潮汐条件下桥群冲刷机制研究：现场调查、实验室实验与数值分析

为解决潮汐河流中密集桥群因复杂水动力相互作用导致的桩基冲刷问题，研究人员通过现场调查、水槽实验和计算流体力学(CFD)模拟，揭示了上游桥梁湍流尾流对下游冲刷的加剧效应，并提出基于沿程流速和局部冲刷的预测方法，为潮汐环境桥梁布局设计提供新框架。

　　

在河流交汇处或入海口，密集分布的桥梁群常面临潮汐双向水流带来的独特冲刷挑战。不同于单向稳态水流，潮汐的周期性涨落使得水流方向、速度不断变化，导致河床泥沙反复搬运，形成复杂的冲刷-淤积动态平衡。更棘手的是，当多座桥梁近距离排列时，上游桥梁产生的湍流尾流会显著改变下游桥梁周围的水流结构，这种"桥群效应"使得传统单桥冲刷理论难以适用。据统计，美国自1950年以来60%的桥梁倒塌事故与中国2000-2014年间30%的桥梁失效案例均源于基础冲刷，凸显这一问题的严峻性。

为破解这一难题，中国国家杰出青年科学基金等项目支持的研究团队以乌龙江上五座密集桥梁为研究对象，创新性地采用"三位一体"研究策略。通过现场测量获取真实潮汐参数与地质数据，结合等比缩尺水槽实验重现桥群间水流相互作用，并运用计算流体力学(CFD)模拟解析湍流细节。特别关注了落潮期这一冲刷最剧烈时段，首次系统揭示了桥群间距与冲刷深度的非线性关系。

关键技术方法包括：在乌龙江桥群现场进行潮位-流速同步监测、河床地形扫描及沉积物采样；实验室采用声学多普勒测速仪(ADV)和粒子图像测速(PIV)技术捕捉桥墩周围三维流场；建立基于雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)的CFD模型，通过涡粘模型模拟湍流效应，并采用泥沙输运模块预测冲刷演变。

实验结果显示：上游桥梁形成的低速尾流区使下游220米处的桥梁遭受最严重冲刷，此处湍流强度较单桥工况增加47%。水槽实验证实，桥群数量增加会导致冲刷区域集中化，双桥工况下最大冲刷深度比单桥增加32%，但继续增加桥梁数量反而因能量耗散使最大冲刷深度减少15%。

数值模拟发现：上游桥墩产生的马蹄形涡(horseshoe vortex)和尾流涡(wake vortex)在潮汐往复流中持续发展，形成螺旋式冲刷模式。落潮期峰值流速阶段，桥群中心位置的床面剪应力可达单桥工况的2.3倍，导致该处沉积物快速起动。

提出的预测模型创新性地引入"桥群影响系数"，将相邻桥梁间距、排列方式等参数量化，经验证其预测误差小于12%。该模型特别适用于落潮主导的河口环境，但研究也指出需针对不同潮型（如半日潮、全日潮）和桥墩型式（如群桩、沉箱）进行参数校准。

这项发表于《Ocean Engineering》的研究具有双重突破意义：在理论上，首次阐明潮汐环境下桥群间湍流-冲刷的耦合机制，填补了双向流冲刷模型的空白；在实践上，开发的预测工具可直接服务于"粤港澳大湾区"等河口密集桥群的安全评估。研究团队特别强调，未来需结合春季大潮数据优化模型，并扩展至包含波浪作用的复合动力场景。正如评审专家指出，该研究"为21世纪海上丝绸之路的跨海通道建设提供了关键科学支撑"。