5.4.3　基础冲刷研究基本方法

对于冲刷问题的一般研究和预测方法，主要包括原位观测、模型试验和数值模拟等，但每种方法都各有优缺点，所以目前通常采用多种方法相结合的手段来研究冲刷问题。

1）原位观测

原位观测是指采用特定的技术（主要是海底声学探测技术）对构筑物周围的冲刷状态进行调查，获取真实的冲刷状态信息。原位观测成本高，需依靠特定的设备，而且常常受到海况的限制。不过它能获得实际构筑物的冲刷现状的第一手资料，这对分析构筑物的冲刷情况及其提出有效对策至关重要。目前，海洋构筑物基础冲刷掩埋状态原位观测方法有单波束、多波束、侧扫声呐、浅地层剖面仪等，同时无人遥控潜水器（remote operated vehicle，ROV）等设备也逐渐推广应用。

在工程检测时，由于各种设备有各自的优缺点，很多时候单个仪器的调查结果往往只能反映构筑物某一方面的原位特征，并不能完全反映构筑物的真实状态，而不同设备有很强的互补性。因此，一般调查过程中会同时采用多种探测手段，各项检测成果相互检核、综合分析，从而最终确定构筑物冲刷掩埋状态。

2）模型试验

模型试验主要是指在实验室水槽内按照一定的比尺制作和原型相似的小尺度模型，来模拟真实海区条件或给定海区条件对构筑物周围水流和冲刷情况进行研究，预测原型将发生的冲刷情况。局部冲刷模型试验主要包括局部水流的测量、冲刷坑的位置与形状、平衡冲刷深度和冲刷随时间的变化过程等内容。物理模型试验优点在于通过控制引起局部冲刷的各个因素的变化，得到不同条件下的冲刷结果，针对性强，能在一定程度上缩短研究周期，加深对局部冲刷机制的理解。但当前条件下，水槽试验只能模拟简单的水动力环境，且存在比尺效应，此外模型试验的费用也比较昂贵。

3）数值模拟

数值模拟是目前局部冲刷问题研究中一种常用的手段，主要通过计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）软件对冲刷的发展过程进行仿真模拟。数值模型主要包括两部分模块：水动力模块和泥沙地形模块。水动力模块用来求解结构物周围，尤其是海床附近的流场结构，从而确定海床表面的剪切应力，这是判定泥沙是否发生运动的先决条件。水动力模型一般通过求解时均N-S方程，并结合相应的湍流模型进行封闭。泥沙运输模型分别考虑了推移质和悬移质两种泥沙形式的运输方式，通过求解泥沙运输和质量守恒方程，最后得到局部海床地形的变化。理论上，数值模型可以模拟任何条件下的冲刷问题，不受模型比尺的影响。但是由于求解三维流场结构及精细化的网格系统，其计算量巨大，计算效率并不高效。此外，数值模型的准确度也依赖于紊流模型、网格划分等，还需要进行验证才能进行局部冲刷的模拟和预测。