潮流對(duì)橋墩局部沖刷影響研究綜述

聞云呈，薛 偉，閆杰超，夏云峰

(1.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；2.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430050)

沿江及沿海經(jīng)濟(jì)帶的快速發(fā)展，使得跨江及跨海橋梁建設(shè)成為促進(jìn)兩岸或多區(qū)域活動(dòng)必不可少的交通途徑之一。而隨著橋梁向河口及沿海地區(qū)建設(shè)，其受到的水動(dòng)力環(huán)境也從徑流控制逐漸向潮流控制，甚至波流控制轉(zhuǎn)變[1]。就徑流環(huán)境下的橋墩沖刷研究而言，需要進(jìn)行匯集、溪流、遠(yuǎn)場(chǎng)、近場(chǎng)及局部五方面資料調(diào)查分析[2]，而潮汐河口橋墩沖刷還需收集分析近海及潮流資料[3]，加之潮汐類型不同、鹽水楔、沙波輸移及面波等因素對(duì)橋墩沖刷的影響[4]，使得潮流引起的橋墩局部沖刷機(jī)理及影響研究更加復(fù)雜。目前，潮流橋梁局部沖刷研究或認(rèn)識(shí)仍存在一定爭(zhēng)議：一種聲音認(rèn)為潮流引起的橋墩最大局部沖刷深度取決于漲、落急最大流速，在足夠長(zhǎng)的沖刷周期作用下，其與徑流相同流速條件下最大局部沖刷深度基本相同[5-9]；另一種聲音認(rèn)為潮流作用下存在反向流的泥沙供給，造成潮流作用下的最大局部沖刷深度要小于徑流作用下的最大局部沖刷深度[10-12]。同時(shí)，國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范[13-14]也并未明確潮流引起的橋梁局部沖刷計(jì)算方法。美國(guó)在2000年行業(yè)規(guī)范中才專門包括有“潮汐河道沖刷”和“沖刷計(jì)算”的章節(jié)，該規(guī)范是國(guó)際范圍內(nèi)首次提出了潮汐水流中橋墩局部沖刷工程應(yīng)用的行業(yè)規(guī)范[15]。不同潮流作用下橋墩局部沖刷深度計(jì)算公式相繼被提出[16-21]，但因采用研究方法及試驗(yàn)條件各不相同，其適用性仍有待進(jìn)一步考證。

對(duì)于潮流作用下的橋墩局部沖刷研究方法有現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)[20,22-24]、物理試驗(yàn)[25-27]及數(shù)值模擬[28]。物理試驗(yàn)由于其具有較高可信度及試驗(yàn)周期短、條件控制簡(jiǎn)單、耗費(fèi)不高等特點(diǎn)，常被應(yīng)用于大型橋梁局部沖刷研究[20]。潮流橋墩局部沖刷過程中水流具有方向變化性，加之試驗(yàn)建模流程的復(fù)雜性、試驗(yàn)的長(zhǎng)周期運(yùn)行以及所需的大量基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備，使得在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)潮流條件進(jìn)行一定概化處理[19,27,29-32]。但不同的潮流概化將引起橋墩局部沖刷與實(shí)際的差異[32-33]。這種差異是造成上述爭(zhēng)議的主要原因之一，同時(shí)，也造成目前對(duì)潮流橋墩局部沖刷機(jī)理及認(rèn)識(shí)仍未完全洞悉。因此，本文通過系統(tǒng)梳理國(guó)內(nèi)外橋墩局部沖刷的研究文獻(xiàn)，對(duì)潮流引起的橋梁局部沖刷進(jìn)行了較為系統(tǒng)的綜述，在潮流沖刷機(jī)理、沖刷深度、沖刷過程及主要影響因素等方面提出具有建設(shè)性的見解。

1 潮流橋墩局部沖刷機(jī)理研究

1.1 潮流動(dòng)力引起橋墩局部沖刷特性

當(dāng)擬建或已建橋梁位于感潮河段或河口外海時(shí)，其將受到天文潮汐或波浪的影響[4, 34]。Conaway與Schauer[1]對(duì)阿拉斯加地區(qū)潮流影響下橋墩的局部沖刷進(jìn)行研究，將影響橋墩潮流性質(zhì)分為潮流控制、潮流感應(yīng)及潮流影響三類。其中，在潮汐控制橋區(qū)處潮汐水流每個(gè)周期都有完整的水流逆轉(zhuǎn)；在潮流變動(dòng)區(qū)的橋梁處在某些潮汐水流出現(xiàn)潮流逆轉(zhuǎn)，動(dòng)力環(huán)境以落潮流占優(yōu)勢(shì)；在感潮區(qū)域的橋梁受潮水位壅水的影響，不出現(xiàn)潮流逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象，與徑流河段的特征基本一致。Wang[35]認(rèn)為潮汐影響段影響橋墩沖刷的水流動(dòng)力主要受集匯區(qū)徑流的平流作用為主，潮汐感應(yīng)段影響橋墩沖刷的水流動(dòng)力主要受上游徑流與下游潮流的共同作用為主，而外海區(qū)域主要受風(fēng)、潮汐、洋流與鹽淡混合水等因素影響。相應(yīng)的Donald R. D[36]就不同徑流、潮汐環(huán)境下橋墩局部水動(dòng)力條件及沖刷影響因素等進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析，說明不同橋區(qū)潮流動(dòng)力將對(duì)其局部產(chǎn)生不同的沖刷特性。

以我國(guó)長(zhǎng)江口為例，通常將大通站作為潮流影響上邊界，稱為潮區(qū)界，而將江陰作為潮流影響的分界點(diǎn)，稱為潮流界[37]。Zheng等[38]基于不同潮流類型區(qū)段長(zhǎng)江中游(單向徑流作用為主)與下游(雙向潮流作用為主)四座大橋的沖刷特性進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)中游橋墩處河床地形多表現(xiàn)為僅橋基周圍的侵蝕，但下游橋墩處河床地形則表現(xiàn)為橋基兩側(cè)出現(xiàn)一條長(zhǎng)的侵蝕溝及上下游分布著長(zhǎng)條狀淤積帶。這從側(cè)面反應(yīng)了潮流類型對(duì)橋墩沖刷的影響及與徑流的不同。同時(shí)，陸雪駿[20]采用多波束測(cè)深系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)江大通站以下 潮區(qū)界內(nèi)六座長(zhǎng)江大橋(銅陵長(zhǎng)江公路大橋、蕪湖長(zhǎng)江大橋、大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋、南京長(zhǎng)江大橋、南京長(zhǎng)江第二大橋及南京長(zhǎng)江第四大橋)與潮流界內(nèi)一座長(zhǎng)江大橋(上海長(zhǎng)江大橋)局部沖刷進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，研究表明不同潮流條件下的橋墩局部沖刷深度、范圍及形態(tài)各不相同(圖1)。

1.2 潮流引起的橋墩局部沖刷機(jī)理及過程

1.2.1 沖刷機(jī)理

潮流與單向流最大的不同在于其具有方向性，因此所處橋墩將受到逆轉(zhuǎn)水流的往復(fù)作用影響。潮流的往復(fù)特性與波浪水質(zhì)點(diǎn)瞬態(tài)的往復(fù)相似，在時(shí)間比尺上潮流周期明顯大于波浪周期，潮流與波浪相比更趨向于穩(wěn)定流[22]。Schendel等[39]認(rèn)為由于水流的往復(fù)變化，可能引起潮流邊界層發(fā)育不充分，進(jìn)而影響馬蹄渦的形成或強(qiáng)度。目前研究通常認(rèn)為，潮流作用下墩前水流邊界層是充分發(fā)展的[39-40]，且認(rèn)為潮流引起橋墩沖刷的主要機(jī)理與單向恒定流相似，即為墩前下潛流、墩前馬蹄渦及尾渦的綜合作用[27,41]。潮流與單向流所引起的橋墩沖刷都為墩前下潛流、墩前馬蹄渦及尾渦等綜合作用，但潮流以周期或準(zhǔn)周期性變化的流速及水深將產(chǎn)生不同的沖刷類型，通常采用無量綱參數(shù)U/Uc描述沖刷的差異。其中，U為來流平均流速，Uc為泥沙起動(dòng)臨近流速。該無量綱參數(shù)U/Uc可將一個(gè)潮半周期劃分為三種沖刷類型：清水沖刷(U/Uc<1)、過渡沖刷(U/Uc=1)與動(dòng)床沖刷(U/Uc>1)[27]。綜上，橋墩的潮流沖刷不僅要受到往復(fù)水流的作用，還可能形成不同的沖刷類型。

1.2.2 沖刷過程

每半個(gè)潮流周期內(nèi)橋墩將可能經(jīng)歷三種類型的沖刷，進(jìn)一步將潮流周期內(nèi)最大流速Umax與泥沙臨界起動(dòng)流速Uc比值作為劃分潮流清水沖刷、過渡沖刷或動(dòng)床沖刷的標(biāo)準(zhǔn)。具體變化如下[24,27,34](圖2)：

圖2 不同概化潮型沖刷過程示意(Schendel等[19])Fig.2 Scouring process for different generalized tidal patterns

(1)當(dāng)U<0.5Uc時(shí)，前半個(gè)周期潮流處于上升初始階段，此時(shí)流速較小，橋墩周圍無沖刷發(fā)生；

(2)當(dāng)0.5Uc≤U

(3)當(dāng)Uc=U時(shí)，此時(shí)為過渡沖刷階段，沖刷時(shí)間較短；

(4)當(dāng)U>Uc時(shí)，此時(shí)橋墩沖刷為動(dòng)床沖刷階段，墩前及兩側(cè)繼續(xù)沖深，這與單向流在動(dòng)床時(shí)的沖刷規(guī)律差異有關(guān)。在定床沖刷階段，床面出現(xiàn)一定高度沙波，且墩前沖刷的泥沙隨水流行至墩后，形成一定高度的沙脊；

(5)在隨后潮流前半個(gè)周期的下降階段，墩前及兩側(cè)沖刷深度略有增加，但沖刷在遠(yuǎn)大于Uc時(shí)停止，此時(shí)進(jìn)入潮流沖刷的停滯階段；

(6)隨后，潮流進(jìn)入下半個(gè)潮流周期，理論上其對(duì)橋墩的沖刷過程與前半個(gè)周期是一致的。但由于在前半個(gè)潮流周期作用下已形成明顯的沖刷坑以及為了平衡前半個(gè)周期在樁周引起的不平衡，下半個(gè)潮流周期內(nèi)沖刷速率明顯減小，但總的沖刷深度是略有增加的，即使在下半個(gè)周期初始階段由于往復(fù)流產(chǎn)生的泥沙搬運(yùn)導(dǎo)致沖刷深度減小。同時(shí)，潮流往復(fù)對(duì)橋墩兩側(cè)沖刷影響較?。?/p>

(7)經(jīng)過多個(gè)潮流周期的往復(fù)作用(大于單向流沖刷平衡時(shí)間)，兩側(cè)沖刷最深位置逐漸趨于穩(wěn)定，沖刷地形趨于對(duì)稱。當(dāng)過坑潮流搬運(yùn)泥沙的能力與潮流回填泥沙量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)沖刷基本穩(wěn)定。

2 潮流橋墩局部沖刷計(jì)算公式

2.1 橋墩最大局部沖刷深度公式

2.1.1 中國(guó)規(guī)范公式[13-14]

2.1.1.1 《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30-2015)65-1修正式

(1)

2.1.1.2 《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30-2015)65-2式

(2)

2.1.2 中國(guó)規(guī)范公式誘導(dǎo)公式

2.1.2.1 高徐昌與姚炎明計(jì)算公式[18]

(3)

2.1.2.2 沙波改進(jìn)計(jì)算公式[21]

(4)

2.1.2.3 推移質(zhì)改進(jìn)計(jì)算公式[20]

(5)

2.1.3 直接擬合公式

2.1.3.1 韓海騫等計(jì)算公式[17]

(6)

2.1.3.2 倪志輝等計(jì)算公式[43]

(7)

式中：hb為潮流作用下橋墩局部沖刷深度，m；V為墩前行進(jìn)流速，m/s；B為有效阻水寬度，m；d50為底床中值粒徑；h為全潮最大水深。

2.1.4 其他公式

2.1.4.1 查圖法

根據(jù)袁春光等研究成果[11]，當(dāng)潮流引起的Vmax≥Vc時(shí)，查圖法的具體步驟如下(圖3)：

圖3 潮流折減系數(shù)Kt與潮周期參數(shù)F(Ttide)和相對(duì)流速的關(guān)系(袁春光等[11])Fig.3 Relationship between tidal current reduction coefficient Ktand tidal period parameters F(Ttide) and relative velocity

(1)根據(jù)漲落急時(shí)刻的水流條件，利用經(jīng)過驗(yàn)證準(zhǔn)確性較高的恒定流樁基局部沖刷公式計(jì)算相應(yīng)的最大沖刷深度ds恒定流；

(3)當(dāng)潮流引起的Vmax≥Vc時(shí)，查圖得到潮流沖刷折減系數(shù)Kt，潮流條件下樁基局部沖刷深度ds潮流=Kt×ds恒定流。

2.1.4.2 微分迭代法

根據(jù) Escarameia和May的研究成果[12]

(8)

微分迭代法認(rèn)為沖刷深度在第(n+1)個(gè)時(shí)間段內(nèi)的發(fā)展與三個(gè)因素有關(guān)：(1)第(n+1)個(gè)時(shí)間段內(nèi)的潮流條件(流速Un+1和水深hn+1)；(2)上一個(gè)時(shí)間段結(jié)束時(shí)沖刷坑的沖刷深度ds(n)；(3)動(dòng)床條件下推移質(zhì)的回填情況。具體為：

2.2 橋墩局部沖刷深度時(shí)間發(fā)展過程公式

2.2.1 Melvile與Chiew 清水沖刷發(fā)展過程公式[44]

(9)

(10)

2.2.2 Sumer等動(dòng)床沖刷發(fā)展過程公式[45]

(11)

(12)

式中：dsc為沖刷深度；t為沖刷時(shí)間；te為沖刷平衡時(shí)間；dsce為最大沖刷深度；D為樁徑；h為水深；d為泥沙平均粒徑；s為泥沙重度；u*為摩阻流速。

3 潮流橋墩局部沖刷研究方法

潮流作用下的橋墩局部沖刷研究方法主要有現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、物理試驗(yàn)及數(shù)值模擬[28]。物理試驗(yàn)由于其具有較高可信度及試驗(yàn)周期短、條件控制相對(duì)簡(jiǎn)單、耗費(fèi)不高等特點(diǎn)，但潮流橋墩局部沖刷試驗(yàn)要求有良好的基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備[5-10,19,25,27,32-34,39,42,46-55]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬逐漸成為河口或外海大尺度模擬潮流橋墩局部沖刷方法[56-61]，但就小尺度數(shù)值水槽模擬潮流橋墩局部沖刷研究并不多[28,62]。同時(shí)，隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，原型觀測(cè)逐漸成為當(dāng)下潮流沖刷研究重要手段之一[20-21,23,38,63-68]。目前，對(duì)于潮流作用下的橋墩局部沖刷研究仍主要以物理模型試驗(yàn)為主，且主要關(guān)注最大局部沖刷深度、潮流引起橋梁局部沖刷過程、潮流沖刷影響因素及不同研究方法成果對(duì)比等。

3.1 潮流橋墩最大局部沖刷深度研究

隨著河口及近海地區(qū)橋墩或風(fēng)電場(chǎng)的不斷建設(shè)，其復(fù)雜水流環(huán)境引起的最大局部沖刷深度關(guān)系到橋墩的結(jié)構(gòu)安全及正常運(yùn)行。但如前所述，潮流與恒定流沖刷深度關(guān)系目前仍存在較大爭(zhēng)議。不同學(xué)者采用不同的研究手段或試驗(yàn)方法得到了不同結(jié)果，出現(xiàn)了潮流小于、相等甚至大于恒定流沖刷深度的情況。筆者通過綜述國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)資料主要發(fā)現(xiàn)物理水槽試驗(yàn)中對(duì)天然潮型不同概化將引起橋墩局部沖刷與實(shí)際的差異(圖 2)，這種差異將是造成上述爭(zhēng)議的主要原因之一。

與單向徑流相比，潮流最大的不同特性在于其具有方向性，其水位、流速時(shí)刻均處于變化之中，并產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)水流對(duì)橋墩基礎(chǔ)往復(fù)作用。為刻畫潮流的往復(fù)效果，在實(shí)際物理模型試驗(yàn)中進(jìn)行了一定的概化處理。目前，一些學(xué)者采用極限工況恒定流試驗(yàn)進(jìn)行潮流沖刷概化，取得了相對(duì)保守的試驗(yàn)成果，但存在高估沖刷深度或沖刷范圍將引起不必要的防護(hù)代價(jià)[31,69]。而更多學(xué)者采用對(duì)天然潮型進(jìn)行非恒定流概化進(jìn)行試驗(yàn)研究。Escarameia與May[12]在潮流試驗(yàn)中采用了不同種潮流概化：采用恒定流概化潮流；潮流半周期流速與水深均為常數(shù)，僅發(fā)生方向轉(zhuǎn)變；潮流流速采用正弦變化，水深采用常數(shù)。研究成果表明：潮流流速采用正弦變化，水深采用常數(shù)概化潮流小于恒定流平衡沖刷深度，而采用潮流半周期流速與水深均為常數(shù)，僅發(fā)生方向轉(zhuǎn)變概化潮流略小于恒定流平衡沖刷深度。Margheritini等[42]采用潮流半周期流速與水深均為常數(shù)概化與恒定流對(duì)比進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究成果表明：采用概化潮流與恒定流平衡沖刷深度基本一致，需要注意的是試驗(yàn)中不斷對(duì)沙波進(jìn)行整平處理，以至于減少沙波對(duì)水流邊界層的影響而引起泥沙來回輸移影響。Nakagawa與Suzuki[5]同樣采用潮流半周期流速與水深均為常數(shù)概化與恒定流對(duì)比進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究成果表明：采用概化潮流小于恒定流平衡沖刷深度，其主要原因在于往復(fù)流對(duì)泥沙的輸移。Porter與Simons[26]采用恒定流、水深流速常數(shù)轉(zhuǎn)變及流速變化水深不變的三種試驗(yàn)，但流速變化潮流采用了分步概化的方式。研究成果表明：雖然各試驗(yàn)組次沖刷平衡時(shí)間都未達(dá)到，但假定一定潮流周期下，其沖刷深度將于恒定流沖刷深度一致，需要注意其沖刷類型為清水沖刷。Ma等[33]采用物理試驗(yàn)研究了恒定流與方形潮流概化對(duì)比，且方形概化潮流采用了兩種不同周期。研究結(jié)果表明：由于往復(fù)流引起的泥沙回填造成潮流沖刷深度小于恒定流沖刷深度。Xiang[32]通過試驗(yàn)研究了恒定流與方形潮流概化對(duì)比。研究成果表明：由于沙波與泥沙來回輸移的影響，其方形潮流概化最大沖刷深度小于恒定流試驗(yàn)。A. Schendel等[39]采用分步潮型概化潮流進(jìn)行局部沖刷研究。研究成果表明：采用潮流最大流速概化的恒定流沖刷深度大于潮流沖刷深度，而采用潮流平均流速恒定流沖刷深度要小很多。A. Schendel等[19]對(duì)采用平均潮流流速恒定流、平均潮流流速方形潮型、最大潮流流速方形潮型、分步(三步)潮流流速潮型、對(duì)稱(垂向)潮流流速潮型及縮小周期潮流流速潮型與天然潮型進(jìn)行了局部沖刷對(duì)比研究，需要注意的是其試驗(yàn)中采用的水深是常水深。研究結(jié)果表明：采用分步潮流概化能夠較好地刻畫潮流引起的沖刷，而小于采用最大流速概化的方形潮流，大于采用平均流速概化的方形潮流。McGovern等[27]通過物理水槽試驗(yàn)采用分步(三步)潮流流速潮型對(duì)比研究其沖刷深度與最大流速恒定流試驗(yàn)結(jié)果關(guān)系，其水深采用了常水深概化。研究成果表明：分步潮流沖刷深度小于恒定流沖刷深度，其主要原因是泥沙回填造成的。HAN Yu-fang與CHEN Zhi-chang[6]研究了采用恒定流概化潮流。研究成果表明：采用最大流速概化恒定流與潮流沖刷深度相比，沖刷深度基本一致。王佳飛等[48]采用潮流最大流速相同的定常來流實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，二者的最大沖刷深度和沖刷平衡時(shí)間則基本相同。但需要注意的是其潮流流速與水位均采用了正弦變化，這與實(shí)際潮流情況是不符的，將造成潮流沖刷深度增大。李夢(mèng)龍等[42]采用實(shí)際潮流研究認(rèn)為當(dāng)潮流最大流速等于恒定流平均流速時(shí)，其最大沖刷深度小于恒定流情況。但當(dāng)上游最大流速較大時(shí)折減系數(shù)較大，且逐漸接近恒定流沖刷深度。陳文龍等[8]與王建平等[9]通過物理水槽試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)漲落潮最大流速和歷時(shí)決定了沖坑的發(fā)展速率和達(dá)到最大沖深的大小，在潮流速度值較大或歷時(shí)占優(yōu)的情況下，將取得與恒定流一致的局部最大沖深。王群等[10]通過實(shí)際潮流研究發(fā)現(xiàn)潮汐水流往復(fù)沖淤形成的局部沖刷約為恒定流條件下局部沖刷的75%～80%。

3.2 潮流橋墩局部沖刷過程研究

相比恒定流情況，潮流沖刷達(dá)到平衡時(shí)間將更長(zhǎng)，且由于潮流漲落潮過程中存在漲落憩過程出現(xiàn)，潮流此時(shí)對(duì)沖刷的作用較小或無沖刷作用，加之往復(fù)流造成的泥沙回填，造成其達(dá)到平衡沖刷深度的時(shí)間更長(zhǎng)[19]。目前，對(duì)于恒定流沖刷過程及平衡時(shí)間的研究，Melvile與Chiew[44]提出了恒定流清水沖刷發(fā)展過程公式；而Sumer等[45]提出動(dòng)床沖刷發(fā)展過程公式。袁春光等[11,41]根據(jù)上述恒定流沖刷過程成果應(yīng)用到潮流沖刷過程研究提出了微分迭代法。Ma等[33]采用D M. Sheppard等[70]提出的恒定流沖刷過程比較好地預(yù)測(cè)了潮流沖刷過程。A. Schendel等[39]通過試驗(yàn)研究認(rèn)為用Melvile與Chiew[44]及Sumer等[45]對(duì)潮流沖刷時(shí)間過程進(jìn)行預(yù)測(cè)存在明顯的不確定性，因此提出了時(shí)間分布預(yù)測(cè)的方法。袁春光等[11]采用其提出的微分迭代法對(duì)王佳飛等[48]潮流沖刷過程進(jìn)行預(yù)測(cè)，但預(yù)測(cè)結(jié)果表明，其預(yù)測(cè)效果與實(shí)際仍存在一定誤差。這說明目前常用的恒定流局部沖刷方法對(duì)潮流沖刷過程進(jìn)行預(yù)測(cè)仍存在一定誤差或不適用。同時(shí)，Kate Porter等[29]討論分析了David J. McGovern等[27]研究成果認(rèn)為其潮流沖刷試驗(yàn)中未達(dá)到平衡沖刷時(shí)間，且研究得出的最終沖刷深度也并未是平衡沖刷時(shí)間，因此，采用未平衡的潮流沖刷深度與恒定流沖刷深度對(duì)比是不公平的，得出來的結(jié)論存在較大的不確定性。筆者通過閱讀大量文獻(xiàn)也發(fā)現(xiàn)較多文獻(xiàn)成果中潮流沖刷平衡仍未達(dá)到平衡，即文獻(xiàn)中的最終沖刷深度或時(shí)間不是平衡沖刷深度或時(shí)間。因此，筆者認(rèn)為采用未平衡的潮流沖刷深度與恒定流沖刷深度對(duì)比而提出的折減系數(shù)也存在較大的不確定性。同時(shí)，對(duì)于恒定流試驗(yàn)中判斷其平衡條件為在24 h內(nèi)其沖刷深度增幅小于5%時(shí)認(rèn)為其達(dá)到平衡條件[44]。但潮流沖刷條件時(shí)，由于存在潮流漲落憩過程，其沖刷平衡時(shí)間相較于恒定流更長(zhǎng)，因此筆者認(rèn)為在潮流沖刷平衡判斷時(shí)仍采用恒定流沖刷平衡條件存在一定的不確定性。

3.3 潮流橋墩局部沖刷影響因素

對(duì)于徑流環(huán)境，影響橋墩局部沖刷深度的因素主要可以分為橋墩幾何量(尺寸和形狀)、水流條件、泥沙特性及河道特性等[71]。而對(duì)于潮流環(huán)境，由于潮流的流速與水深均具有方向性，增加了其沖刷的復(fù)雜性及特殊性。因此，在分析潮流沖刷影響因素時(shí)，筆者尤其關(guān)注其潮流特性帶來的沖刷特殊性。與單向流相比，潮流將受到平流與擴(kuò)散兩種運(yùn)動(dòng)形式控制。同時(shí)，潮流在受到科氏力、河口地形及摩擦效應(yīng)影響下將出現(xiàn)潮流不對(duì)稱及潮差、流速衰減等變化，均會(huì)對(duì)潮流環(huán)境下的橋墩沖刷結(jié)果產(chǎn)生影響[9]。

3.3.1 潮流潮型與流速影響

無論對(duì)于徑流或是潮流沖刷，流速對(duì)于沖刷深度或過程都起到?jīng)Q定作用。對(duì)于徑流沖刷，其沖刷可分為清水沖刷或動(dòng)床沖刷[72]。而潮流沖刷過程中其沖刷過程涉及到清水沖刷、臨界或過渡沖刷及動(dòng)床沖刷兩種及以上沖刷連續(xù)發(fā)生的情況，同時(shí)，流速的方向性使得泥沙出現(xiàn)回填現(xiàn)象，使得潮流沖刷變得更加復(fù)雜[26，39]。如前所述，當(dāng)恒定流時(shí)，當(dāng)流速大于臨近流速而發(fā)生動(dòng)床沖刷時(shí)，其沖刷深度是小于臨界沖刷的[73]。但在潮流沖刷情況，其動(dòng)床沖刷深度是大于清水沖刷的。這也是相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)生潮流沖刷結(jié)果大于恒定流的原因[26]。同時(shí)，不同學(xué)者通過不同流速概化進(jìn)行了潮流沖刷試驗(yàn)，這些流速概化對(duì)沖刷深度的影響是關(guān)鍵的。

圖4 不同概化潮型橋墩沖刷深度分布的沖刷時(shí)間過程(Schendel等[19])Fig.4 Process of pier scour depth distribution with different generalized tide patterns(Schendel et al.[19])

3.3.2 潮流不對(duì)稱影響

3.3.3 潮流水深影響

在徑流或恒定流沖刷情況，闞譯[73]研究認(rèn)為水深與局部沖刷成正相關(guān)關(guān)系。同時(shí)，水深對(duì)局部沖刷的影響常以無量綱參數(shù)水深樁徑比h/b表示，其研究結(jié)果認(rèn)為，當(dāng)水深樁徑比h/b≤5時(shí)，水深對(duì)局部沖刷的影響是明顯的。但當(dāng)水深樁徑比h/b>5時(shí)且流速較大時(shí)，水深對(duì)局部沖刷的影響就不顯著了。May. R.與Willoughby. I[76]研究橋墩沖刷影響因素時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水深樁徑比h/b>2.71時(shí)，其沖刷深度將不再變化。同時(shí)，Melville與Sutherland[77]認(rèn)為當(dāng)水深樁徑比h/b>2.6時(shí)，其自由表面效應(yīng)將不對(duì)沖刷產(chǎn)生影響。而對(duì)于潮流沖刷，其水深是時(shí)刻變化的。有的學(xué)者采用變水深進(jìn)行潮流沖刷試驗(yàn)，但對(duì)模型控制及精度要求高[9,42]。在多數(shù)潮流沖刷物理試驗(yàn)中，常將水深視為不變的常數(shù)。王佳飛[48]在潮流試驗(yàn)中分別采用漲落急時(shí)的水深作為試驗(yàn)水深，研究發(fā)現(xiàn)：但水深樁徑比h/b>2.4時(shí)，其沖刷深度并未發(fā)生變化。Ma等[33]在其潮流沖刷試驗(yàn)時(shí)采用常水深進(jìn)行試驗(yàn)研究，此時(shí)將水深樁徑比h/b=4.29，并認(rèn)為其對(duì)沖刷有較小的影響。但是David J. McGovern等[27]認(rèn)為水深樁徑比h/b>1.0時(shí)，將對(duì)潮流沖刷有較小的影響。其主要是因?yàn)楫?dāng)水深樁徑比h/b<1.0時(shí)，表面涌波將影響水下馬蹄渦的形成[78]。因此，雖然大多學(xué)者提出水深在一定條件下對(duì)潮流沖刷具有較小的影響，但目前仍未形成具體的結(jié)論性成果。

3.3.4 橋墩形狀影響

關(guān)于橋墩形狀對(duì)于潮流沖刷的影響，大多學(xué)者主要研究了圓形橋墩與矩形或方形橋墩對(duì)局部沖刷深度的影響，也有學(xué)者對(duì)不同群樁布置形式進(jìn)行研究。Hiroji Nakagawa與Koichi Suzuki[5]對(duì)矩形橋墩進(jìn)行潮流沖刷試驗(yàn)研究，其研究發(fā)現(xiàn)，由于矩形橋墩棱角的存在，其沖刷深度與恒定流相比差別較小，尤其當(dāng)水流存在一定夾角時(shí)，其潮流沖刷深度與恒定流基本一致，這也與橋墩有效寬度增加有關(guān)。因此，不能主觀地認(rèn)為潮流沖刷時(shí)其沖刷深度就小于恒定流情況，其與自身結(jié)構(gòu)形狀也存在一定關(guān)系。如Xiang等[32]研究認(rèn)為，在方形潮型作用下圓形沉井、方形沉井及鉆石形沉井沖刷深度分別約為恒定流沖刷深度的70%、64%及90%。說明棱角的存在將明顯影響橋墩的局部沖刷深度，且橋墩形狀棱角對(duì)水流影響越大，其潮流沖刷深度與恒定流越接近。May. R.與Willoughby. I[76]通過物理試驗(yàn)研究了圓形、方形、矩形及帶有橫向門檻方形橋墩潮流沖刷特性。研究表明：方形橋墩具有最大的平衡沖刷深度，而矩形與帶有門檻方形橋墩平衡沖刷深度最小。對(duì)于復(fù)雜的群樁結(jié)構(gòu)，贠鵬與陳剛[25]研究了臺(tái)州灣大橋整體式承臺(tái)群樁結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：受橋墩承臺(tái)及樁群阻水的影響，樁基周圍沖刷坑最終呈現(xiàn)為兩側(cè)區(qū)域高程較低、上下游區(qū)域高程略高的形態(tài)。Ma等[33]通過試驗(yàn)研究啞鈴型群樁結(jié)構(gòu)潮流沖刷，得到其類似沖刷形態(tài)。而韓海騫與熊紹隆[49]通過物理水槽試驗(yàn)研究群樁布設(shè)形式對(duì)沖刷影響，研究表明：對(duì)于“梅花型”樁群布設(shè)形式的沖刷深度要小于“條帶型”。

3.3.5 泥沙粒徑或沙波影響

對(duì)于泥沙粒徑影響，其恒定流研究成果認(rèn)為當(dāng)樁徑泥沙中值粒徑比b/d50>50時(shí)，其沖刷與泥沙粒徑將無關(guān)系[79]。May. R.與Willoughby. I[77]認(rèn)為當(dāng)樁徑泥沙中值粒徑比b/d50>25時(shí)，可不必研究泥沙粒徑與沖刷影響關(guān)系。同時(shí)，闞譯[73]認(rèn)為當(dāng)泥沙粒徑大于0.7 mm時(shí)，將不出現(xiàn)沙紋、沙壟等床面形態(tài)產(chǎn)生。May. R.與Willoughby. I[77]認(rèn)為當(dāng)泥沙中值粒徑小于0.5～0.7 mm時(shí)將有沙波的產(chǎn)生，其將引起局部沖刷深度減小大約30%。對(duì)于潮流沖刷，其沙波的出現(xiàn)將對(duì)水流邊界層產(chǎn)生影響，進(jìn)而出現(xiàn)不同類似的流速狀態(tài)，使得潮流沖刷變得更加復(fù)雜[19]。Zheng等[38]通過對(duì)長(zhǎng)江中下游橋墩沖刷進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，其橋墩附近沙波長(zhǎng)度及高度高達(dá)數(shù)米，其沙波移動(dòng)將對(duì)沖刷深度有明顯的影響。王冬梅等[21]研究認(rèn)為當(dāng)沙波波高與局部沖刷深度同一量級(jí)時(shí)，沙波地形的存在會(huì)加劇或減小沖刷深度；若波脊處發(fā)生局部沖刷，沖刷深度減小；反之若在波谷處沖刷，則波谷處最接近局部沖刷深度所在。Ma等[33]通過觀察潮流沖刷試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)沙波的遷移對(duì)沖刷坑深度起伏變化的影響。Schendel等[19]認(rèn)為無論清水或動(dòng)床沖刷情況，沙波移動(dòng)都將對(duì)沖刷坑泥沙流動(dòng)產(chǎn)生影響。目前，對(duì)于沙波對(duì)潮流環(huán)境下橋墩局部沖刷影響的研究十分有限，且在潮流沖刷試驗(yàn)中常由于變態(tài)模型設(shè)置，使得沙波尺度與現(xiàn)場(chǎng)難以符合量綱守恒。有的學(xué)者認(rèn)為試驗(yàn)中沙波尺度過小，可以忽略其對(duì)沖刷的影響[32]；有的學(xué)者為消除沙波影響，或采用中值粒徑大于0.7 mm泥沙[76]，或?yàn)榱讼巢◣淼挠绊懺诓煌胫芷谠囼?yàn)結(jié)束后抹平沙波以消除沙波的影響[26,42]。但沙波的影響在天然情況是普遍存在的，其對(duì)潮流的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是不可避免且復(fù)雜的，尤其沙波的遷移或?qū)λ鬟吔鐚拥挠绊戇M(jìn)而影響潮流局部沖刷需要做更進(jìn)一步的機(jī)理研究工作。

4 進(jìn)一步研究方向

4.1 現(xiàn)有研究成果統(tǒng)一

通過上述綜述分析，筆者認(rèn)為之所以目前潮流沖刷存在一定的爭(zhēng)議，是不同學(xué)者在對(duì)潮流沖刷試驗(yàn)中不同概化有關(guān)。不同的概化將產(chǎn)生不同的試驗(yàn)結(jié)果，而后續(xù)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行歸納總結(jié)時(shí)，往往忽略其試驗(yàn)條件的差異性，試圖歸納出普適的規(guī)律或結(jié)果，這樣將致使對(duì)潮流沖刷分歧進(jìn)一步的累積。因此，筆者主要通過分析不同學(xué)者試驗(yàn)概化條件的差異，試圖告知后續(xù)學(xué)者在研究分析潮流沖刷相關(guān)成果時(shí)，要區(qū)分對(duì)待不同的試驗(yàn)條件或概化將產(chǎn)生不同的結(jié)果。后續(xù)學(xué)者目前應(yīng)著手于如何統(tǒng)一現(xiàn)有研究成果上，告訴讀者哪些成果可以借鑒，哪些成果不能借鑒。同時(shí)，之所以不同學(xué)者采用恒定流或各種概化試驗(yàn)，是因?yàn)槌绷鳑_刷試驗(yàn)的復(fù)雜性，而恒定流試驗(yàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。因此，如何提出合適的恒定流試驗(yàn)概化潮流沖刷是十分緊迫的研究課題，同時(shí)，潮流沖刷難處還在于其試驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)，如何提出合適的潮流沖刷預(yù)測(cè)方法也是十分緊迫的研究課題。

4.2 大型水利工程影響下沖刷問題

筆者在綜述潮流沖刷研究過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于長(zhǎng)江河口橋墩沖刷，其仍面臨長(zhǎng)江三峽的影響。在三峽工程運(yùn)行后，其來沙逐年減少對(duì)中下游過江橋墩的沖刷有十分明顯的影響，Zheng等[38]對(duì)1998～2013年近15 a地形資料分析認(rèn)為，長(zhǎng)江來沙減小，增大了河床的整體沖刷，這將對(duì)下游橋墩沖刷埋下嚴(yán)重的隱患。同時(shí)，對(duì)于東海大橋局部沖刷研究發(fā)現(xiàn)，其近十幾年沖刷從未停止，其原因主要是長(zhǎng)江口來沙減少造成的[65,80-81]。因此，對(duì)于未來橋墩沖刷或是潮流環(huán)境下的橋墩沖刷影響，應(yīng)考慮大型水利工程可能產(chǎn)生的持續(xù)影響，這是十分有必要的。

5 結(jié)束語

本文主要以文獻(xiàn)綜述的形式，分析了潮流影響下橋墩局部沖刷特性研究最新進(jìn)展，得到的主要認(rèn)識(shí)如下：

(1)潮流引起的局部沖刷深度研究仍存在爭(zhēng)議，研究認(rèn)為潮流引起橋墩局部沖刷成果不連續(xù)的主要原因是，相關(guān)研究或試驗(yàn)采用的概化潮型與實(shí)際過程不同，引起的沖刷過程及沖刷深度等與實(shí)際潮型存在較大差異。

(2)通過閱讀大量文獻(xiàn)也發(fā)現(xiàn)較多文獻(xiàn)成果中潮流沖刷平衡仍未達(dá)到平衡，即文獻(xiàn)中的最終沖刷深度或時(shí)間不是平衡沖刷深度或時(shí)間。因此，采用未平衡的潮流沖刷深度與恒定流沖刷深度對(duì)比而提出的折減系數(shù)也存在較大的不確定性。

(3) 通過分析認(rèn)為根據(jù)不同概化試驗(yàn)得出的不同的沖刷深度或仍未達(dá)到平衡沖刷深度，提出的相關(guān)歸納性結(jié)論或提出的沖刷深度預(yù)測(cè)方法存在一定的缺陷。

(4)通過對(duì)潮流引起的橋墩局部沖刷影響因素的分析，認(rèn)為潮流作用下的局部沖刷研究更加復(fù)雜，恒定流沖刷相關(guān)成果不再適應(yīng)于潮流沖刷特性。

(5)根據(jù)上述分析認(rèn)為，其后續(xù)研究不僅要找到更合適的概化潮型研究實(shí)際潮流引起的橋墩局部沖刷，也應(yīng)提出合適的潮流沖刷預(yù)測(cè)方法。

(6)對(duì)于未來橋墩沖刷或是潮流環(huán)境下的橋墩沖刷影響，建議考慮大型水利工程可能產(chǎn)生的持續(xù)影響，這是十分有必要的。