关于潮汐流作用下桥梁群冲刷演变的研究

《Ocean Engineering》：Investigation on scour evolution of bridge groups under tidal currents

桥梁群在潮汐峰值条件下的冲刷演化机制研究，通过水槽实验与数值模拟（CFD-FLOW-3D）结合分析，揭示上游桥墩尾流屏蔽效应可减缓下游冲刷，但密集桥群会加剧冲刷，最深冲刷区位于尾流区。关键参数影响：流速（主导）>水深>粒径。研究提出桥群间距优化（>5倍墩径）可降低冲刷深度达30%-40%。

　　

作者：汤松源、刘中祥、姜志宇、郭彤、孙振、贾东东

单位：东南大学交通学院，南京，210096，中国

摘要

局部冲刷对间距较短的桥梁群构成严重威胁，因此识别冲刷的演变机制对于提出针对性的保护措施至关重要，从而保障在役结构的安全。本研究通过水槽实验和数值模拟相结合的方法，探讨了在潮汐回流峰值条件下桥梁群周围的冲刷演变过程。此外，通过一系列参数分析定量阐明了关键水力参数和沉积物参数对冲刷动力学的影响。数值结果与实验数据表现出强烈相关性。上游结构在一定距离范围内会产生尾流屏蔽效应，减轻下游桥墩周围的冲刷程度。然而，间距过密的桥梁群往往会加剧冲刷现象，最深的冲刷通常发生在流速偏转加剧剪切应力的尾流区域。研究表明，桥墩间距过短、桥墩数量较多以及连续建造桥梁群会导致冲刷程度加重。在影响冲刷的因素中，流速的影响最为显著，其次是水深和沉积物粒径。随着水深的增加，近床流速和涡流的减弱减缓了冲刷深度的增长；同时，较高的流速、较小的沉积物粒径以及最佳的水深条件也会增加冲刷强度。

引言

冲刷严重威胁着跨越河流的桥梁的结构稳定性，表现为整体收缩和局部侵蚀。其中，局部冲刷的影响最为严重，这是由于水流路径上的结构障碍物对流场的影响所致（Tang等人，2023年）。特别是桥墩周围的冲刷会降低表面摩擦力，导致桥墩暴露程度增加，从而降低其承载能力（Sha等人，2025年）。这种不稳定性可能导致桥墩位移或倒塌，对公共安全构成严重威胁，并造成巨大的经济损失（图1）（Lai等人，2022年；Liu等人，2025a；Liu等人，2025b）。 近年来，人们非常关注桥梁桥墩冲刷的成因机制。当水流速度超过某个临界值时，沉积物床面开始侵蚀（Pizarro等人）。这一侵蚀过程会持续进行，直到沉积和侵蚀速率达到动态平衡。具体而言，冲刷过程可以分为三个阶段：上游水流接近阶段、水流分离阶段以及下游水流区域（Bharadwaj等人，2025年）。桥墩会产生垂直压力梯度，使水流分为向上和向下的分量。向下流动的水流冲击河床，通过卷带和移除沉积物颗粒来形成冲刷坑。马蹄形涡流产生的旋转流会在河床附近形成高流速区域，从而加剧沉积物的移除并扩大冲刷范围（Kumar，2017年；Afaridegan等人，2022年）。 现场观测和水槽实验受到多种因素的限制，如技术限制、尺度效应、河道条件以及沉积物材料的固有特性（Liu和Zhao，2024年；Fang等人，2026年）。相比之下，数值模拟方法能够更清晰、更全面地了解桥墩周围的冲刷动力学（Niu等人，2025年）。Ciancimino等人（2022年）研究了桥墩在冲刷作用下的结构响应。Yu和Zhu（2020年）对不同桥墩几何形状和水流冲击角度对冲刷过程的影响进行了建模。他们的研究发现，局部冲刷受到几何形状和冲击角度的显著影响。值得注意的是，平行水流条件以及优化桥墩形状能够显著减轻冲刷程度。Bento等人（2023年）采用多块入口沉积模拟（SSIIM）方法预测了冲刷深度和剪切应力的变化，平均相对误差低于3%。Wu等人（2021年）对不同配置下的冲刷模式进行了比较分析。 目前的研究主要集中在单个桥梁上。相比之下，关于多桥组合体的研究，尤其是它们的水动力响应和相关冲刷现象的研究较为分散，未能充分考虑分期施工对冲刷演变的影响，以及在这种环境下冲刷发展及其演变机制的驱动因素。此外，潮汐流的非静止性和双向特性导致冲刷演变机制的复杂性。双向潮汐流通常产生的冲刷深度比单向稳态流要浅（McGovern等人，2014年）。这种减少是由于周期性方向变化促进了沉积物在侵蚀坑内的重新沉积，从而减缓了冲刷速率。最大冲刷通常发生在退潮或涨潮时水流达到最大值时（Yu等人，2023年）。因此，全面了解冲刷演变过程受到阻碍，桥墩附近冲刷深度的预测精度也受到影响。有必要通过明确将施工顺序纳入桥群冲刷评估过程，探索桥梁数量与冲刷过程之间的联系。 本研究以位于中国福建省福州市的五龙河桥群作为实际工程对象，利用计算流体动力学（CFD）方法进行冲刷演变的数值模拟，探讨不同计算方案（单独计算和连续计算）对桥群局部冲刷发展的影响。为了更好地理解桥群作用下桥墩周围沉积物形态变化和冲刷过程，本研究为制定旨在减轻局部冲刷导致的暴露、位移和倒塌等问题的保护措施提供了科学依据。

湍流模型

在本研究中模拟桥群下方局部冲刷的流体运动时，假设水是不可压缩的粘性流体（Geng等人，2024年；Albalawi等人，2023年）。控制方程基于连续性方程（方程（1）和不可压缩非稳态雷诺平均纳维-斯托克斯方程（方程（2）（Xu和Wei，2019年）。

$\frac{?u_i{A}_i)}{?}=0$