近岸带海洋环境复杂多变，波流作用下的海底管线局部冲刷容易导致海底管线悬空，进而影响管线的安全运营。学者们针对管道的冲刷机理进行了大量的研究，谷凡等^[1]分析总结了海底管道二维局部冲刷和三维冲刷机理，指出局部冲刷导致管道悬空，引起涡激振动等作用进而产生疲劳破坏是海底管道失效的最大诱发因素。海流流经管线时产生管道前后的涡流^[2]、管涌^[3]是引起管道冲刷的主要原因。Sumer等^[4-5]研究了KC数、埋深对管道的极限平衡冲刷深度的影响，并得出了KC数、管径与涡旋长度和平衡冲刷深度之间的表达式。韩燕等^[6]对裸置管道冲刷启动的临界条件进行深入研究，推导了水流作用下达到平衡时冲刷坑底部的冲止流速和最大冲刷深度。臧志鹏等^[7-11]在单向流作用下，将管道局部冲刷沿管道方向的扩展分为快速发展阶段和缓慢发展阶段, 得出了单向流作用下冲刷深度的计算公式。Yasa等^[12]通过回归分析的方法，得出了海流引起的管道冲刷深度的计算公式。韩燕等^[13]对海底管道局部冲刷研究进行了总结，指出应将波浪、管道、动床作为一个复杂的系统进一步研究管道的非稳定冲刷及其深度极值。程永舟等^[14]通过研究得出了不同斜坡上管线的位置对冲刷坑深度，沙坝尺度和位置的影响。Esin等^[15]研究了规则波作用下海底管道在不同斜坡上的局部冲刷，分析得出了海底管道的冲刷深度与波高、波周期和管道的直径的关系。现阶段国内外研究主要集中在平底海床和波浪正向入射情形，由于实际海床起伏不平，波浪入射角度多变，斜坡的存在及波浪传播方向的不同必然对管线的三维冲刷特性有很大的影响。本文采用物理模型实验，将海床简化为1:15的斜坡，坡脚线与波浪入射方向夹角为45°，对规则波作用下波高、周期对海床上管线三维冲刷的特性进行深入研究，可为实际工程及数值模型研究提供参考依据。

1 实验仪器布置与工况设置概况

实验在长沙理工大学港航中心的港池中进行，港池长宽深分别为40、20、1.2 m，港池端头配有造波机，斜坡位于港池中与造波机正对的一侧，斜坡长10 m，宽3.5 m，斜坡两侧用水泥进行抹面，中间铺设中值粒径为0.22 mm的原型沙，如图 1所示。选用管线外径48 mm钢管作为管线模型，以保证其有足够的刚度，管线与坡脚线平行布置。浪高测量采用加拿大RBR公司生产的WG-50型浪高仪，采样误差为0.4%，实验时浪高仪采样频率为51.2 Hz，实验共布置10个浪高仪。以造波机处为外海，斜坡为近岸。实验假定y轴正方向为左侧，负方向为右侧。标号①~⑩为浪高仪所在位置，1^#浪高仪位于外海，爬坡前浪高仪为2^#，从外海往近岸看，左侧从外海到近岸依次为3^#~6^#，右侧为7^#~10^#，各浪高仪所在位置坐标如表 1所示。实验中将Nortek多普勒流速仪(NDV)固定在模型实验多功能控制系统上，根据NDV测深功能，结合地形仪移动模式，实现对床面地形的测量^[16]。为减小边界影响，只研究中部1.2 m范围内的泥沙运动规律，沙坝的存在会影响管线三维冲刷，当管线处在相对水深比(管线轴线处水深/深水水深)为0.47时，管线与沙坝相互影响最小^[17]，为了减小沙坝对管线局部冲刷的影响，本实验选用相对水深比为0.47，管线与坡脚线平行的实验方案。测得初始地形如图 2所示。根据重力相似准则，考虑管线尺寸和海浪波高、周期的主要分布区间^[18]，实验港池水深设定为0.35 m，实验工况如表 2所示。

2 实验结果分析 2.1 管线的存在对波浪变形和海床演变的影响

波浪的斜向入射，左右侧地形差异会导致显著的波浪沿岸特性。图 3所示为波高H为5.58 cm，周期T为1.4 s时有无管线对波浪斜坡变形的影响。整体来看，波浪传播至近岸时，管线存在对平均波高的变化趋势的影响很大。图 3(a)为无管时斜坡上波浪的变形情况，可以看出，波浪传至斜坡受浅水效应影响，波高逐渐增大，约在1.1 m处波峰尖起，接近破碎，破碎后波高迅速降低。随着冲刷的持续发展，10 min左右时，冲刷坑逐步形成，破碎点前移，约在0.1 m处接近破碎。在图 3(b)为相同波况有管时(管线范围为-0.38~-0.28 m)波浪在斜坡上的变形情况，不难发现，波浪开始爬坡后，波高逐渐增大，形成管前壅水，约在0.04 m处接近破碎，与无管情况不同的是，波浪越过管线后，破碎点前移，且随着管线影响作用逐渐减小，平均波高又有所增加。

波浪在爬坡过程中，波能转化为紊动能量，将床沙扬起，沉积到附近水体中，形成沙纹与冲刷坑。图 4给出了管线的存在对海床演变的影响。图 4(b)中圆柱为管线所在位置。可以看出，管线的存在加剧了水体紊动程度，使沙纹加深，沙坝前移约5 cm，且沙坝尺寸也有所增加, 沙坝最大高度由4.75 cm增加至8.13 cm，这与杨桥梁^[18]在二维水槽内的实验结果相似，但不同的是沙坝呈明显的三维特性，右侧沙坝尺度明显大于左侧，而且管线存在使近岸出现了双沙坝的现象，在主沙坝后方约70 cm处出现了尺度比较小的次沙坝。

2.2 波高对海底管线三维冲刷的影响 2.2.1 斜坡上波浪变形情况

如图 5所示为工况3斜坡上平均波高随时间的变化趋势。可以发现，入射波高保持稳定。随着冲刷时间的变化，前30 min波高紊动变化程度较大，后30 min相对平稳，基本达到冲刷平衡。整体来看，3^#浪高仪和4^#浪高仪分别位于管前和管后，其波高整体变化程度较小，初始管底没有形成连通的水流隧道时，管线对水面壅高非常明显。在10 min左右有较大的变动，此时管线底部出现管涌现象，冲刷坑初步形成，沿管线轴线方向的流速大于垂直于管线轴线方向的流速，冲刷加剧，导致冲刷坑一旦形成便快速拓展，形成连通的水流隧道。7^#浪高仪和8^#浪高仪在15 min左右变化较大，此时管线局部冲刷最为强烈，管底床沙大部分被带到管后淤积，少部分带到管前淤积^[19]，底部掏空，形成冲刷坑。5^#浪高仪和6^#浪高仪波高整体变化程度较大，说明左侧近岸海床伴有较为严重的冲刷；由于波浪增水的作用，9^#浪高仪和10^#浪高仪变化较小，右侧近岸海床冲蚀相对更为剧烈，这也解释了图 4(b)左右侧沙坝尺度不同的原因。

2.2.2 波高对管线周围海床演变的影响

图 6给出了周期不变(T=1.4 s)，不同波高波浪(工况2、3、4、5)作用下管线周围海床演变的结果。床沙在波浪作用下做往复运动，塑造沙纹，管底泥沙被尾流漩涡扬起，沉积到管线后方，造成管底掏空和管后淤积。从工况2可以看出，在波浪尚没有影响至管线所在水深时，冲刷坑仍有所发展，说明管线的存在加大了水体的紊动程度，对管线附近海床演变的影响很大。整体来看，当波高较小时，海床整体冲刷不明显，左侧近岸沙纹略有发展，管线下方出现冲刷坑，但尺度较小。由于水深不变，随着波高的增大，相对波高H/h增大，波浪加剧了海床的冲刷；沙纹由左侧逐渐向右侧、近岸到深海发展，且尺度加大；管底冲刷坑尺度亦逐渐加大，出现管后淤积；随着波高的进一步增大，如图 6(d)所示。管线对海床沙纹影响增大，沙纹平行分布于管线后方且较为规则，管后淤积呈消失的趋势，这是因为斜坡上波浪产生的漩涡能量一部分用来维持沙波运动，还有一部分用来平衡其静力稳定，其静力稳定和管后漩涡平衡的位置就产生了管后淤积，当漩涡能量足够大时，管后淤积就会消失^[19]。

2.2.3 波高对管底最大冲刷深度的影响

如图 7给出了周期为1.4 s时，不同波高时管线沿程的最大冲刷深度s。

可以看出, 波高的增大对管线沿程冲刷深度影响并不稳定.整体来看, 右侧冲刷深度普遍大于左侧; 冲刷平衡后, 最大冲刷深度出现在右侧, 说明随着波高变化, 冲刷坑范围和深度不可能无限制的发展, 而是存在一个冲刷稳定值^[20-21].由于波浪斜向入射, 波浪率先传至斜坡左侧, 加上海床左侧高右侧低, 发生增减水和折射作用, 导致波浪的传播不但发生在沿波浪传播方向也发生在沿岸方向, 加剧了右侧的冲刷; 且左侧波浪在其传播方向的波能传递率减小, 右侧波能传递率受左侧影响有所增加; 进而造成右侧冲刷深度大于左侧, 冲刷坑呈显著的三维特性.

2.3 周期对海底管线三维冲刷的影响 2.3.1 周期对斜坡上波浪的影响

图 8给出了波高不变，周期变化(工况4、6、7、8)时斜坡左侧和右侧平均波高的变化趋势。整体来看，左侧平均波高、紊动程度大于右侧，随着周期的增加，左侧管线对水面的壅高作用更明显；左侧波浪约在0.1 m处接近破碎，管线前后变化程度较大，波浪越过管线后，波高迅速降低。斜坡右侧波高由于波浪增水和波浪折射的作用，水面线升高，管线对波浪壅高的作用并不明显，波浪越过管线后，波高缓慢降低，管线前后波高变化不大。

2.3.2 周期对管线周围地形演变的影响

图 9所示为波高不变，周期变化时的海床演变结果。由图 9(a)可以发现，即使周期较小，沙纹仍发展完全，但尺度较小，冲刷并不明显，管下出现冲刷坑，但没有明显的管后淤积。图 9(b)可知，海床沙纹进一步发展加深，沙纹形态较为规则；左侧开始出现部分管后淤积泥沙，冲刷坑尺度有所增加。图 9(c)可知，沙纹波长和沙纹高度进一步增大，沙纹形态更加明显；管后淤积泥沙充分发展，并且平行分布于管后，冲刷坑的形态规则，尺度有所增加。图 9(d)可知，沙纹波长和沙纹高度继续增大，沙纹形状较为规整，与波浪传播方向正交；管后淤积泥沙高度进一步增大，形成沙垄，与管后沙纹隔离使管线对沙纹的影响变小，冲刷坑尺度亦进一步增大。整体来看，周期变化对海床影响很大。随着周期的增大，沙纹尺度、管后淤积逐步增大；管底冲刷坑尺度增大，且呈现较为明显的三维特性。与波高对海床的影响不同，周期变化并不改变波浪对海床沙纹的影响范围。

2.3.3 周期对管底最大冲刷深度的影响

图 10所示为波高不变，周期变化时管线沿程最大冲刷深度的变化情况。周期较小时，管底冲刷坑尺度较小，管线沿程冲刷坑深度呈现出不规律的三维特性。整体来看，随着周期的增加，波浪对管线局部冲刷影响增大，管底最大冲刷深度增加；但左右侧冲刷深度变化不大，右侧稍大于左侧；沿管线方向管底冲刷坑深度规律不明显，周期增加对冲刷不均衡性影响较小。

3 结论

1) 由于波浪斜向入射，海床冲刷呈现显著的三维特性，管线沿程水深相同的情况下，右侧整体冲刷深度大于左侧。

2) 波高对管线三维冲刷影响很大，随着波高的增加，沙纹逐渐由左侧至右侧、近岸至深海方向拓展，且尺度增大；管底冲刷坑深度随着波高的增大变化并不明显，右侧的冲刷深度大于左侧；存在冲刷深度平衡值，使得冲刷坑最大深度不随波高变化而变化。

3) 周期增大时，沙纹尺度加深，且形状较为规整，与波浪传播方向正交；管底冲刷坑深度加大，形成管后淤积，但周期对管底冲刷坑三维冲刷影响不大，左右侧冲刷深度变化较小。