李健華，周 川，王 俊，潘冬冬，孫忠濱

(1.中國能源建設(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)模化開發(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)間長等明顯優(yōu)勢，因此近年來我國的海上風(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)電場建造成本的20%～30%。單樁基礎(chǔ)具有結(jié)構(gòu)形式簡單、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。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)場觀測等方面對已有的研究工作進(jìn)行總結(jié)和分析，在此基礎(chǔ)上，對未來研究工作的開展給出建議。

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，國內(nèi)外的眾多學(xué)者將其簡化為水下直立圓柱，進(jìn)而對其局部沖刷問題開展研究工作。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)者對其開展大量的研究工作。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]通過在水槽試驗(yàn)中測量流速剖面，分析獲得了馬蹄渦結(jié)構(gòu)對海床剪切應(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，包括來流邊界層厚度δ、雷諾數(shù)Re、樁柱橫截面形狀、淹沒高度等，其中，Re數(shù)的定義為Re=UD/υ，U為來流流速、D為結(jié)構(gòu)特征長度(對于圓柱結(jié)構(gòu)，特征長度為其直徑)、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渦街也是影響局部沖刷的重要因素。SUMER和FREDS?E[1]通過對圓柱兩側(cè)海床剪切應(yīng)力的分析，解釋了流線收縮對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]對圓柱后方尾渦脫落開展了系統(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、來流湍流度等因素對渦脫落的影響。

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)來流條件所對應(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)者對這兩種條件下的圓柱局部沖刷問題開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]對上述公式進(jìn)行了改進(jìn)，通過在公式(1)中引入了冪指數(shù)項(xiàng)i，使得對沖刷的發(fā)展過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，如泥沙級配、圓柱淹沒深度、截面形狀、泥沙粘性等，眾多學(xué)者針對上述影響因素開展了系統(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平衡沖刷深度的影響作用，發(fā)現(xiàn)該物理量對局部沖刷有較大的影響。隨后，BAKER[11]通過實(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平衡沖刷深度的影響相對清水沖刷較弱。BAKER[12]開展了樁柱淹沒高度對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)，將不再對平衡沖刷深度產(chǎn)生影響。MELVILLE和SUTHERLAND[13]研究了水深對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)，水深對沖刷平衡深度的影響需要開展進(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)測公式。LAURSEN[18]研究了矩形截面與來流角度對立柱沖刷深度的影響作用。BRIAUD[9]開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，這也是國際上目前開展的為數(shù)不多的基于粘性土的物理模型試驗(yàn)。于通順[19]通過開展復(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]針對杭州灣跨海橋梁沖刷結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)地分析，通過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]通過對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。周益人和陳國平[23]對大直徑圓柱式結(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。對于波流聯(lián)合作用下的平衡沖刷深度預(yù)測，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)場海域常見粘土的輸運(yùn)特性，需要開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)者開展了大量數(shù)值模擬研究工作，通過對流動(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，通過等效阻力法和等阻水面積法對樁基進(jìn)行概化，通過對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)證了通過數(shù)值模擬進(jìn)行圓柱局部沖刷研究的可行性。需要說明該項(xiàng)工作僅對沖刷的初始階段進(jìn)行模擬，沖刷未達(dá)到平衡。在此基礎(chǔ)上，OLSEN和KJELLESVING[35]進(jìn)一步對清水沖刷條件下圓柱局部沖刷的整個(gè)歷程開展數(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三維模擬軟件對有無防護(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模型對圓柱的局部沖刷開展了研究工作。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)輸沙并通過泥沙在底床上的質(zhì)量守恒方程實(shí)現(xiàn)對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)對沖刷過程準(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%，這說明懸移質(zhì)輸沙對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。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)場實(shí)測資料的對比發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與實(shí)測的沖坑形態(tài)及最大沖深較為一致。

對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Volume of Fluid方法(VOF Method)對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)，對波浪和均勻流條件下的圓柱局部沖刷問題開展三維數(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)床條件下對于平衡沖刷深度的預(yù)測結(jié)果偏大。MANES和BROCCHINI[45]基于湍流理論，并假設(shè)沖坑內(nèi)渦的能量特征長度與沖坑深度相等，進(jìn)而建立預(yù)測平衡沖刷深度的理論預(yù)測公式。HAFEZ[46]基于能量平衡原理，并將沖坑形狀簡化為三角形，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)測精度不高。GAZI[47]在HAFEZ[46]的研究工作基礎(chǔ)上對其進(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)過驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值吻合良好。

以上研究工作表明，對馬蹄渦等流動(dòng)結(jié)構(gòu)的預(yù)測精度以及水沙運(yùn)動(dòng)耦合的計(jì)算方法對數(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)場實(shí)測

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

潘冬冬等[49]對湛江某海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行了3次現(xiàn)場局部沖刷實(shí)測，并根據(jù)沖刷數(shù)據(jù)開展了最大沖深、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的水文數(shù)據(jù)，對海上風(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)一步對經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值和現(xiàn)場實(shí)測值進(jìn)行了對比與分析，發(fā)現(xiàn)在砂袋與砂被復(fù)合保護(hù)下實(shí)測最大沖深相比計(jì)算值有明顯減小，沖刷半徑相對吻合。楊元平等[50]利用金塘大橋橋墩基礎(chǔ)沖刷現(xiàn)場實(shí)測資料，并結(jié)合該工程海域的地形掃測資料開展橋墩基礎(chǔ)局部沖刷研究，通過系統(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)場實(shí)測數(shù)據(jù)，對近海風(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]工作通過與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的對比，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)場監(jiān)測。同時(shí)，對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，通過與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的公式分析得到的平衡沖刷深度比實(shí)測數(shù)據(jù)大30%。此外，BOS等[53]還將現(xiàn)場監(jiān)測數(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)場監(jiān)測數(shù)據(jù)大10%。WHITEHOUSE[55]對5處風(fēng)電場的單樁基礎(chǔ)沖刷現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場觀測的最大沖刷S/D=1.8，大于通過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)，推測現(xiàn)場觀測數(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Gunfleet Sands風(fēng)場某直徑為4.7 m的風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)局部沖刷開展為期6個(gè)月的監(jiān)測，實(shí)測數(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)的測量精度，導(dǎo)致外推獲得的沖刷數(shù)據(jù)與現(xiàn)場監(jiān)測數(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)場實(shí)測數(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)行了一定程度的簡化，未考慮這些物理量的聯(lián)合作用效果。

5 結(jié)語

本文針對垂直樁柱結(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)場實(shí)測數(shù)據(jù)存在較大的差異，還需要開展更加深入系統(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)展得相對成熟，但得到的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測公式、預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)均存在較大的差異。因此，對如何將實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)應(yīng)用到工程現(xiàn)場需要進(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)，它們往往對應(yīng)著截然不同的輸運(yùn)和沖刷特性，因此需要開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)對沖刷過程的影響。