潮流对桥墩局部冲刷影响研究综述

2021-06-29闻云呈闫杰超夏云峰

水道港口 2021年2期

闻云呈，薛伟，闫杰超，夏云峰

(1.南京水利科学研究院，南京 210029；2.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉 430050)

沿江及沿海经济带的快速发展，使得跨江及跨海桥梁建设成为促进两岸或多区域活动必不可少的交通途径之一。而随着桥梁向河口及沿海地区建设，其受到的水动力环境也从径流控制逐渐向潮流控制，甚至波流控制转变[1]。就径流环境下的桥墩冲刷研究而言，需要进行汇集、溪流、远场、近场及局部五方面资料调查分析[2]，而潮汐河口桥墩冲刷还需收集分析近海及潮流资料[3]，加之潮汐类型不同、盐水楔、沙波输移及面波等因素对桥墩冲刷的影响[4]，使得潮流引起的桥墩局部冲刷机理及影响研究更加复杂。目前，潮流桥梁局部冲刷研究或认识仍存在一定争议：一种声音认为潮流引起的桥墩最大局部冲刷深度取决于涨、落急最大流速，在足够长的冲刷周期作用下，其与径流相同流速条件下最大局部冲刷深度基本相同[5-9]；另一种声音认为潮流作用下存在反向流的泥沙供给，造成潮流作用下的最大局部冲刷深度要小于径流作用下的最大局部冲刷深度[10-12]。同时，国内相关规范[13-14]也并未明确潮流引起的桥梁局部冲刷计算方法。美国在2000年行业规范中才专门包括有“潮汐河道冲刷”和“冲刷计算”的章节，该规范是国际范围内首次提出了潮汐水流中桥墩局部冲刷工程应用的行业规范[15]。不同潮流作用下桥墩局部冲刷深度计算公式相继被提出[16-21]，但因采用研究方法及试验条件各不相同，其适用性仍有待进一步考证。

对于潮流作用下的桥墩局部冲刷研究方法有现场观测[20,22-24]、物理试验[25-27]及数值模拟[28]。物理试验由于其具有较高可信度及试验周期短、条件控制简单、耗费不高等特点，常被应用于大型桥梁局部冲刷研究[20]。潮流桥墩局部冲刷过程中水流具有方向变化性，加之试验建模流程的复杂性、试验的长周期运行以及所需的大量基础设施和设备，使得在试验设计时对潮流条件进行一定概化处理[19,27,29-32]。但不同的潮流概化将引起桥墩局部冲刷与实际的差异[32-33]。这种差异是造成上述争议的主要原因之一，同时，也造成目前对潮流桥墩局部冲刷机理及认识仍未完全洞悉。因此，本文通过系统梳理国内外桥墩局部冲刷的研究文献，对潮流引起的桥梁局部冲刷进行了较为系统的综述，在潮流冲刷机理、冲刷深度、冲刷过程及主要影响因素等方面提出具有建设性的见解。

1 潮流桥墩局部冲刷机理研究

1.1 潮流动力引起桥墩局部冲刷特性

当拟建或已建桥梁位于感潮河段或河口外海时，其将受到天文潮汐或波浪的影响[4, 34]。Conaway与Schauer[1]对阿拉斯加地区潮流影响下桥墩的局部冲刷进行研究，将影响桥墩潮流性质分为潮流控制、潮流感应及潮流影响三类。其中，在潮汐控制桥区处潮汐水流每个周期都有完整的水流逆转；在潮流变动区的桥梁处在某些潮汐水流出现潮流逆转，动力环境以落潮流占优势；在感潮区域的桥梁受潮水位壅水的影响，不出现潮流逆转现象，与径流河段的特征基本一致。Wang[35]认为潮汐影响段影响桥墩冲刷的水流动力主要受集汇区径流的平流作用为主，潮汐感应段影响桥墩冲刷的水流动力主要受上游径流与下游潮流的共同作用为主，而外海区域主要受风、潮汐、洋流与盐淡混合水等因素影响。相应的Donald R. D[36]就不同径流、潮汐环境下桥墩局部水动力条件及冲刷影响因素等进行了详细的理论分析，说明不同桥区潮流动力将对其局部产生不同的冲刷特性。

以我国长江口为例，通常将大通站作为潮流影响上边界，称为潮区界，而将江阴作为潮流影响的分界点，称为潮流界[37]。Zheng等[38]基于不同潮流类型区段长江中游(单向径流作用为主)与下游(双向潮流作用为主)四座大桥的冲刷特性进行了研究，研究发现中游桥墩处河床地形多表现为仅桥基周围的侵蚀，但下游桥墩处河床地形则表现为桥基两侧出现一条长的侵蚀沟及上下游分布着长条状淤积带。这从侧面反应了潮流类型对桥墩冲刷的影响及与径流的不同。同时，陆雪骏[20]采用多波束测深系统对长江大通站以下潮区界内六座长江大桥(铜陵长江公路大桥、芜湖长江大桥、大胜关长江大桥、南京长江大桥、南京长江第二大桥及南京长江第四大桥)与潮流界内一座长江大桥(上海长江大桥)局部冲刷进行了系统的研究，研究表明不同潮流条件下的桥墩局部冲刷深度、范围及形态各不相同(图1)。

1.2 潮流引起的桥墩局部冲刷机理及过程

1.2.1 冲刷机理

潮流与单向流最大的不同在于其具有方向性，因此所处桥墩将受到逆转水流的往复作用影响。潮流的往复特性与波浪水质点瞬态的往复相似，在时间比尺上潮流周期明显大于波浪周期，潮流与波浪相比更趋向于稳定流[22]。Schendel等[39]认为由于水流的往复变化，可能引起潮流边界层发育不充分，进而影响马蹄涡的形成或强度。目前研究通常认为，潮流作用下墩前水流边界层是充分发展的[39-40]，且认为潮流引起桥墩冲刷的主要机理与单向恒定流相似，即为墩前下潜流、墩前马蹄涡及尾涡的综合作用[27,41]。潮流与单向流所引起的桥墩冲刷都为墩前下潜流、墩前马蹄涡及尾涡等综合作用，但潮流以周期或准周期性变化的流速及水深将产生不同的冲刷类型，通常采用无量纲参数U/Uc描述冲刷的差异。其中，U为来流平均流速，Uc为泥沙起动临近流速。该无量纲参数U/Uc可将一个潮半周期划分为三种冲刷类型：清水冲刷(U/Uc<1)、过渡冲刷(U/Uc=1)与动床冲刷(U/Uc>1)[27]。综上，桥墩的潮流冲刷不仅要受到往复水流的作用，还可能形成不同的冲刷类型。

1.2.2 冲刷过程

每半个潮流周期内桥墩将可能经历三种类型的冲刷，进一步将潮流周期内最大流速Umax与泥沙临界起动流速Uc比值作为划分潮流清水冲刷、过渡冲刷或动床冲刷的标准。具体变化如下[24,27,34](图2)：

图2 不同概化潮型冲刷过程示意(Schendel等[19])Fig.2 Scouring process for different generalized tidal patterns

(1)当U<0.5Uc时，前半个周期潮流处于上升初始阶段，此时流速较小，桥墩周围无冲刷发生；

(2)当0.5Uc≤U

(3)当Uc=U时，此时为过渡冲刷阶段，冲刷时间较短；

(4)当U>Uc时，此时桥墩冲刷为动床冲刷阶段，墩前及两侧继续冲深，这与单向流在动床时的冲刷规律差异有关。在定床冲刷阶段，床面出现一定高度沙波，且墩前冲刷的泥沙随水流行至墩后，形成一定高度的沙脊；

(5)在随后潮流前半个周期的下降阶段，墩前及两侧冲刷深度略有增加，但冲刷在远大于Uc时停止，此时进入潮流冲刷的停滞阶段；

(6)随后，潮流进入下半个潮流周期，理论上其对桥墩的冲刷过程与前半个周期是一致的。但由于在前半个潮流周期作用下已形成明显的冲刷坑以及为了平衡前半个周期在桩周引起的不平衡，下半个潮流周期内冲刷速率明显减小，但总的冲刷深度是略有增加的，即使在下半个周期初始阶段由于往复流产生的泥沙搬运导致冲刷深度减小。同时，潮流往复对桥墩两侧冲刷影响较小；

(7)经过多个潮流周期的往复作用(大于单向流冲刷平衡时间)，两侧冲刷最深位置逐渐趋于稳定，冲刷地形趋于对称。当过坑潮流搬运泥沙的能力与潮流回填泥沙量达到动态平衡，此时冲刷基本稳定。

2 潮流桥墩局部冲刷计算公式

2.1 桥墩最大局部冲刷深度公式

2.1.1 中国规范公式[13-14]

2.1.1.1 《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30-2015)65-1修正式

(1)

2.1.1.2 《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30-2015)65-2式

(2)

2.1.2 中国规范公式诱导公式

2.1.2.1 高徐昌与姚炎明计算公式[18]

(3)

2.1.2.2 沙波改进计算公式[21]

(4)

2.1.2.3 推移质改进计算公式[20]

(5)

2.1.3 直接拟合公式

2.1.3.1 韩海骞等计算公式[17]

(6)

2.1.3.2 倪志辉等计算公式[43]

(7)

式中：hb为潮流作用下桥墩局部冲刷深度，m；V为墩前行进流速，m/s；B为有效阻水宽度，m；d50为底床中值粒径；h为全潮最大水深。

2.1.4 其他公式

2.1.4.1 查图法

根据袁春光等研究成果[11]，当潮流引起的Vmax≥Vc时，查图法的具体步骤如下(图3)：

图3 潮流折减系数Kt与潮周期参数F(Ttide)和相对流速的关系(袁春光等[11])Fig.3 Relationship between tidal current reduction coefficient Ktand tidal period parameters F(Ttide) and relative velocity

(1)根据涨落急时刻的水流条件，利用经过验证准确性较高的恒定流桩基局部冲刷公式计算相应的最大冲刷深度ds恒定流；

(3)当潮流引起的Vmax≥Vc时，查图得到潮流冲刷折减系数Kt，潮流条件下桩基局部冲刷深度ds潮流=Kt×ds恒定流。

2.1.4.2 微分迭代法

根据 Escarameia和May的研究成果[12]

(8)

微分迭代法认为冲刷深度在第(n+1)个时间段内的发展与三个因素有关：(1)第(n+1)个时间段内的潮流条件(流速Un+1和水深hn+1)；(2)上一个时间段结束时冲刷坑的冲刷深度ds(n)；(3)动床条件下推移质的回填情况。具体为：

2.2 桥墩局部冲刷深度时间发展过程公式

2.2.1 Melvile与Chiew 清水冲刷发展过程公式[44]

(9)

(10)

2.2.2 Sumer等动床冲刷发展过程公式[45]

(11)

(12)

式中：dsc为冲刷深度；t为冲刷时间；te为冲刷平衡时间；dsce为最大冲刷深度；D为桩径；h为水深；d为泥沙平均粒径；s为泥沙重度；u*为摩阻流速。

3 潮流桥墩局部冲刷研究方法

潮流作用下的桥墩局部冲刷研究方法主要有现场观测、物理试验及数值模拟[28]。物理试验由于其具有较高可信度及试验周期短、条件控制相对简单、耗费不高等特点，但潮流桥墩局部冲刷试验要求有良好的基础设施和设备[5-10,19,25,27,32-34,39,42,46-55]。随着计算机技术的发展，数值模拟逐渐成为河口或外海大尺度模拟潮流桥墩局部冲刷方法[56-61]，但就小尺度数值水槽模拟潮流桥墩局部冲刷研究并不多[28,62]。同时，随着监测技术的不断进步，原型观测逐渐成为当下潮流冲刷研究重要手段之一[20-21,23,38,63-68]。目前，对于潮流作用下的桥墩局部冲刷研究仍主要以物理模型试验为主，且主要关注最大局部冲刷深度、潮流引起桥梁局部冲刷过程、潮流冲刷影响因素及不同研究方法成果对比等。

3.1 潮流桥墩最大局部冲刷深度研究

随着河口及近海地区桥墩或风电场的不断建设，其复杂水流环境引起的最大局部冲刷深度关系到桥墩的结构安全及正常运行。但如前所述，潮流与恒定流冲刷深度关系目前仍存在较大争议。不同学者采用不同的研究手段或试验方法得到了不同结果，出现了潮流小于、相等甚至大于恒定流冲刷深度的情况。笔者通过综述国内外大量文献资料主要发现物理水槽试验中对天然潮型不同概化将引起桥墩局部冲刷与实际的差异(图 2)，这种差异将是造成上述争议的主要原因之一。

与单向径流相比，潮流最大的不同特性在于其具有方向性，其水位、流速时刻均处于变化之中，并产生逆转水流对桥墩基础往复作用。为刻画潮流的往复效果，在实际物理模型试验中进行了一定的概化处理。目前，一些学者采用极限工况恒定流试验进行潮流冲刷概化，取得了相对保守的试验成果，但存在高估冲刷深度或冲刷范围将引起不必要的防护代价[31,69]。而更多学者采用对天然潮型进行非恒定流概化进行试验研究。Escarameia与May[12]在潮流试验中采用了不同种潮流概化：采用恒定流概化潮流；潮流半周期流速与水深均为常数，仅发生方向转变；潮流流速采用正弦变化，水深采用常数。研究成果表明：潮流流速采用正弦变化，水深采用常数概化潮流小于恒定流平衡冲刷深度，而采用潮流半周期流速与水深均为常数，仅发生方向转变概化潮流略小于恒定流平衡冲刷深度。Margheritini等[42]采用潮流半周期流速与水深均为常数概化与恒定流对比进行试验研究。研究成果表明：采用概化潮流与恒定流平衡冲刷深度基本一致，需要注意的是试验中不断对沙波进行整平处理，以至于减少沙波对水流边界层的影响而引起泥沙来回输移影响。Nakagawa与Suzuki[5]同样采用潮流半周期流速与水深均为常数概化与恒定流对比进行试验研究。研究成果表明：采用概化潮流小于恒定流平衡冲刷深度，其主要原因在于往复流对泥沙的输移。Porter与Simons[26]采用恒定流、水深流速常数转变及流速变化水深不变的三种试验，但流速变化潮流采用了分步概化的方式。研究成果表明：虽然各试验组次冲刷平衡时间都未达到，但假定一定潮流周期下，其冲刷深度将于恒定流冲刷深度一致，需要注意其冲刷类型为清水冲刷。Ma等[33]采用物理试验研究了恒定流与方形潮流概化对比，且方形概化潮流采用了两种不同周期。研究结果表明：由于往复流引起的泥沙回填造成潮流冲刷深度小于恒定流冲刷深度。Xiang[32]通过试验研究了恒定流与方形潮流概化对比。研究成果表明：由于沙波与泥沙来回输移的影响，其方形潮流概化最大冲刷深度小于恒定流试验。A. Schendel等[39]采用分步潮型概化潮流进行局部冲刷研究。研究成果表明：采用潮流最大流速概化的恒定流冲刷深度大于潮流冲刷深度，而采用潮流平均流速恒定流冲刷深度要小很多。A. Schendel等[19]对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、对称(垂向)潮流流速潮型及缩小周期潮流流速潮型与天然潮型进行了局部冲刷对比研究，需要注意的是其试验中采用的水深是常水深。研究结果表明：采用分步潮流概化能够较好地刻画潮流引起的冲刷，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]通过物理水槽试验采用分步(三步)潮流流速潮型对比研究其冲刷深度与最大流速恒定流试验结果关系，其水深采用了常水深概化。研究成果表明：分步潮流冲刷深度小于恒定流冲刷深度，其主要原因是泥沙回填造成的。HAN Yu-fang与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与潮流冲刷深度相比，冲刷深度基本一致。王佳飞等[48]采用潮流最大流速相同的定常来流实验结果相比，二者的最大冲刷深度和冲刷平衡时间则基本相同。但需要注意的是其潮流流速与水位均采用了正弦变化，这与实际潮流情况是不符的，将造成潮流冲刷深度增大。李梦龙等[42]采用实际潮流研究认为当潮流最大流速等于恒定流平均流速时，其最大冲刷深度小于恒定流情况。但当上游最大流速较大时折减系数较大，且逐渐接近恒定流冲刷深度。陈文龙等[8]与王建平等[9]通过物理水槽试验研究发现涨落潮最大流速和历时决定了冲坑的发展速率和达到最大冲深的大小，在潮流速度值较大或历时占优的情况下，将取得与恒定流一致的局部最大冲深。王群等[10]通过实际潮流研究发现潮汐水流往复冲淤形成的局部冲刷约为恒定流条件下局部冲刷的75%～80%。

3.2 潮流桥墩局部冲刷过程研究

相比恒定流情况，潮流冲刷达到平衡时间将更长，且由于潮流涨落潮过程中存在涨落憩过程出现，潮流此时对冲刷的作用较小或无冲刷作用，加之往复流造成的泥沙回填，造成其达到平衡冲刷深度的时间更长[19]。目前，对于恒定流冲刷过程及平衡时间的研究，Melvile与Chiew[44]提出了恒定流清水冲刷发展过程公式；而Sumer等[45]提出动床冲刷发展过程公式。袁春光等[11,41]根据上述恒定流冲刷过程成果应用到潮流冲刷过程研究提出了微分迭代法。Ma等[33]采用D M. Sheppard等[70]提出的恒定流冲刷过程比较好地预测了潮流冲刷过程。A. Schendel等[39]通过试验研究认为用Melvile与Chiew[44]及Sumer等[45]对潮流冲刷时间过程进行预测存在明显的不确定性，因此提出了时间分布预测的方法。袁春光等[11]采用其提出的微分迭代法对王佳飞等[48]潮流冲刷过程进行预测，但预测结果表明，其预测效果与实际仍存在一定误差。这说明目前常用的恒定流局部冲刷方法对潮流冲刷过程进行预测仍存在一定误差或不适用。同时，Kate Porter等[29]讨论分析了David J. McGovern等[27]研究成果认为其潮流冲刷试验中未达到平衡冲刷时间，且研究得出的最终冲刷深度也并未是平衡冲刷时间，因此，采用未平衡的潮流冲刷深度与恒定流冲刷深度对比是不公平的，得出来的结论存在较大的不确定性。笔者通过阅读大量文献也发现较多文献成果中潮流冲刷平衡仍未达到平衡，即文献中的最终冲刷深度或时间不是平衡冲刷深度或时间。因此，笔者认为采用未平衡的潮流冲刷深度与恒定流冲刷深度对比而提出的折减系数也存在较大的不确定性。同时，对于恒定流试验中判断其平衡条件为在24 h内其冲刷深度增幅小于5%时认为其达到平衡条件[44]。但潮流冲刷条件时，由于存在潮流涨落憩过程，其冲刷平衡时间相较于恒定流更长，因此笔者认为在潮流冲刷平衡判断时仍采用恒定流冲刷平衡条件存在一定的不确定性。

3.3 潮流桥墩局部冲刷影响因素

对于径流环境，影响桥墩局部冲刷深度的因素主要可以分为桥墩几何量(尺寸和形状)、水流条件、泥沙特性及河道特性等[71]。而对于潮流环境，由于潮流的流速与水深均具有方向性，增加了其冲刷的复杂性及特殊性。因此，在分析潮流冲刷影响因素时，笔者尤其关注其潮流特性带来的冲刷特殊性。与单向流相比，潮流将受到平流与扩散两种运动形式控制。同时，潮流在受到科氏力、河口地形及摩擦效应影响下将出现潮流不对称及潮差、流速衰减等变化，均会对潮流环境下的桥墩冲刷结果产生影响[9]。

3.3.1 潮流潮型与流速影响

无论对于径流或是潮流冲刷，流速对于冲刷深度或过程都起到决定作用。对于径流冲刷，其冲刷可分为清水冲刷或动床冲刷[72]。而潮流冲刷过程中其冲刷过程涉及到清水冲刷、临界或过渡冲刷及动床冲刷两种及以上冲刷连续发生的情况，同时，流速的方向性使得泥沙出现回填现象，使得潮流冲刷变得更加复杂[26，39]。如前所述，当恒定流时，当流速大于临近流速而发生动床冲刷时，其冲刷深度是小于临界冲刷的[73]。但在潮流冲刷情况，其动床冲刷深度是大于清水冲刷的。这也是相关文献发生潮流冲刷结果大于恒定流的原因[26]。同时，不同学者通过不同流速概化进行了潮流冲刷试验，这些流速概化对冲刷深度的影响是关键的。

图4 不同概化潮型桥墩冲刷深度分布的冲刷时间过程(Schendel等[19])Fig.4 Process of pier scour depth distribution with different generalized tide patterns(Schendel et al.[19])

3.3.2 潮流不对称影响

3.3.3 潮流水深影响

在径流或恒定流冲刷情况，阚译[73]研究认为水深与局部冲刷成正相关关系。同时，水深对局部冲刷的影响常以无量纲参数水深桩径比h/b表示，其研究结果认为，当水深桩径比h/b≤5时，水深对局部冲刷的影响是明显的。但当水深桩径比h/b>5时且流速较大时，水深对局部冲刷的影响就不显著了。May. R.与Willoughby. I[76]研究桥墩冲刷影响因素时发现，当水深桩径比h/b>2.71时，其冲刷深度将不再变化。同时，Melville与Sutherland[77]认为当水深桩径比h/b>2.6时，其自由表面效应将不对冲刷产生影响。而对于潮流冲刷，其水深是时刻变化的。有的学者采用变水深进行潮流冲刷试验，但对模型控制及精度要求高[9,42]。在多数潮流冲刷物理试验中，常将水深视为不变的常数。王佳飞[48]在潮流试验中分别采用涨落急时的水深作为试验水深，研究发现：但水深桩径比h/b>2.4时，其冲刷深度并未发生变化。Ma等[33]在其潮流冲刷试验时采用常水深进行试验研究，此时将水深桩径比h/b=4.29，并认为其对冲刷有较小的影响。但是David J. McGovern等[27]认为水深桩径比h/b>1.0时，将对潮流冲刷有较小的影响。其主要是因为当水深桩径比h/b<1.0时，表面涌波将影响水下马蹄涡的形成[78]。因此，虽然大多学者提出水深在一定条件下对潮流冲刷具有较小的影响，但目前仍未形成具体的结论性成果。

3.3.4 桥墩形状影响

关于桥墩形状对于潮流冲刷的影响，大多学者主要研究了圆形桥墩与矩形或方形桥墩对局部冲刷深度的影响，也有学者对不同群桩布置形式进行研究。Hiroji Nakagawa与Koichi Suzuki[5]对矩形桥墩进行潮流冲刷试验研究，其研究发现，由于矩形桥墩棱角的存在，其冲刷深度与恒定流相比差别较小，尤其当水流存在一定夹角时，其潮流冲刷深度与恒定流基本一致，这也与桥墩有效宽度增加有关。因此，不能主观地认为潮流冲刷时其冲刷深度就小于恒定流情况，其与自身结构形状也存在一定关系。如Xiang等[32]研究认为，在方形潮型作用下圆形沉井、方形沉井及钻石形沉井冲刷深度分别约为恒定流冲刷深度的70%、64%及90%。说明棱角的存在将明显影响桥墩的局部冲刷深度，且桥墩形状棱角对水流影响越大，其潮流冲刷深度与恒定流越接近。May. R.与Willoughby. I[76]通过物理试验研究了圆形、方形、矩形及带有横向门槛方形桥墩潮流冲刷特性。研究表明：方形桥墩具有最大的平衡冲刷深度，而矩形与带有门槛方形桥墩平衡冲刷深度最小。对于复杂的群桩结构，贠鹏与陈刚[25]研究了台州湾大桥整体式承台群桩结构发现：受桥墩承台及桩群阻水的影响，桩基周围冲刷坑最终呈现为两侧区域高程较低、上下游区域高程略高的形态。Ma等[33]通过试验研究哑铃型群桩结构潮流冲刷，得到其类似冲刷形态。而韩海骞与熊绍隆[49]通过物理水槽试验研究群桩布设形式对冲刷影响，研究表明：对于“梅花型”桩群布设形式的冲刷深度要小于“条带型”。

3.3.5 泥沙粒径或沙波影响

对于泥沙粒径影响，其恒定流研究成果认为当桩径泥沙中值粒径比b/d50>50时，其冲刷与泥沙粒径将无关系[79]。May. R.与Willoughby. I[77]认为当桩径泥沙中值粒径比b/d50>25时，可不必研究泥沙粒径与冲刷影响关系。同时，阚译[73]认为当泥沙粒径大于0.7 mm时，将不出现沙纹、沙垄等床面形态产生。May. R.与Willoughby. I[77]认为当泥沙中值粒径小于0.5～0.7 mm时将有沙波的产生，其将引起局部冲刷深度减小大约30%。对于潮流冲刷，其沙波的出现将对水流边界层产生影响，进而出现不同类似的流速状态，使得潮流冲刷变得更加复杂[19]。Zheng等[38]通过对长江中下游桥墩冲刷进行监测分析发现，其桥墩附近沙波长度及高度高达数米，其沙波移动将对冲刷深度有明显的影响。王冬梅等[21]研究认为当沙波波高与局部冲刷深度同一量级时，沙波地形的存在会加剧或减小冲刷深度；若波脊处发生局部冲刷，冲刷深度减小；反之若在波谷处冲刷，则波谷处最接近局部冲刷深度所在。Ma等[33]通过观察潮流冲刷试验过程发现沙波的迁移对冲刷坑深度起伏变化的影响。Schendel等[19]认为无论清水或动床冲刷情况，沙波移动都将对冲刷坑泥沙流动产生影响。目前，对于沙波对潮流环境下桥墩局部冲刷影响的研究十分有限，且在潮流冲刷试验中常由于变态模型设置，使得沙波尺度与现场难以符合量纲守恒。有的学者认为试验中沙波尺度过小，可以忽略其对冲刷的影响[32]；有的学者为消除沙波影响，或采用中值粒径大于0.7 mm泥沙[76]，或为了消除沙波带来的影响在不同半周期试验结束后抹平沙波以消除沙波的影响[26,42]。但沙波的影响在天然情况是普遍存在的，其对潮流的往复运动是不可避免且复杂的，尤其沙波的迁移或对水流边界层的影响进而影响潮流局部冲刷需要做更进一步的机理研究工作。

4 进一步研究方向

4.1 现有研究成果统一

通过上述综述分析，笔者认为之所以目前潮流冲刷存在一定的争议，是不同学者在对潮流冲刷试验中不同概化有关。不同的概化将产生不同的试验结果，而后续学者对其进行归纳总结时，往往忽略其试验条件的差异性，试图归纳出普适的规律或结果，这样将致使对潮流冲刷分歧进一步的累积。因此，笔者主要通过分析不同学者试验概化条件的差异，试图告知后续学者在研究分析潮流冲刷相关成果时，要区分对待不同的试验条件或概化将产生不同的结果。后续学者目前应着手于如何统一现有研究成果上，告诉读者哪些成果可以借鉴，哪些成果不能借鉴。同时，之所以不同学者采用恒定流或各种概化试验，是因为潮流冲刷试验的复杂性，而恒定流试验相对简单。因此，如何提出合适的恒定流试验概化潮流冲刷是十分紧迫的研究课题，同时，潮流冲刷难处还在于其试验时间过长，如何提出合适的潮流冲刷预测方法也是十分紧迫的研究课题。

4.2 大型水利工程影响下冲刷问题

笔者在综述潮流冲刷研究过程中发现，对于长江河口桥墩冲刷，其仍面临长江三峡的影响。在三峡工程运行后，其来沙逐年减少对中下游过江桥墩的冲刷有十分明显的影响，Zheng等[38]对1998～2013年近15 a地形资料分析认为，长江来沙减小，增大了河床的整体冲刷，这将对下游桥墩冲刷埋下严重的隐患。同时，对于东海大桥局部冲刷研究发现，其近十几年冲刷从未停止，其原因主要是长江口来沙减少造成的[65,80-81]。因此，对于未来桥墩冲刷或是潮流环境下的桥墩冲刷影响，应考虑大型水利工程可能产生的持续影响，这是十分有必要的。