5.4.2 典型构筑物局部冲刷
虽说海洋构筑物基础冲刷的机制十分复杂，但究其本质，就是局部泥沙输运的不平衡。只要把握了泥沙运动的基本规律，我们就很容易理解局部冲刷的机制。由于各种海洋构筑物的体型和形状各异，在波浪和水流作用下，建筑物周围的流态就存在差异，泥沙运动规律也将有所差别，于是冲刷的形态也就各不相同。以下对几种典型构筑物的冲刷进行介绍。
1）海底管道冲刷
在过去30年里，伴随着近海石油工业的发展，世界各国铺设的海底管道总长度已达十几万千米，海底管道已成为石油工业的生命线。数据统计表明：海床运动和波浪海流冲蚀引起海底管道悬空断裂失效是主要原因之一。因此，研究海底管道悬空的成因及其冲刷机理，对海底管道工程设计与防灾具有重要现实意义。
典型的海底管道直径约20 cm～1 m不等；长度从数百米到数百千米不等；水深变化从几米到2000多m。它们有的掩埋于人工挖槽内，有的直接放置于海床面上。当管线裸露或半裸露在可侵蚀海床上时，在水动力（海流、波浪等）作用下，管道周围就可能发生冲刷，甚至导致悬空。悬空的管道在重力作用下弯曲下沉，促进冲刷孔道的发展，当冲刷发展到一定深度，伴随而来的可能是冲刷坑的回填与管道的自埋。
海底管道的冲刷与自埋可以分成以下几个阶段，如图5-9所示：
（1）冲刷起动（onset of scour）。当管道水平放置于可侵蚀的海床上，如果其埋置深度较浅且水动力（海流、波浪等）足够强，管道下方的海床将可能被冲蚀，冲刷起动开始，并逐渐形成冲刷孔道。一般观点认为：管道两侧压力差产生的渗流和管涌是孔道形成的主要原因。
（2）冲刷扩展。冲刷孔道是以空间三维形式发展，当冲刷孔道形成后，管道下方局部贯通，冲刷会沿着管道走向拓展，形成管道悬跨段。在相邻的冲刷孔道之间靠跨肩（span shoulder）支撑。当冲刷发展到一定阶段，冲刷坑中部的冲刷就可以认为是二维冲刷。
（3）悬空下沉。由于管道与冲刷坑交界处不断受到水流掏蚀，冲刷坑沿走向方向发展，悬空长度增加，管道在其本身的自重作用下开始下沉。
（4）触底掩埋。随着管道沉入冲刷坑内，管道的阻水效应逐渐减弱，冲刷坑内水动力也减弱，于是转而进入掩埋阶段。
图5-9海底管道冲刷发展不同阶段
海底管道冲刷发展的各个阶段所经历的时间差异也很大。比如，风暴潮期间水动力很强，管道可能在几个小时内完成从初始冲刷到掩埋的过程；也有可能在风暴潮时候发生冲刷，在风暴潮过很长一段时间后才逐渐回填；如果两个风暴潮之间的间隔较短，海底管道可能发生反复的冲刷和掩埋过程。有时候由于悬跨端部土体坚硬及岩石的存在，管道不总是发生自埋，而处于始终悬跨的状态，这个时候就会发生涡激振动的现象。涡激振动是工程中比较关注的问题，长时间的管道振动会引起疲劳破坏，是工程设计和维护中关注的一个重要问题。
2）单桩基础冲刷
海洋平台和海上风机的基础多是以单桩的形式设计。当单桩矗立在海床上，其周围的流场将发生很大改变。水流在桩的迎流面受阻，部分水流下潜形成下降流；在桩的迎流端底部形成马蹄形漩涡，绕桩内侧流向下游；桩的下游掩护区由于存在较大的流速梯度而产生分离流，形成尾流旋涡不断地从圆柱两侧释放，并随着水流向下游移动消散；桩的两侧水流增速，床面剪切力显著增大。这一系列变化将导致局部输沙率增大，造成局部冲刷。单桩周围的流场形式如图5-10所示。
图5-10 单桩桩周水流和冲刷示意图
马蹄形漩涡产生需要具备以下两个条件：①来流存在流速边界层；②桩周形成的压力梯度必须足够强，能够使得边界层分离以产生马蹄形漩涡。当波浪与水流共同作用时，单桩基础的局部冲刷较纯水流或纯波浪情况要大得多。在纯水流情况下，一般水流速度与波浪水质点速度相比较小，所以泥沙的起动量和输沙率也很小；而在纯波浪作用下，虽然较大的波浪水质点速度使泥沙易起动，但由于其速度的时间平均值为零或为一很小的值，所以时间平均的输沙率很小。但当波浪与水流共同下，波浪产生的剪切应力使泥沙起动后，水流便很容易将起动后的泥沙搬运走，引起较强的输沙率，即所谓的“波浪掀沙，潮流输沙”。实践证明，波流共同作用下建筑周围冲刷程度要比单纯的海流或波浪作用下大好几倍。
3）突堤构筑物冲刷
突堤构筑物冲刷特指丁坝、突堤、桥台、防波堤或离岸堤等海洋构筑物的端部，由于本身束水效应及波浪的幅聚作用造成的堤头冲刷破坏的现象。突堤构筑物一般垂直于岸线布置，堤头深入海中，此时构筑物对水流的影响主要有两方面：①堤身截断了沿岸流等水流运动，使得堤头水流增速，造成堤头冲刷；②波浪在堤头产生幅聚作用，增强了堤头的水流紊动，也将加剧堤头的冲刷。
丁坝是典型的突堤构筑物，许多学者围绕丁坝的水流作用下的坝头冲刷进行了大量试验研究，总结其冲刷的特点。首先丁坝的阻碍作用使得丁坝坝头前沿的水流增速，丁坝上游侧雍水，坝头附近的水流下潜。与单桩周围流场相似，在堤头形成向下游的马蹄形漩涡，在马蹄形漩涡的作用下，丁坝坝头周围河床上的泥沙被冲起带向下游，最后在坝头形成倒锥形冲刷坑。由以上分析可见，在恒定流作用下，坝头的流态和冲刷情况都与单桩一侧的冲刷类似，但丁坝的阻水效应更加强烈，因此局部冲刷将更严重。在河口海洋环境中，突堤构筑物除了遭受水流冲刷外，还遭受波浪的冲击，因而更容易造成冲刷破坏。
目前，为了安全起见，一般突堤构筑物设计规定堤头段护面块体和护底块石重量应大于堤身块体重量，并且有条件时可适当放缓堤头段两侧的坡度以减轻冲刷。