距离与单宽流量、承台埋深具有较好的相关性，其相关系数均在0.86以上。塔基冲刷深度及对下游的影响距离与来水单宽流量成正比关系，与承台埋深成反比关系。
3.5塔基冲刷机理
塔基局部冲刷与桥墩局部冲刷类似，但比桥墩局部冲刷过程更为复杂，主要表现在塔基的结构比桥墩复杂，塔基受到的水流作用过程更加复杂。塔基一般由4个承台桩基础组成，一般呈正方形立体等距布设，间距一般为20-30m。从试验过程看，塔基冲刷主要发生在桩基周围，这与单桥墩冲刷过程类似，但桩基的冲刷会受到临近其他桩基的影响。桩基的冲刷过程主要表现为桩基周围泥沙的强烈扰动。根据目前理论和实践研究结果，塔基局部冲刷主要由以下原因引起：①塔基的阻水作用使得塔基前形成较强的螺旋流并向下游传播发展，同时在塔基下游形成回流区，回流区会形成旋涡将泥沙卷往下游，引起床面冲刷；②塔基阻水后的侧向绕流逐渐形成马蹄形螺旋流，对塔基两侧河床产生冲刷，逐渐带动塔基周围床面的泥沙运动并逐渐向下游发展，从而形成冲刷坑。
从塔基冲刷机理层面上分析，塔基对水流的阻碍作用使塔基周围的水流结构发生改变，增大了局部的水流剪切力，提高了水流的挟沙能力，使塔基周围河床产生局部冲刷。塔基局部冲刷深度的影响因素众多，与塔基形状结构、塔基附近的水流强度以及河床组成密切相关，概括起来主要有以下三种观点：
（1）塔基周围的旋涡流作用。塔基周围流场的旋涡体系可视为三维扰动的流场体系，塔基承台桩前缘水流遇阻后近河底流速小，表面流速大，在河底处形成横轴旋涡，并沿床面移向桩基两侧与绕流形成马蹄形旋涡系。桩基周局部冲刷是由马蹄形旋涡系产生很大的河床剪力而形成。 （2）塔基前下降水流的冲击作用。塔基对水流的阻碍引起桩基周围水流结构剧烈变化，这种变化随塔基阻水面积的增大而加剧，在冲刷过程中，桩基前缘可形成一种“下降水流”，垂直向下冲刷床面泥沙，在桩基前形成冲刷坑。
（3）水流受塔基的挤压作用。桩基周围的局部冲刷是由于塔基挤压了水流，改变了桩基周围原来的流速分布，在桩基的两侧流速相对增大，因此桩基两侧首先引起冲刷，冲刷逐步发展到桩基的正面及背面，进而使桩基周围发生冲刷。
根据对局部冲刷试验过程中的水流结构观测分析，上述三种观点不是孤立的，而是相互联系、相互影响的。由此可以看出，桩基对水流的挤压和阻碍作用使桩基周流场发生变化，从而产生桩基两侧的“集中水流”和桩基前的“下降水流”。“集中水流”和“下降水流”是形成马蹄形旋涡的内在原因，而马蹄形旋涡系则是产生桩基周局部冲刷的直接原因。
4冲刷试验结果对比分析
为了探讨塔基冲刷试验结果与计算值的关系，对塔基承台桩群进行了理论计算。塔基单承台桩的局部冲刷计算参考相应规范的桥墩计算公式。其中：《鐵路工程水文勘测设计规范》（TBl0017-99）推荐的65-1修正式为
若一般冲刷冲至墩台以下，则按照该规范规定，局部冲刷计算公式变为
由上述公式计算的不同洪水频率塔基承台桩群（承台埋深2.2m）局部冲刷深度见表7。由表7可以看出，65-1修正式计算的塔基冲刷深度略大于65-2式的，设防流量条件下最大冲刷深度为5.42m。相同塔基工况及河床条件下，塔基局部冲刷深度理论计算值及试验值对比见表8。由表8可以看出，相同洪水频率条件下，塔基冲刷深度的计算值明显小于试验值。从塔基冲刷试验结果来看，塔基的最大冲深发生在承台下的桩基础，且塔基4个承台桩下的冲刷深度几乎一致，由此可以认为塔基桩群的冲刷深度要大于单承台桩的冲刷深度。
5结论
（1）不同来流条件下塔基的冲刷过程是相似的，水流在通过塔基时一般分为从塔基中线过流及沿塔基两侧绕流。受塔基基础的阻碍，塔基两侧及承台后方存在水流分离区，且形成较小的旋涡，塔基上游产生壅水，这种作用随来流量的减小而减弱。
（2）在冲刷过程中，塔基周围的水深、流速也在不断变化，冲刷前后塔基前的水深比为0.47-0.64，流速比为1.25-1.26。
（3）塔基的冲刷深度及对下游的影响距离与来流流量、承台埋深有较好的相关性，二者均与来流流量成正比，与承台埋深成反比。
（4）塔基冲刷不仅受水流强度、自身结构的影响，而且还与塔基承台与地面的相对位置有关，承台露出地面会导致塔基冲刷深度增大，因此在塔基布置时可将承台尽可能深埋于河床下，以减少塔基在洪水作用下的局部冲刷深度。
[责任编辑 翟戌亮]
关键词：水槽试验；水流流态；局部冲刷；塔基桩群
中图分类号：P334 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2017.07.014
1研究背景
与河道相关的涉河建筑物主要包括桥梁及大跨越的输电工程。桥墩及输电塔基基础一般位于工程跨河线路河道上，直接与水流接触，河道的局部冲刷是影响桥梁及塔基安全的重要因素。在水中建造桥梁或安放塔基等建筑物时，桥墩或塔基会对周围的水流产生显著影响，单一形状的桥墩周围主要有桥墩前的下降水流、下部的马蹄形旋涡、前边的表层旋滚和下游的激发旋涡。这些流态使得局部泥沙运移能力增强而导致冲刷，甚至还会威胁工程结构的安全。
目前，常采用有关规范中的公式计算涉河建筑物桥墩的局部冲刷，包括公路规范和铁路规范。因为塔基基础桩群组成较为复杂，与桥墩的形态具有较大差别，而现有规范的桥墩冲刷公式不能直接用于塔基桩群的冲刷计算，所以在求算塔基桩群的冲刷深度时往往利用物理模型对塔基基础进行局部冲刷试验，由此获得塔基基础的局部冲刷深度。
上海庙一山东+800kV特高压直流输电线路黄河大跨越工程位于黄河下游高村至陶城铺河段，上距孙口水文站10.5km。该河段从上游到下游河道逐渐变窄变深，主流摆动减弱，属于由游荡型向弯曲型转变的过渡性河道。线路跨越黄河左岸大堤桩号为K175+439，跨越右岸大堤桩号为K330+033，穿越枣包楼控导工程的位置在13#、14#坝之间，线位轴线的法线方向与水流方向基本一致。跨越黄河主槽段每个塔基均由4根直径2m的混凝土支柱支撑到100a一遇水面以上，每根支柱下面有一承台（承台上表面埋到自然地面以下约2m或-2.2m（高出地面2.2m）），每个承台下面有4根桩，塔基的基础根开（相邻承台中心间距）啕为23.06m，承台边长为6.0m，厚度为1.2m，桩径及畦距分别为1.2、3.6m，塔基下承台之间的距离为23.06m，该塔基型式为Ⅱ型，塔基结构见图1。
2试验概况
2.1试验布置
本试验重点研究塔基群桩基础的局部冲刷，根据塔基模型尺寸选用长25m、宽2m、深0.6m的试验水槽，有效试验段位于水槽中部，长度约6m。水槽内壁用水泥砂浆精细抹面，水槽底坡水泥面比降按0.012%设计，接近该河段天然比降。塔基布置在试验段中部。根据塔基尺寸，从水槽进口至出口布置10个水位测量断面，塔基附近适当加密（具体布置见图2、表1），测量每个断面中线处的水位。
选取项目所在河道主槽为研究对象，水槽中模型铺沙厚度为30cm（相当于天然条件下30m）以保证足够的冲刷深度。塔基位于水槽中部，塔基上下游各2m范围内布置7-14个流速测量断面，每个断面设置5-13条垂线（具体测点见图3），测量垂线平均流速。
试验过程中，采用浑水地形仪监测塔基前的冲深变化，用电阻式旋桨流速仪测量塔基周围流速。待塔基冲刷停止后停水，然后测量塔基冲刷坑形态及深度。
模型进口流量控制分为设防流量17500m3/s、100a一遇洪水設计流量13000m3/s、50a一遇洪水设计流量11400m3/s。经计算，设防流量洪水时主槽单宽流量为14m2/s，其他设计洪水频率的单宽流量见表2。
2.2模型设计
试验水槽为正态，选定模型水槽几何比尺为1：100。根据以往模型试验设计经验及模型沙基本特性，经反复率定比选，采用中值粒径为0.05mm的郑州热电厂粉煤灰作为模型床沙，含沙量比尺取1：2。
模型水槽设计主要遵循水流重力相似、水流阻力相似、泥沙悬移相似、水流挟沙相似、泥沙起动及扬动相似等准则。依据相似准则及相似条件求算模型水槽的主要比尺见表3。塔基基础承台顶埋深分为2.0、-2.2m，试验流量分别为设防流量、100a一遇流量、50a一遇流量，河道主槽塔基基础冲刷试验组次见表2。
2.3模型验证
为了更好地模拟塔基的冲刷，在水槽试验前应对试验水槽进行冲刷验证试验，以检验试验水槽模型比尺选择的合理性及模型沙冲刷的相似性，由此获得较为可靠的塔基冲刷试验数据。水槽验证试验选取黄河下游老京广铁桥桥墩的冲刷资料。根据文献，1958年7月17日大河流量为16200m3/s，次日5时测得的黄河老京广铁桥桥墩脚水深5.0m，9时发展到9.2m，到12时冲深已大于14.0m（铅鱼已不能探底）。根据当时情况分析，7h已使局部冲坑发展到稳定阶段，最大净冲刷深度11m。
根据原型京广铁桥桥墩1958年大洪水的冲刷情况，对1958年汛前京广铁桥断面进行计算，在大河流量为16200m3/s时，求得主槽流量为14500m3/s，流速为4.40m/s，水深为2.5m。假定洪水过程中断面形态不变，则求得原型主槽单宽流量为14.5m2/s。模型水槽单宽流量比尺为1：1000，由此算出水槽试验进口流量为29L/s。
试验开始时，先以较小流量（模型流量15L/s）对水槽进行充水，调整尾门控制水面比降约为0.02%，此时模型水槽平均水深为5cm，等待30min水流稳定后正式开始试验。正式试验的进口流量为29L/s，调整尾门控制模型流速不小于0.4m/s（流速再增大的话，水面波动较大且接近临界流），此时模型水深约为4.2cm。试验过程中每10min测量一次桥墩前的水深，直至冲刷水深基本稳定为止，试验总历时为80min。 图4为原型/模型桥墩前冲刷深度变化过程。可以看出，水槽试验桥墩冲刷深度变化过程与原型桥墩的基本一致，说明模型水槽设计合理，水槽比尺是相似的，该模型水槽可以用于塔基局部冲刷的试验研究。
3试验结果
3.1流势流态
河流中的塔基使其所在的水流断面面积减小，改变了原来的水流及泥沙运动规律，塔基周围水流速度增大，会引起对河床的冲刷。来流遇到塔基阻挡时将会在塔基前形成水面涌波及下降水流，在塔基周围形成紊流区。试验对塔基在设防流量下的流态进行了观测，可以看出水流在通过塔基时大致可分为三股，分别从塔基中线过流及沿塔基两侧绕流。由于塔基基础的阻碍，因此塔基两侧及承台后方存在水流分离区，且形成较小的旋涡，塔基上游产生壅水，塔基后有较小旋涡。试验过程可以观察到塔基周围形成复杂的紊流区域，包括迎水面的下降水流及绕流形成的马蹄形旋涡和塔基两侧分离形成的尾流旋涡，以及在塔基两侧和塔基后形成的小旋涡。
3.2流速
试验开始时在没有放置塔基的情况下，水槽垂线平均流速为2.4-2.5m/s，且水槽内水流为均匀分布。当水槽内放置塔基后，受塔基影响，塔基周围水流流态及流速分布出现变化，塔基前（承台埋深-2.2m）垂线平均流速减小到1.40～1.50m/s：在承台埋深2.0m时，塔前垂线平均流速减小到1.55-1.60m/s。当水流经过塔基时，因水流的绕流作用，故塔基后均存在水流滞留区并产生小旋涡，其垂线平均流速几乎为0。
由设防流量下塔基承台埋深-2.2m冲坑稳定后的垂线流速分布情况可知，水流经过塔基时，塔基前水流垂线平均流速比冲刷初期流速值略有降低。在塔基后方存在扇形水流滞留区，滞留区长度为塔基直径的10～12倍，即20～30m。滞留区水流垂线平均流速降低为1，0-1.5m/s，尤其塔基后5-6m区域内垂线平均流速几乎为0。在塔基纵向中心区域受塔基挤压影响，垂线平均流速略有增大，约为2.5m/s。
由表4可以看出，无论何种洪水频率，冲坑稳定后塔基前的垂线平均流速均小于冲刷前的，冲刷前后塔基前垂线平均流速比值为1.25-1.26。
3.3水深
由图5可以看出，试验初期15h（模型时间1.5h）内塔基前冲刷水深增加较快，由最初的6.1m逐步增大至12.7m，随后水深增速趋缓，到20h时塔基前水深趋于稳定值13.0m，在25h后水深达到稳定值13.1m。其他塔基试验组次塔基前水深的变化过程与该组试验基本一致。
由表5可以看出，不同洪水频率条件下，无论哪种塔基布置工况，塔基前冲刷后的水深都大于冲刷前的，冲刷前后塔基前水深的比值为0.47-0.64。
3.4冲刷情况
冲刷通常是由自然演变的冲刷、过水断面的减小而引起的一般冲刷以及塔基周围产生的局部冲刷三部分组成，其中最主要的是局部冲刷。从试验过程看，位于上游侧的两个塔基受水流顶冲作用较强，塔基冲刷坑发展相应较快，冲刷坑深度最大。受上游塔基的影响，下游侧塔基受水流冲击作用相对较弱，冲坑发展相对较慢，冲刷坑深度也略小。下游侧塔基的冲坑深度约比上游侧塔基冲刷深度小0.5m。
在塔基冲刷坑发育过程中，随着塔基冲刷深度增大，塔基冲刷坑尺寸逐步增大，同时塔基冲刷对下游的影响距离也逐步增大。表6为不同频率洪水塔基冲刷坑参数统计，由表6可以看出，塔基冲坑深度、大小及对下游的影响距离均与来流量及塔基承台埋深相关，冲刷坑长度为深度的3-4倍，对下游的影响距离約为冲刷坑深度的10倍，最大冲刷深度为7.40m。
塔基冲刷发育过程中，其冲刷深度一般与水流流量、水深、塔基形态及布置形式、河床质粒径及组成等因素有关。各组次试验的河床质粒径及组成基本一致，塔基形态一致，水深随来水流量而调整，这些因素也可以作为稳定变量。因此，本试验塔基冲刷深度的影响变量为水流流量及塔基布置形式。水槽试验水流是采用不同频率洪水计算出的单宽流量，故水流因子采用单宽流量更具有代表性：塔基的布置形式主要表现为承台埋深不同，试验中承台埋深分别为-2.2、2.0m，从表6可以看出，塔基冲刷深度与承台埋深关系较大，对于出露地面的承台塔基，其冲刷深度要远大于承台位于地下的情况。对表6相关数据进行回归分析，结果见式（1）、式（2），可以看出，塔基的冲刷深度、对下游的影响距离与单宽流量、承台埋深具有较好的相关性，其相关系数均在0.86以上。塔基冲刷深度及对下游的影响距离与来水单宽流量成正比关系，与承台埋深成反比关系。
3.5塔基冲刷机理
塔基局部冲刷与桥墩局部冲刷类似，但比桥墩局部冲刷过程更为复杂，主要表现在塔基的结构比桥墩复杂，塔基受到的水流作用过程更加复杂。塔基一般由4个承台桩基础组成，一般呈正方形立体等距布设，间距一般为20-30m。从试验过程看，塔基冲刷主要发生在桩基周围，这与单桥墩冲刷过程类似，但桩基的冲刷会受到临近其他桩基的影响。桩基的冲刷过程主要表现为桩基周围泥沙的强烈扰动。根据目前理论和实践研究结果，塔基局部冲刷主要由以下原因引起：①塔基的阻水作用使得塔基前形成较强的螺旋流并向下游传播发展，同时在塔基下游形成回流区，回流区会形成旋涡将泥沙卷往下游，引起床面冲刷；②塔基阻水后的侧向绕流逐渐形成马蹄形螺旋流，对塔基两侧河床产生冲刷，逐渐带动塔基周围床面的泥沙运动并逐渐向下游发展，从而形成冲刷坑。
从塔基冲刷机理层面上分析，塔基对水流的阻碍作用使塔基周围的水流结构发生改变，增大了局部的水流剪切力，提高了水流的挟沙能力，使塔基周围河床产生局部冲刷。塔基局部冲刷深度的影响因素众多，与塔基形状结构、塔基附近的水流强度以及河床组成密切相关，概括起来主要有以下三种观点：
（1）塔基周围的旋涡流作用。塔基周围流场的旋涡体系可视为三维扰动的流场体系，塔基承台桩前缘水流遇阻后近河底流速小，表面流速大，在河底处形成横轴旋涡，并沿床面移向桩基两侧与绕流形成马蹄形旋涡系。桩基周局部冲刷是由马蹄形旋涡系产生很大的河床剪力而形成。 （2）塔基前下降水流的冲击作用。塔基对水流的阻碍引起桩基周围水流结构剧烈变化，这种变化随塔基阻水面积的增大而加剧，在冲刷过程中，桩基前缘可形成一种“下降水流”，垂直向下冲刷床面泥沙，在桩基前形成冲刷坑。
（3）水流受塔基的挤压作用。桩基周围的局部冲刷是由于塔基挤压了水流，改变了桩基周围原来的流速分布，在桩基的两侧流速相对增大，因此桩基两侧首先引起冲刷，冲刷逐步发展到桩基的正面及背面，进而使桩基周围发生冲刷。
根据对局部冲刷试验过程中的水流结构观测分析，上述三种观点不是孤立的，而是相互联系、相互影响的。由此可以看出，桩基对水流的挤压和阻碍作用使桩基周流场发生变化，从而产生桩基两侧的“集中水流”和桩基前的“下降水流”。“集中水流”和“下降水流”是形成马蹄形旋涡的内在原因，而马蹄形旋涡系则是产生桩基周局部冲刷的直接原因。
4冲刷试验结果对比分析
为了探讨塔基冲刷试验结果与计算值的关系，对塔基承台桩群进行了理论计算。塔基单承台桩的局部冲刷计算参考相应规范的桥墩计算公式。其中：《鐵路工程水文勘测设计规范》（TBl0017-99）推荐的65-1修正式为
若一般冲刷冲至墩台以下，则按照该规范规定，局部冲刷计算公式变为
由上述公式计算的不同洪水频率塔基承台桩群（承台埋深2.2m）局部冲刷深度见表7。由表7可以看出，65-1修正式计算的塔基冲刷深度略大于65-2式的，设防流量条件下最大冲刷深度为5.42m。相同塔基工况及河床条件下，塔基局部冲刷深度理论计算值及试验值对比见表8。由表8可以看出，相同洪水频率条件下，塔基冲刷深度的计算值明显小于试验值。从塔基冲刷试验结果来看，塔基的最大冲深发生在承台下的桩基础，且塔基4个承台桩下的冲刷深度几乎一致，由此可以认为塔基桩群的冲刷深度要大于单承台桩的冲刷深度。
5结论
（1）不同来流条件下塔基的冲刷过程是相似的，水流在通过塔基时一般分为从塔基中线过流及沿塔基两侧绕流。受塔基基础的阻碍，塔基两侧及承台后方存在水流分离区，且形成较小的旋涡，塔基上游产生壅水，这种作用随来流量的减小而减弱。
（2）在冲刷过程中，塔基周围的水深、流速也在不断变化，冲刷前后塔基前的水深比为0.47-0.64，流速比为1.25-1.26。
（3）塔基的冲刷深度及对下游的影响距离与来流流量、承台埋深有较好的相关性，二者均与来流流量成正比，与承台埋深成反比。
（4）塔基冲刷不仅受水流强度、自身结构的影响，而且还与塔基承台与地面的相对位置有关，承台露出地面会导致塔基冲刷深度增大，因此在塔基布置时可将承台尽可能深埋于河床下，以减少塔基在洪水作用下的局部冲刷深度。
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