选择海床冲淤预测模式，实现环境评价

海岸河口泥沙运动是在波浪潮流作用下的非恒定、非平衡输沙，潮流运动是泥沙运动的动力基础。与潮流预测模式相对应，河口海岸泥沙运动模式也分二维和三维两种。

6.2.3.1　基本方程

基本方程包括悬移质运动方程和底床变形方程。

考虑泥沙扩散项的二维悬移质不平衡输沙基本方程（李孟国，2006）为

由悬移质造成的底床变形方程为

另一种底床变形方程为

式中 t——时间；

x、y——与静止海面重合的直角坐标系坐标；

u、v——x、y方向的垂线平均流速；

H——实际水深，H=h+ζ；h为水深（基准面到床面的距离），ζ为水位（基准面到自由水面的距离）；

S——水体含沙量；

εx、εy——x、y方向的泥沙扩散系数；

FS——床面泥沙源汇函数或床面冲淤函数；

γS——悬沙干容重；

ηS——悬沙造成的床面冲淤厚度（正为淤，负为冲）；

qSx、qSy——悬移质在x、y方向的单宽输沙率，qSx=HSu、qSy=HSv。

床面泥沙源汇函数或床面冲淤函数是一个十分重要的量，目前FS较为多见的形式有两种。

（1）第一种形式为

式中 α——恢复饱和系数或悬沙沉降几率；

S*——水体挟沙力；

ω——悬沙颗粒沉速。

（2）第二种形式

式中 τb、τe、τd——水体底部剪切应力、冲刷临界剪切应力和淤积临界剪切应力；

Me——冲刷系数。

三维悬移质不平衡输沙方程（李孟国，2006）为

式中 x、y、z——直角坐标系坐标（z轴垂直向上，原点置于静止海面）；

w——沿z方向的流速分量；

εz——z方向的悬沙扩散系数；

其他参量意义同前。

由悬移质造成的底床变形方程为

其中

式中 Sb、ωb——床面附近的含沙量和沉降速度；

Sb*——床面附近的挟沙力。

6.2.3.2　数值方法

平面二维泥沙模型目前应用最广，数值方法多种多样，既有直角坐标系中的数值方法，又有其他坐标系中的数值方法。在直角坐标系中的数值方法主要有：有限差分法、ADI法、分步法（破开算子法）、有限元法、控制体积法、有限分析法、有限插值元法等。

三维泥沙方程的数值方法在直角坐标系中有垂向分层二维法、分步法，在其他坐标系中有控制体积法（陆永军，2004）、有限差分法（李孟国，2003）、有限元法（董文军，1999）、分步法（李芳君，1994）等数值方法。

6.2.3.3　率定和验证

与潮流模型一样，泥沙模型同样需要开展率定和验证工作。率定和验证的内容为含沙量，评价等级高的海上风电项目还需进行床面冲淤的验证。根据《海洋工程环境影响评价技术导则》的要求，潮段平均含量容许偏差为±30%，平均冲淤厚度偏差应小于±30%，并满足冲淤部位与趋势相似的要求。

6.2.3.4　海床冲淤模拟预测

对于海上风电场工程，一般工程周边海域的冲淤变化趋势为：桩基附近流速减小，产生淤积；桩基间隔区域流速束窄，产生冲刷。

海上风电场海床冲淤模拟预测一般可采用泥沙模型预测法和经验公式估算法。泥沙模型预测法即应用建立的泥沙数学模型对海上风电场工程建设前后的含沙量场及海底地形进行模拟，通过工程前后海底地形的对比，得出海床冲淤分布图，从而可定量给出海上风电场周边海域的冲淤范围和程度。东海大桥海上风电项目二期工程环境影响评价中即采用了泥沙模型预测法进行海床冲淤的数值模拟（上海勘测设计研究院，2012）。

但由于泥沙数学模型比水动力模型要复杂和困难，目前对泥沙运动机理的认知尚不充分，且海上风电场对床面的影响主要为流速变化引起的冲淤，在实际环境影响评价工作中，有时也采用半经验半理论的公式对风电场周边海床冲淤变化情况进行估算。在东海大桥海上风电项目一期工程、江苏东台潮间带风电场20万k W风电特许权项目、珠海桂山海上风电场示范项目等海洋环评中，均采用了不同形式的经验公式对海床冲淤变化进行估算。

（1）刘家驹平衡水深公式为

其中

式中 q1、q2——工程前、工程后当地单宽流量；

h1、h2——工程前、工程后当地平均水深；

u1、u2——工程前、工程后当地平均流速。

工程前后平均水深的变化（h1-h2）即为冲淤变化幅度（淤为正，冲为负）。

（2）刘家驹开敞式港池淤积公式为

式中 w——泥沙沉速；

S——水体含沙量；

t——淤积时间；

γ0——淤积体干容重；

k2——经验系数，取值0.13；

u1、u2——工程建设前后平均流速；

h1、h2——工程建设前、后水深；

P——淤积强度。

（3）回淤强度公式为

当Δt→∞时，可以得到海床冲淤终极平衡状态的量值

其中

式中 Δξb、γ′S、α、ω——冲淤幅度、淤积泥沙干容重、泥沙落淤几率和悬沙沉速；

h1——工程实施前计算水深；

u1、u2——工程实施前后计算流速；

S1、S2——工程实施前后水流含沙量；

S*1——工程实施前水流挟沙力。

如初步计算结果Δξb数值很小，则可以采用此式的计算结果，但当Δξb数值较大，如果Δξb/H1≥0.2，则应进行地形反馈计算，直到Δξb/H1≤0.05以内。

6.2.3.5　风力发电机组桩基局部冲刷预测

风力发电机组桩基的局部冲刷一般从桩基的两侧开始，冲刷沿着桩基两侧向上游发展，很快在桩基的前面相遇，形成围绕桩基上游一侧180°范围内的冲沟。桩前向下水流是冲刷的主要媒介，它的作用像一个垂直向下的喷嘴。向下水流折回向上与马蹄形旋涡相结合，形成旋转运动，把泥沙挟带到桩基下游，从而引起桩基的局部冲刷。桩基局部冲刷坑深度和大小与很多因素有关，除桩前的行近流速外，主要还有桩宽度、桩形、水深、床沙特性等，这些因素与冲刷深度之间的关系十分复杂。

海上风电场桩基周围的局部冲刷目前多借鉴桥墩局部冲刷公式和已有的基于桩基冲刷实验以及实际海上风电场建设经验的冲刷坑经验公式进行预测。

1.韩海骞公式(www.xing528.com)

韩海骞（2006）总结了国内外潮流冲刷的研究成果，对杭州湾几座跨海大桥进行了实验研究，认为潮流作用下的桥墩局部冲刷深度比单向流作用下小5%～11%，并应用多元回归以及量纲分析的方法建立了往复流作用下桥墩局部冲刷的公式为

式中 hb——往复流作用下桥墩周围局部最大冲刷深度，m；

h——行近水深，m；

K1——根据桩的平面布置型式进行确定，对于条形桩K1=1.0，梅花形桩K1=0.862；

K2——取决于桩的垂直布置型式，直桩K2=1.0，斜桩K2=1.176；

B——全潮最大水深条件下平均阻水宽度，m；

d50——泥沙的中值粒径，mm；

Fr——Froude数，

u——全潮最大流速，m/s；

g——重力加速度。

韩海骞提出的公式在苏通大桥、杭州湾大桥、沽渚大桥的局部冲刷计算中取得了较好的计算结果，适用范围广。2.CSU/HEC 18公式

Richardson与Davis对美国联邦公路局采用的HEC 18公式进行了修正，用于估算桥墩冲刷问题。修正后的公式主要基于美国科罗拉多州大学的物理模型试验结果推出，公式同时适用于清水冲刷和动床冲刷问题。

式中 S——局部冲刷深度；

d——桩柱直径；

h——水深；

Fr——Froude数，Fr=u/（gh）0.5；

K1——桩形修正系数；

K2——流向修正系数；

K3——床面修正系数；

K4——粒径修正系数，最小值取0.4。

根据56座桥的384组现场冲刷观测资料，粒径修正系数建议取值为

其中，无量纲量u*的计算方法

uic，d50与uc，d50分别为中值粒径d50对应的临界冲刷流速和临界启动流速，计算方法分别为

若床面沙丘尺寸较小，且粒径满足d50＜2mm或d95＜20mm，则有

3.Breusers公式

Breusers等（1997）提出的桩基冲刷公式应用较广泛，具体形式为

式中 S——局部冲刷深度；

d——桩柱直径；

k——系数，取1.5（工程设计时取2.0）；

f1——平均流速和临界流速的函数；

f2——形状修正系数，圆柱取1.0，流线型取0.75，矩形取1.3；

f3——流向修正系数，圆柱取1.0。

综合以上参数取值，可推出圆柱的动床冲刷公式为

对于细长桩，h/d＞1，冲刷深度S≈kd；对于宽桩，h/d＜1，冲刷深度S≈kh。h/d趋近于0时，该公式计算的冲刷深度偏大。

4.Sumer公式

Sumer等（1992）在Breusers公式的基础上提出了恒定流中直立圆柱平衡冲刷计算公式为

式中 S——局部冲刷深度；

d——桩柱直径；

σS/d——S/d的标准差，在工程设计中取0.2。

5.Jones与Sheppard公式

经过大量的模型实验，Jones与Sheppard（2000）认为影响冲刷坑深度的主要参数是h/d、u/uc、d/d50。

清水冲刷为

其中，临界启动流速

6.Sheppard公式

进行动床大流速冲刷实验，综合该次实验结果和以往实验结果，提出了新的冲刷计算公式。

清水冲刷为

动床冲刷

式中 ulp——极值冲刷流速；

uc——临界启动流速；

KS——形状修正系数。

Sheppard认为该冲刷计算公式对于低流速的动床冲刷问题，计算结果偏保守。根据该公式计算的冲刷坑深度，随着水深的增大而持续发展，这与实际状况不符合，因此该公式应用于深水冲刷计算时需修正计算结果。流速较大时计算结果偏大。

7.国内规范公式

在《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30—2015）中，非黏性土河床推荐采用65-1修正和65-2式计算桥墩局部冲刷。

（1）65-1修正公式为

式中 hb——桥墩局部冲刷深度；

Kξ——墩形系数，按标准推荐值选用；

Kη1——河床颗粒影响系数；

b——墩宽；

h——行进水深；

u——墩前行进流速；

u0——床沙启动流速；

u′0——床沙始冲流速；

n1——指数。

（2）65-2公式为

65-2公式中各变量意义同上。

黏性土河床公式为

其中，IL为底床黏性土液性指数，适用范围0.16～1.48。

关于冲刷坑的范围，目前还没有可用的计算公式。根据一些桥墩冲刷的物理模型试验研究成果统计，冲刷坑直径一般为冲刷深度的6～10倍，此比值与墩宽度、墩形、水深、床沙特性等多种因素有关。