水下垂直樁柱結(jié)構(gòu)局部沖刷研究與進(jìn)展

李健華，周 川，王 俊，潘冬冬，孫忠濱

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司,廣州 510663;2.廣東科諾勘測(cè)工程有限公司,廣州 510663;3.南京水利科學(xué)研究院,南京 210029)

海上風(fēng)電是清潔能源以及可再生能源的重要發(fā)展方向之一，兼具良好的規(guī)?；_(kāi)發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景，因此在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的關(guān)注。與陸地風(fēng)能資源相比，海上風(fēng)能資源具有風(fēng)速大，風(fēng)垂直切變更小，年利用時(shí)間長(zhǎng)等明顯優(yōu)勢(shì)，因此近年來(lái)我國(guó)的海上風(fēng)電事業(yè)得到了蓬勃發(fā)展。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是保障風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行的重要設(shè)施，占整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)建造成本的20%～30%。單樁基礎(chǔ)具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、施工工藝成熟、建造成本較低等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)電工程。原本處于動(dòng)態(tài)平衡的海床，由于單樁基礎(chǔ)的安裝，勢(shì)必會(huì)改變當(dāng)?shù)氐乃畡?dòng)力條件，使得維持動(dòng)態(tài)平衡的外部條件被打破，其直接后果是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物附近的泥沙發(fā)生局部沖刷。局部沖刷會(huì)使得樁基基礎(chǔ)的承載力下降，橫向受力不均勻，最終會(huì)導(dǎo)致樁基基礎(chǔ)發(fā)生在位失穩(wěn)，嚴(yán)重威脅風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)營(yíng)。此外，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的局部沖刷涉及到復(fù)雜的流體-結(jié)構(gòu)-海床強(qiáng)非線性相互作用，其中蘊(yùn)含著豐富的物理現(xiàn)象。因此，有關(guān)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的局部沖刷研究工作具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)研究意義。本文從風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)局部沖刷的沖刷機(jī)理、物理模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等方面對(duì)已有的研究工作進(jìn)行總結(jié)和分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)未來(lái)研究工作的開(kāi)展給出建議。

1 沖刷機(jī)理研究

海上單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)通常為圓柱形結(jié)構(gòu)。因此，國(guó)內(nèi)外的眾多學(xué)者將其簡(jiǎn)化為水下直立圓柱，進(jìn)而對(duì)其局部沖刷問(wèn)題開(kāi)展研究工作。當(dāng)流體流經(jīng)圓柱結(jié)構(gòu)時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的存在，導(dǎo)致其周圍的流動(dòng)結(jié)構(gòu)發(fā)生深刻變化，具體包括圓柱前方的下降水流、前緣馬蹄渦結(jié)構(gòu)、后方尾渦脫落以及圓柱兩側(cè)的流線收縮，相關(guān)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，流動(dòng)結(jié)構(gòu)的改變對(duì)圓柱的局部沖刷有著重要的影響作用。

圖1 單樁基礎(chǔ)周圍流動(dòng)結(jié)構(gòu)[1]Fig.1 Schematic diagram of flow structure around a vertical pile[1]

馬蹄渦是誘發(fā)水下垂直圓柱發(fā)生局部沖刷的關(guān)鍵因素，眾多學(xué)者對(duì)其開(kāi)展大量的研究工作。由于圓柱的存在，其上游會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓梯度，從而使來(lái)流邊界層發(fā)生流動(dòng)分離，分離的邊界層會(huì)在圓柱的前緣形成馬蹄渦系結(jié)構(gòu)[1]。SCHWIND[2]和BAKER[3]在風(fēng)洞試驗(yàn)中通過(guò)煙霧可視化技術(shù)、DARGAHI[4]在水槽試驗(yàn)中使用氫氣泡可視化技術(shù)證明了馬蹄渦系結(jié)構(gòu)的存在。HJORTH[5]和BAKER[3]通過(guò)在水槽試驗(yàn)中測(cè)量流速剖面，分析獲得了馬蹄渦結(jié)構(gòu)對(duì)海床剪切應(yīng)力τ分布的影響作用。相關(guān)的研究結(jié)果表明，馬蹄渦影響下的海床剪切應(yīng)力值相比遠(yuǎn)場(chǎng)情況增加了5～11倍[5]，海床剪切應(yīng)力的放大是結(jié)構(gòu)發(fā)生局部沖刷的決定性因素。HJORTH[5]和BAKER[3]的研究結(jié)果證明了馬蹄渦是影響圓柱局部沖刷的重要因素。BAKER[3]還研究了影響馬蹄渦強(qiáng)度的因素，包括來(lái)流邊界層厚度δ、雷諾數(shù)Re、樁柱橫截面形狀、淹沒(méi)高度等，其中，Re數(shù)的定義為Re=UD/υ，U為來(lái)流流速、D為結(jié)構(gòu)特征長(zhǎng)度(對(duì)于圓柱結(jié)構(gòu)，特征長(zhǎng)度為其直徑)、υ為流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。

圓柱兩側(cè)的流線收縮以及后方脫落的卡門(mén)渦街也是影響局部沖刷的重要因素。SUMER和FREDS?E[1]通過(guò)對(duì)圓柱兩側(cè)海床剪切應(yīng)力的分析，解釋了流線收縮對(duì)局部沖刷的影響作用。尾渦是由圓柱兩側(cè)表面的邊界層分離所引起的，主要影響因素為雷諾數(shù)Re和截面形狀。SUMER和FREDS?E[6]對(duì)圓柱后方尾渦脫落開(kāi)展了系統(tǒng)研究工作，闡明了發(fā)生渦脫落的物理機(jī)制，分析了雷諾數(shù)Re、表面粗糙度、截面形狀、來(lái)流湍流度等因素對(duì)渦脫落的影響。

上述的研究工作表明，馬蹄渦的形成和圓柱兩側(cè)的流線收縮，使得圓柱近底周圍的床面剪切應(yīng)力增大，導(dǎo)致輸沙率增加，進(jìn)而在結(jié)構(gòu)物四周形成倒錐形的局部沖坑。在下降水流的淘刷作用下，沖刷坑進(jìn)一步擴(kuò)展；同時(shí)，馬蹄渦強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)并向沖坑內(nèi)移動(dòng)，與后方尾渦共同作用將沖坑內(nèi)泥沙輸運(yùn)到下游。

2 物理模型實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)來(lái)流條件所對(duì)應(yīng)希爾茲參數(shù)θ與泥沙臨界希爾茲參數(shù)θcr的關(guān)系，可將局部沖刷分為清水沖刷(θ>θcr)和動(dòng)床沖刷(θ>θcr)。眾多學(xué)者對(duì)這兩種條件下的圓柱局部沖刷問(wèn)題開(kāi)展了大量物理模型試驗(yàn)研究工作，主要研究局部沖刷的發(fā)展規(guī)律、沖刷時(shí)間尺度T、平衡沖刷深度S0對(duì)相關(guān)影響因素的依賴關(guān)系，并建立了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)模型。

FREDS?E和SUMER等[7]基于松散均勻沙試驗(yàn)，建立了均勻流條件下，圓柱局部沖刷深度隨時(shí)間變化的經(jīng)驗(yàn)公式

(1)

式中：T為沖刷時(shí)間尺度；t為時(shí)間。WHITEHOUSE[8]對(duì)上述公式進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)在公式(1)中引入了冪指數(shù)項(xiàng)i，使得對(duì)沖刷的發(fā)展過(guò)程及平衡沖刷深度的預(yù)報(bào)更加準(zhǔn)確，其公式為

(2)

BRIAUD等[9]基于粘性土沖刷試驗(yàn)，同時(shí)引入沖刷擴(kuò)展速率的概念，提出了沖刷深度隨時(shí)間變化的公式

(3)

式中：V為在沖刷初始階段的擴(kuò)展速率，BRIAUD等[9]同時(shí)給出了平衡沖刷深度S0的表達(dá)式，該表達(dá)式唯一依賴于Re數(shù)，形式為S0(mm) = 0.18Re0.635。

影響局部沖刷深度的因素較多，如泥沙級(jí)配、圓柱淹沒(méi)深度、截面形狀、泥沙粘性等，眾多學(xué)者針對(duì)上述影響因素開(kāi)展了系統(tǒng)的研究工作。RAUDKIVI和ETTEMA[10]研究了清水沖刷條件下泥沙幾何均方差對(duì)平衡沖刷深度的影響作用，發(fā)現(xiàn)該物理量對(duì)局部沖刷有較大的影響。隨后，BAKER[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)床沖刷條件下，泥沙顆粒的幾何均方差對(duì)平衡沖刷深度的影響相對(duì)清水沖刷較弱。BAKER[12]開(kāi)展了樁柱淹沒(méi)高度對(duì)平衡沖刷深度影響的研究工作。相關(guān)的結(jié)果表明，隨著樁柱高度的增大，馬蹄渦的強(qiáng)度會(huì)不斷增強(qiáng)，平衡沖刷深度也會(huì)隨之增大；當(dāng)圓柱高度大于5D時(shí)，將不再對(duì)平衡沖刷深度產(chǎn)生影響。MELVILLE和SUTHERLAND[13]研究了水深對(duì)平衡沖刷深度的影響，并在水深與圓柱直徑比h/D<2.6時(shí)，引入了水深影響系數(shù)Kh=0.78(h/D)0.255，得出圓柱周圍可能發(fā)生的最大沖刷深度為2.4D。但在MELVILLE和CHIEW[14]后續(xù)的研究工作中提出，當(dāng)水深較淺時(shí)，水深對(duì)沖刷平衡深度的影響需要開(kāi)展進(jìn)一步研究工作。MELVILLE和SUTHERLAND[13]根據(jù)ETTEMA[15]和CHIEW[16]的動(dòng)床沖刷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了泥沙中值粒徑d50對(duì)平衡沖刷深度的影響。當(dāng)D/d50<50時(shí)，平衡沖刷深度隨泥沙中值粒徑的增大而增大；而當(dāng)D/d50≥50，泥沙中值粒徑不再對(duì)沖刷平衡深度產(chǎn)生影響，ETTEMA[15]認(rèn)為這是由于泥沙顆粒間孔隙率增大引起的水流能量耗散所導(dǎo)致的。SUMER和CHRISTIANSEN等[17]研究了截面形狀對(duì)平衡沖刷深度的影響，闡明了截面形狀影響馬蹄渦的強(qiáng)度，進(jìn)而影響沖刷深度的物理機(jī)制。MELVILLE和SUTHERLAND[13]根據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果，引入截面形狀系數(shù)，從而獲得了具有不同截面形狀立柱結(jié)構(gòu)的局部沖刷平衡深度預(yù)測(cè)公式。LAURSEN[18]研究了矩形截面與來(lái)流角度對(duì)立柱沖刷深度的影響作用。BRIAUD[9]開(kāi)展了垂直圓柱在粘性土條件下的局部沖刷實(shí)驗(yàn)，其研究結(jié)果表明，粘性海床達(dá)到平衡沖刷深度所需的時(shí)間要遠(yuǎn)大于松散均勻沙的條件，這也是國(guó)際上目前開(kāi)展的為數(shù)不多的基于粘性土的物理模型試驗(yàn)。于通順[19]通過(guò)開(kāi)展復(fù)合筒型基礎(chǔ)在單向流作用下的物理沖刷實(shí)驗(yàn)，獲得了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)周邊的沖刷深度和沖刷平衡時(shí)間。研究發(fā)現(xiàn)，沖刷坑呈勺狀并且其分布范圍在基礎(chǔ)模型后方45°～90°的區(qū)域內(nèi)。韓海騫[20]針對(duì)杭州灣跨海橋梁沖刷結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)地分析，通過(guò)研究給出了水流作用下的大直徑橋梁墩柱局部沖刷計(jì)算公式。李林普等[21]通過(guò)對(duì)水流作用下大直徑圓柱基底的局部沖刷進(jìn)行研究，得到了適用于淺海砂質(zhì)海床的最大沖深計(jì)算公式。研究結(jié)果表明，大直徑圓柱基底沖淤圖呈W型，最大沖深位于圓柱前方45°～90°的區(qū)域內(nèi)。MELVILLE和SUTHERLAND[13]對(duì)于均勻流作用下具有不同截面形狀的水下垂直樁柱平衡沖刷深度開(kāi)展研究工作，建立如式(4)所示的可考慮多種因素影響的平衡沖刷深度預(yù)報(bào)公式[13]

S0/D=KIKδKdKsKα

(4)

式中：KI、Kδ、Kd、Ks、Kα分別為與希爾茲數(shù)、水深、泥沙中值粒徑、截面形狀、來(lái)流攻角有關(guān)的參數(shù)。

此外，王汝凱[22]基于水槽試驗(yàn)，總結(jié)了適用于波浪引起沖刷計(jì)算的公式。周益人和陳國(guó)平[23]對(duì)大直徑圓柱式結(jié)構(gòu)物在不規(guī)則波作用下的局部沖刷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，給出了大直徑圓柱結(jié)構(gòu)的最大沖刷深度計(jì)算公式。在波浪作用下的平衡沖刷深度預(yù)測(cè)方面，SUMER和FREDS?E[1]基于大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了考慮波浪KC數(shù)影響條件下的垂直圓柱局部沖刷經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)公式

(5)

式中：KC數(shù)的定義為KC=UwT/D，其中Uw為波浪水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的幅值，T為波浪周期。

黃瑩等[24]開(kāi)展了海洋平臺(tái)樁基的沖刷機(jī)理研究，考慮了樁基、波流以及泥沙的相互作用，利用海床剪切應(yīng)力、泥沙起動(dòng)率以及輸沙率等參數(shù)判斷泥沙的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，得到樁基局部沖刷結(jié)果與SUMER和FREDS?E[25]較為一致。程永舟等[26]利用SUMER和FREDS?E[25]提出的沖深計(jì)算公式和Stokes二階波浪理論，提出了隨機(jī)波和水流共同作用的沖刷計(jì)算方法。研究發(fā)現(xiàn)，引起細(xì)顆粒泥沙運(yùn)動(dòng)的滲流力隨著波浪周期增大而增大。楊子希等[27]采用系列模型試驗(yàn)方法，針對(duì)極細(xì)沙海床在波流共同作用下的樁基礎(chǔ)沖刷深度及防護(hù)措施效果展開(kāi)研究，并將試驗(yàn)結(jié)果與學(xué)者經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。對(duì)于波流聯(lián)合作用下的平衡沖刷深度預(yù)測(cè)，SUMER和FREDS?E[1]提出以下經(jīng)驗(yàn)公式

(6)

式中：S0為根據(jù)式(4)計(jì)算得到的水流作用下平衡沖刷深度預(yù)測(cè)結(jié)果，A和B是與流動(dòng)條件相關(guān)的參數(shù)。其中A=0.03+0.75Ucw2.6，B=6×exp(-4.7Ucw)，Ucw=U/(U+Uw)。

以上基于物理模型試驗(yàn)，對(duì)影響圓柱局部沖刷的各項(xiàng)因素進(jìn)行了總結(jié)分析，并給出了不同流動(dòng)條件下的沖刷平衡深度經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)公式。需要說(shuō)明的是，以上經(jīng)驗(yàn)公式基本都是在松散均勻沙物理試驗(yàn)基礎(chǔ)上獲得的，難以考慮實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)海域常見(jiàn)粘土的輸運(yùn)特性，需要開(kāi)展更加深入的研究工作，從而使得基于實(shí)驗(yàn)室松散均勻沙所建立的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)公式更加具有工程指導(dǎo)價(jià)值。

3 數(shù)值模擬和理論分析

如前文所述，圓柱前緣的馬蹄渦流動(dòng)結(jié)構(gòu)是影響其局部沖刷的關(guān)鍵因素，BRILEY和MCDONAL[28]、KWAK等[29]、DENG和PIQUET[30]、KOBAYASHI[31]等眾多學(xué)者開(kāi)展了大量數(shù)值模擬研究工作，通過(guò)對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的分析，系統(tǒng)地研究了馬蹄渦結(jié)構(gòu)的生成和演化機(jī)制，為進(jìn)一步研究圓柱局部沖刷的數(shù)值模擬奠定了重要基礎(chǔ)。方許聞等[32]在理想數(shù)值水槽中，將風(fēng)電樁基作為陸域邊界直接模擬，通過(guò)等效阻力法和等阻水面積法對(duì)樁基進(jìn)行概化，通過(guò)對(duì)這兩種概化方法的結(jié)果進(jìn)行比較分析，表明在實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)樁基的形式選取適合的概化方法。李紹武和楊航[33]利用FLOW-3D三維模擬軟件中大渦模擬紊流模型模塊以及泥沙沖刷模塊，對(duì)不同尺度圓柱周邊的局部沖刷進(jìn)行系統(tǒng)模擬研究。計(jì)算結(jié)果表明，在不同圓柱直徑下，圓柱的迎水側(cè)、背水側(cè)以及對(duì)稱側(cè)的平衡沖刷深度始終保持著特定的比例關(guān)系。

在清水沖刷的數(shù)值模擬方面，OLSEN和MELAAEN[34]較早開(kāi)展了圓柱局部沖刷的數(shù)值模擬研究工作。在其數(shù)值模型中，流體運(yùn)動(dòng)的控制方程為雷諾平均的Navier-Stokes方程，并采用k-ε模型進(jìn)行湍流封閉，模型中同時(shí)考慮可懸移質(zhì)輸沙和推移質(zhì)輸沙，數(shù)值計(jì)算得到的沖坑幾何特征與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行圓柱局部沖刷研究的可行性。需要說(shuō)明該項(xiàng)工作僅對(duì)沖刷的初始階段進(jìn)行模擬，沖刷未達(dá)到平衡。在此基礎(chǔ)上，OLSEN和KJELLESVING[35]進(jìn)一步對(duì)清水沖刷條件下圓柱局部沖刷的整個(gè)歷程開(kāi)展數(shù)值模擬工作，模擬得到的平衡沖刷深度與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果吻合良好。張博杰[36]基于OpenFOAM開(kāi)源程序構(gòu)建了三維水流模型，并利用海床切應(yīng)力平衡方法給出了海洋結(jié)構(gòu)物局部沖刷的數(shù)學(xué)模型。研究結(jié)果表明，利用三維水流-局部沖刷數(shù)學(xué)模型可以較好地模擬圓柱周圍粘性泥沙的沖刷過(guò)程，得到的最大沖深與物理模型試驗(yàn)較為一致。趙雁飛[37]利用FLOW-3D流體程序構(gòu)建了三維數(shù)值水池，針對(duì)波浪作用下風(fēng)電基礎(chǔ)的受力情況和基礎(chǔ)局部沖刷情況開(kāi)展系統(tǒng)研究。研究結(jié)果表明，利用FLOW-3D構(gòu)建的三維數(shù)值水池可以準(zhǔn)確地模擬風(fēng)電基礎(chǔ)沖坑深度，并能較好地捕捉?jīng)_刷過(guò)程中床面的變化。為深入分析海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)的沖刷過(guò)程及防沖刷措施的效果，凈曉飛等[38]利用FLOW-3D三維模擬軟件對(duì)有無(wú)防護(hù)下的單樁基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值模擬并和模型實(shí)驗(yàn)對(duì)比。結(jié)果表明FLOW-3D可以較好地反映各防護(hù)措施下的沖刷過(guò)程，與模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

在動(dòng)床沖刷的數(shù)值模擬方面，ROULUND等[39]在OLSEN和MELAAEN[34]以及OLSEN和KJELLESVING[35]的工作基礎(chǔ)上，采用EllipSys3D模型對(duì)圓柱的局部沖刷開(kāi)展了研究工作。該模型同樣采用雷諾平均的Navier-Stokes方程作為流體運(yùn)動(dòng)的控制方程并通過(guò)k-ε模型進(jìn)行湍流封閉。數(shù)值模型中同樣考慮了推移質(zhì)輸沙和懸移質(zhì)輸沙并通過(guò)泥沙在底床上的質(zhì)量守恒方程實(shí)現(xiàn)對(duì)局部沖刷地形的模擬。相關(guān)的數(shù)值模擬結(jié)果表明，該模型可以實(shí)現(xiàn)對(duì)沖刷過(guò)程準(zhǔn)確模擬，所得到的圓柱上游方向平衡沖刷深度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，但圓柱下游方向的平衡沖刷深度與試驗(yàn)結(jié)果存在30%的偏差。BAYKAL等[40]研究了懸移質(zhì)輸沙和推移質(zhì)輸沙對(duì)局部沖刷的影響作用。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)不考慮懸移質(zhì)輸運(yùn)時(shí)，平衡沖刷深度會(huì)減小50%，這說(shuō)明懸移質(zhì)輸沙對(duì)局部沖刷有重要的影響作用，在數(shù)值模擬中不可忽略。張曙光[41]利用FLOW-3D流體程序構(gòu)建了三維數(shù)值水池，采用大渦模擬技術(shù)(LES)模擬了橋墩附近湍流流場(chǎng)。以內(nèi)置的FAVOR技術(shù)追蹤河床形態(tài)的變化情況，得到了橋墩局部沖刷的完整形態(tài)。與橋墩現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)的沖坑形態(tài)及最大沖深較為一致。

對(duì)于波浪條件下的圓柱局部沖刷數(shù)值模擬研究，LIU和GARCIA[42]通過(guò)Volume of Fluid方法(VOF Method)對(duì)波浪自由表面和水沙交界面進(jìn)行捕捉，計(jì)算得到的平衡沖刷深度以及沖坑形態(tài)特征與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合。AFZAL等[43]用LSM方法(level-set method)，對(duì)波浪和均勻流條件下的圓柱局部沖刷問(wèn)題開(kāi)展三維數(shù)值模擬研究工作，發(fā)現(xiàn)該模型整體上能夠較好地預(yù)測(cè)沖坑的形態(tài)特征、沖坑位置和平衡沖刷深度。

在理論分析方面，DEY[44]基于馬蹄渦系結(jié)構(gòu)是局部沖刷的主導(dǎo)因素以及沖刷為逐層發(fā)展的基本假定，提出了均勻和非均勻輸移質(zhì)在清水和動(dòng)床沖刷條件下局部沖刷深度隨時(shí)間變化的理論預(yù)測(cè)模型，相關(guān)的研究表明，該模型在均勻輸移質(zhì)動(dòng)床條件下對(duì)于平衡沖刷深度的預(yù)測(cè)結(jié)果偏大。MANES和BROCCHINI[45]基于湍流理論，并假設(shè)沖坑內(nèi)渦的能量特征長(zhǎng)度與沖坑深度相等，進(jìn)而建立預(yù)測(cè)平衡沖刷深度的理論預(yù)測(cè)公式。HAFEZ[46]基于能量平衡原理，并將沖坑形狀簡(jiǎn)化為三角形，建立了平衡沖刷深度理論預(yù)報(bào)模型，但模型中關(guān)于沖刷形態(tài)的假設(shè)與實(shí)際情況存在差異，導(dǎo)致該理論模型的預(yù)測(cè)精度不高。GAZI[47]在HAFEZ[46]的研究工作基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，模型中考慮了多種沖刷坑形態(tài)，提出了新的計(jì)算平衡沖刷深度模型。袁春光等[48]提出了“查圖法”和“微分迭代法”兩種方法來(lái)計(jì)算潮流條件下的樁基局部沖刷，潮流沖刷折減系數(shù)僅為0.4～0.6；而當(dāng)漲急流速超過(guò)2.1倍臨界起動(dòng)流速時(shí)，潮流沖刷折減系數(shù)達(dá)到0.9以上，因此使用沖刷折減系數(shù)時(shí)需要注意流速的大小，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合良好。

以上研究工作表明，對(duì)馬蹄渦等流動(dòng)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)精度以及水沙運(yùn)動(dòng)耦合的計(jì)算方法對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的精度起到?jīng)Q定性作用。與第二節(jié)情況相類似，目前無(wú)論是數(shù)值分析模型還是理論分析模型，其泥沙模塊基本都是基于松散均勻沙相關(guān)理論所建立的，對(duì)粘性土的輸運(yùn)和沖刷特性考慮不足，導(dǎo)致相關(guān)的預(yù)報(bào)分析結(jié)果難以直接應(yīng)用到工程實(shí)際中去。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

除了物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，部分學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方式，獲得水下垂直樁柱結(jié)構(gòu)局部沖刷的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的深入分析，建立了平衡沖刷深度對(duì)相關(guān)物理量的依賴關(guān)系，并與通過(guò)物理模型試驗(yàn)所建立的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式提出改進(jìn)措施。

潘冬冬等[49]對(duì)湛江某海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行了3次現(xiàn)場(chǎng)局部沖刷實(shí)測(cè)，并根據(jù)沖刷數(shù)據(jù)開(kāi)展了最大沖深、沖淤變化特征等參數(shù)的分析。依據(jù)現(xiàn)有的樁基基礎(chǔ)局部沖刷經(jīng)驗(yàn)公式與工程海域?qū)崪y(cè)的水文數(shù)據(jù)，對(duì)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的最大沖深與沖刷半徑進(jìn)行了計(jì)算，并進(jìn)一步對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行了對(duì)比與分析，發(fā)現(xiàn)在砂袋與砂被復(fù)合保護(hù)下實(shí)測(cè)最大沖深相比計(jì)算值有明顯減小，沖刷半徑相對(duì)吻合。楊元平等[50]利用金塘大橋橋墩基礎(chǔ)沖刷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，并結(jié)合該工程海域的地形掃測(cè)資料開(kāi)展橋墩基礎(chǔ)局部沖刷研究，通過(guò)系統(tǒng)地分析解析出了往復(fù)潮流條件下橋墩基礎(chǔ)的一般沖刷及局部沖刷深度。張瑋等[51]和祁一鳴等[52]利用江蘇近海風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)局部沖刷現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)近海風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的局部沖刷情況進(jìn)行了系統(tǒng)研究。張瑋等[51]和祁一鳴等[52]工作通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，均得出如下結(jié)論：采用韓海騫[20]提出的波浪作用下垂直樁柱局部沖刷預(yù)報(bào)公式獲得的局部沖刷深度相比其他經(jīng)驗(yàn)公式更為準(zhǔn)確。

BOS等[53]對(duì)荷蘭北海某重力式平臺(tái)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的局部沖刷情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，對(duì)KHALFIN[54]經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了改進(jìn)，建立了新的沖刷平衡深度預(yù)報(bào)公式，通過(guò)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的公式分析得到的平衡沖刷深度比實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大30%。此外，BOS等[53]還將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室建立的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)公式的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)公式計(jì)算得到的結(jié)果比現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大10%。WHITEHOUSE[55]對(duì)5處風(fēng)電場(chǎng)的單樁基礎(chǔ)沖刷現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的最大沖刷S/D=1.8，大于通過(guò)DNV規(guī)范計(jì)算得到的結(jié)果(DNV規(guī)范計(jì)算得到的最大沖刷深度為S/D=1.3)，推測(cè)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與DNV規(guī)范計(jì)算值存在的差異是由極端海況條件所引起的。FIGEN[56]對(duì)Gunfleet Sands風(fēng)場(chǎng)某直徑為4.7 m的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)局部沖刷開(kāi)展為期6個(gè)月的監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，最大沖刷深度為S/D=1.7，也大于DNV規(guī)范的計(jì)算值。此外，F(xiàn)IGEN[56]還發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)潮汐條件是誘發(fā)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)局部沖刷的重要因素，DNV規(guī)范對(duì)潮汐流動(dòng)條件考慮不足，導(dǎo)致計(jì)算得到的沖刷深度與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在較大差異。YAO[57]基于物理模型試驗(yàn)獲得了結(jié)構(gòu)物周圍應(yīng)力放大系數(shù)，提出利用土體表觀沖刷速率，將實(shí)驗(yàn)室物理模型試驗(yàn)獲得的沖刷數(shù)據(jù)外推到原型的方法。但該方法對(duì)海床粗糙高度參數(shù)的選取較為敏感，同時(shí)外推的精度也受限于應(yīng)力放大系數(shù)的測(cè)量精度，導(dǎo)致外推獲得的沖刷數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的差異。

以上分析表明，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)報(bào)得到的沖刷數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均存在一定的誤差，這主要是由于相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式的取得基本都是基于實(shí)驗(yàn)室松散均勻沙獲得的，難以考慮現(xiàn)場(chǎng)粘性土的局部沖刷特性；此外，影響局部沖刷的物理量眾多，現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式均進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，未考慮這些物理量的聯(lián)合作用效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)垂直樁柱結(jié)構(gòu)局部沖刷的相關(guān)研究工作進(jìn)行了回顧與總結(jié)。目前，有關(guān)水下垂直樁柱局部沖刷研究工作主要以物理模型試驗(yàn)為主，并建立了可考慮不同流動(dòng)條件的局部沖刷特性預(yù)報(bào)公式。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬也被廣泛應(yīng)用到局部沖刷的研究工作中。由于局部沖刷的復(fù)雜性，導(dǎo)致目前所建立的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)公式得到的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在較大的差異，還需要開(kāi)展更加深入系統(tǒng)的研究工作，建立更加準(zhǔn)確的沖刷預(yù)報(bào)公式。通過(guò)總結(jié)和分析，相關(guān)結(jié)論如下：

(1)單樁基礎(chǔ)沖刷的物理模型試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相對(duì)成熟，但得到的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)公式、預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均存在較大的差異。因此，對(duì)如何將實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)應(yīng)用到工程現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)一步研究。

(2)現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)公式的取得往往都是基于松散均勻沙所獲得的，而實(shí)際工程中，海床往往廣泛分布著粘性效應(yīng)比較明顯的底質(zhì)，它們往往對(duì)應(yīng)著截然不同的輸運(yùn)和沖刷特性，因此需要開(kāi)展更加深入的研究工作，使得實(shí)驗(yàn)室獲得的結(jié)果更加具有工程應(yīng)用價(jià)值。

(3)目前，數(shù)值分析模型已經(jīng)可以很好地模擬馬蹄渦流動(dòng)結(jié)構(gòu)。與物理試驗(yàn)類似，數(shù)值分析模型的泥沙運(yùn)動(dòng)模塊也是基于松散均勻沙所建立的。未來(lái)的研究工作中，應(yīng)更加關(guān)注粘性土的輸運(yùn)和沖刷特性，并建立相關(guān)輸運(yùn)公式，對(duì)數(shù)值分析模型進(jìn)行改進(jìn)。

(4)實(shí)際工程中的單樁基礎(chǔ)在復(fù)雜海洋環(huán)境作用下會(huì)發(fā)生渦激振動(dòng)，而目前的研究鮮有考慮到渦激振動(dòng)對(duì)沖刷過(guò)程的影響。