桥梁墩台冲刷计算

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1、叶镇国 彭文波 编箸水力学与桥涵水文水力学与桥涵水文 1 第十三章 桥梁墩台冲刷计算p13-1 河流的泥沙运动与河床演变p13-2 墩台冲刷类型p13-3 桥下断面一般冲刷深度p13-4 墩台局部冲刷深度p13-5 桥下河槽最低冲刷线 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 2 13-1 河流的泥沙运动与河床演变o泥沙分类n悬移质颗粒较细的泥沙被水流带起，悬浮于水中向下游运动 。n推移质颗粒稍大的泥沙，在床面上滚动、滑动或跳跃着间歇性地向下游移动。n床沙下沉到河床床面静止不动的泥沙 。o泥沙的主要特性n几何特性 o一般用泥沙颗粒的直径（粒径d）、粒径级配曲线、平均粒径或中值粒径（d 50）来表示

2、。 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 3 13-1 河流的泥沙运动与河床演变o粒径与泥沙颗粒同体积的球体直径，即等容直径。n测量方法：筛分法、水析法、直接量测长短轴o粒径级配曲线：表明沙样颗粒的大小和均匀程度。 （图 9-16） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 4 13-1 河流的泥沙运动与河床演变o平均粒径o中值粒径大于和小于该粒径的泥沙质量（或重量）各占一半。n重力特性o泥沙颗粒实体的单位体积的重力，即重度。o一般平均为26kN/m 。n水力特性o沉降速度泥沙颗粒在静止的清水中均匀下沉的速度。 i iiPPdd（9-20） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 5 13-1 河流

3、的泥沙运动与河床演变o泥沙的起动n泥沙的起动：在水流推动下，床面泥沙颗粒由静止开始运动。n泥沙起动的受力分析起动流速v 0：床面泥沙颗粒在各种外力作用下，失去平衡，泥沙开始运动时的水流垂线平均流速。张瑞瑾公式0.50.14 70 0.721017.6 6.05 10s h hv dd d （图9-21） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 6 13-1 河流的泥沙运动与河床演变n沙波运动形式示意图 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 7 13-1 河流的泥沙运动与河床演变n天然河流中的沙波 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 8 13-1 河流的泥沙运动与河床演变n输沙率、含沙量与挟沙力

4、o推移质输沙率单位时间内在过水断面单位河槽宽度上，通过的推移质的重量。o反映推移质运动的强烈程度。o窦国仁公式o推移质输沙率与流速4次方成正比，因此，大多数推移质集中在流速最大的主流区内，而且一年中推移质的很大部分是在几次大洪水过程中通过的。 gvvvCkg s sb 30200 )( 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 9 13-1 河流的泥沙运动与河床演变n含沙量单位体积内水流中所含悬移质的重量。n挟沙力在一定的水力条件和边界条件下，单位体积的水流能够挟带泥沙的最大重量。n桥孔净长Lj桥长扣除全部桥墩宽度后的长度。n河床的粗化o在冲刷河段内，床沙中的细颗粒泥沙被水流冲走，粗颗粒泥沙慢慢沉

5、下来，河床表面层的泥沙粒径逐渐增大，形成自然铺砌的现象。 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 10 13-1 河流的泥沙运动与河床演变o河床演变n河床演变在天然状况下或人类活动的干扰后，河床形态逐渐的变化。n河床演变的基本原理o水流输沙不平衡引起河床演变o水流通过泥沙运动塑造河床形态，是最活跃的因素，起主导作用。o副流的存在是河床冲淤变形的直接原因。n影响河床演变的主要自然因素 o上游来水条件，即流量的大小和变化。 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 11 13-1 河流的泥沙运动与河床演变o上游来沙条件，即上游来沙量及其粒径组成。o河床地质、土质条件、河床比降。o河相关系n河相关系描述河

6、床均衡形态的几何因素（河宽 B、平均水深 h、比降 i、弯道半径 R 等）与来水、来沙条件（Q、d 等）存在的对应关系。n造床流量与多年连续造床作用相当的某个流量数值。n稳定河宽公式 2.0 5.0iQB （9-25） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 12 13-1 河流的泥沙运动与河床演变n河槽宽度与水深的关系n单宽流量集中系数hB（9-24） 0.150.15 BH （13-3） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 13 13-2 墩台冲刷类型o概述n河道中水流驱使床面泥沙运动，泥沙运动后的床面形态又影响水流结构，水沙运动相互依存，相互影响，永恒变化。n桥梁设计中，必须合理地预估桥

7、梁使用期间墩台周边的冲刷，为确定墩台基础最小埋置深度提供依据n桥梁墩台冲刷是桥梁水毁的直接原因，对桥梁安全的危害极大。 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 14 13-2 墩台冲刷类型n规范C30的一般规定： 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 15 13-2 墩台冲刷类型o河床自然演变冲刷n定义：河床在水力作用及泥沙运动等因素影响下自然发育过程造成的冲刷现象。n规范C30条文 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 16 13-2 墩台冲刷类型o桥下断面一般冲刷n定义：桥下河床全断面发生的冲刷现象。一般冲刷原理 建桥后，由于断面压缩使过水断面变小，流速加快，水流夹沙能力增强，从而产生的冲刷

8、。 （图 13-1） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 17 13-2 墩台冲刷类型o墩台局部冲刷n定义：水流受墩台阻挡，在墩台附近局部范围内发生的冲刷现象。 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 18 13-3 桥下断面一般冲刷深度o一般冲刷深度hpn定义：一般冲刷完成后从设计水位算起的桥下最大铅垂水深。o 64-1公式（冲止流速公式）n冲止流速vz桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速。n冲止流速理论：桥下断面内的任一垂线流速都会由于桥梁墩台对河床的压缩而提高，此时将发生一般冲刷。随着冲刷的发展，垂线深度加大，垂线平均流速降低。当垂线平均速度降低到该垂线的冲止流速时，一般冲刷停止。 叶镇国

9、彭文波 编著水力学与桥涵水文 19 13-3 桥下断面一般冲刷深度n连续性方程（12-17） zp vqh max对宽浅式河渠，水力半径约等于平均水深 3561)1()( hn iLRiRnhLRiACQ jjP 35hniLQq jP 35maxmax hniLQq jP 35max35maxmax )()( hhLQhhqq jP 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 20 13-3 桥下断面一般冲刷深度n冲止流速o非黏性土河槽（13-2） 考虑单宽流量向深槽集中的趋势53maxmax cPjQ hq L h 0.15BH （13-3） 21 36z pv Ed h（13-4） 一般冲刷深

10、度35 max16cPp jQ hh hL Ed （13-5） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 21 13-3 桥下断面一般冲刷深度o非黏性土河滩15max 1H tpv v h（13-7） maxmaxvqh ttp 35maxmax )( tttjtPt hhLQq （13-6） 一般冲刷深度 55 63max1.tP ttj ttp HQ hL hh v （13-8） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 22 13-3 桥下断面一般冲刷深度n粘性土河床o塑限Wp：粘性土由半固态向可塑态过渡时的含水量。o流限WL：由可塑态向流态过渡时的含水量。o塑性指数Ip：流限与塑限之差。o液性

11、指数IL：天然含水量与塑限的差值与塑性指数的比值。 P L PI W W 0 PL PW WI I（13-9） 1z Lv I 1zv e 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 23 13-3 桥下断面一般冲刷深度o冲止流速经验公式o一般冲刷深度河槽：53133.0 pLz hIv 河滩：61133.0 pLz heIv 55 83max10.33cPjp LQ hL hh I 65 73max10.33cP t tjtp LQ hL hh I e 河槽： 河滩：（13-14） （13-13） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 24 13-3 桥下断面一般冲刷深度o 64-2公式（输沙平衡

12、公式）n输沙平衡理论o当上游天然河道的来沙量大于桥下河槽断面的排沙量时，桥下断面出现淤积。o当上游天然河道的来沙量小于桥下河槽断面的排沙量时，桥下断面出现冲刷。o当上游天然河道的来沙量等于桥下河槽断面的排沙量时，桥下断面出现冲淤平衡，一般冲刷达到最大值。 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 25 13-3 桥下断面一般冲刷深度n计算式44 11 1 1 1 1 1 1 1 11s QG B g Bv B B h 44 2 2 2 2 2 2 2 2 2 22j s j jQG B g B v B B h 令G1G2， ，得：2 ph h 2 21jB B 31 442 2 1 11 1 21

13、p Q Bh hQ B 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 26 13-3 桥下断面一般冲刷深度n考虑单宽流量的分布不均匀、河床的特征和实测的资料，得 11 342 1 max1 2 max 11 0.02lg mmp Q Bh K hQ BHK Hd （13-20） 64-2式：max66.02190.012 )1(04.1 hBBQQAhp 64-2简化式： 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 27 13-3 桥下断面一般冲刷深度o包氏公式n包氏理论o当桥下流速达到天然河槽流速时，桥下冲刷即停止，而且在同一垂线处，冲刷后的深度与冲刷前的深度成正比。n计算式o均质河床：o非均质河床，易冲

14、土壤部分：o无导流堤时桥台偏斜冲刷深度： ph Ph 21qp PA Ah A max maxp hh P h h hh （13-21） （13-23） （13-22） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 28 13-4 墩台局部冲刷深度o墩台局部冲刷深度hb冲刷坑外缘与冲刷坑底的最大深度。o决定冲刷坑深度的主要因素n水深o假定局部冲刷是在一般冲刷完成后进行的，应取一般冲刷深度作为行近水深。n墩前水流的行进流速o计算桥墩局部冲刷时，应根据所采用的一般冲刷公式，选用其对应的行近流速公式。 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 29 13-4 墩台局部冲刷深度n桥墩宽度和形状（计算宽度和墩形系数

15、）n河床质粒径和组成（平均粒径、颗粒影响系数）n墩周的起冲流速，泥沙的起动流速o桥墩局部冲刷深度计算式n 65-1修正式（非粘性土河床）清水冲刷： 0.61 0 0bh K K B v v （13-24） 动床冲刷： 10.6 01 0 0 0 0 nb v vh K K B v v v v （13-25） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 30 13-4 墩台局部冲刷深度1 0.45 0.151 10.8K d d （13-26） 0.50.140 0.72100.0246 332p ph hv dd d 0.060 000.462 dv vB 0.190.2501 dvn v （13-

16、27） （13-28） （13-29） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 31 13-4 墩台局部冲刷深度n 65-2公式（非粘性土河床）20.6 0.15 02 0 0 nb p v vh K K B h v 0.242 2.20.0023 0.375K dd 0.50 0.550 0.28 0.70.12 0.5v dv d 2 1n 2 0.23 0.19lg0 1 dn vv （13-30） （13-31） （13-32） 清水冲刷：动床冲刷： 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 32 13-4 墩台局部冲刷深度n粘性土河床（ C30 规范）5.21 Bhp 0.6 1.2500

17、.83b Lh K B I v 5.21 Bhp 0.6 0.100.55 pb Lh K B h I v （13-35） （13-36） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 33 13-4 墩台局部冲刷深度o桥台冲刷计算n桥台附近水流结构示意图 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 34 13-5 桥下河槽最低冲刷线o桥下河槽最低冲刷线 桥梁墩台处桥下河床自然演变等因素冲刷深度、一般冲刷深度、局部冲刷深度三者全部完成后的最大水深线。o计算公式 s p bs P sN sh h h hH H hH H c （13-39） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 35 13-5 桥下河槽最低冲刷线