第十三章 桥梁墩台冲刷计算

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13-1河流的泥沙运动与河床演变13-2墩台冲刷类型13-3桥下断面一般冲刷深度13-4墩台局部冲刷深度13-5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213-1河流的泥沙运动与河床演变泥沙分类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。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。床沙——下沉到河床床面静止不动的泥沙。泥沙的主要特性几何特性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（d50）来表示。叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文313-1河流的泥沙运动与河床演变粒径——与泥沙颗粒同体积的球体直径，即等容直径。测量方法：筛分法、水析法、直接量测长短轴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413-1河流的泥沙运动与河床演变平均粒径中值粒径——大于和小于该粒径的泥沙质量（或重量）各占一半。重力特性泥沙颗粒实体的单位体积的重力，即重度。一般平均为26kN/m³。水力特性沉降速度——泥沙颗粒在静止的清水中均匀下沉的速度。iiiPPdd（9-20）叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文513-1河流的泥沙运动与河床演变泥沙的起动泥沙的起动：在水流推动下，床面泥沙颗粒由静止开始运动。泥沙起动的受力分析起动流速v0：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0.50.14700.721017.66.0510sγγhhvddγd（图9-21）叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文613-1河流的泥沙运动与河床演变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713-1河流的泥沙运动与河床演变天然河流中的沙波叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文813-1河流的泥沙运动与河床演变输沙率、含沙量与挟沙力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。反映推移质运动的强烈程度。窦国仁公式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。gvvvCkgssb30200)(叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文913-1河流的泥沙运动与河床演变含沙量——单位体积内水流中所含悬移质的重量。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。桥孔净长Lj——桥长扣除全部桥墩宽度后的长度。河床的粗化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1013-1河流的泥沙运动与河床演变河床演变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。河床演变的基本原理水流输沙不平衡引起河床演变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。副流的存在是河床冲淤变形的直接原因。影响河床演变的主要自然因素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1113-1河流的泥沙运动与河床演变上游来沙条件，即上游来沙量及其粒径组成。河床地质、土质条件、河床比降。河相关系河相关系——描述河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。造床流量——与多年连续造床作用相当的某个流量数值。稳定河宽公式2.05.0iQB（9-25）叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文1213-1河流的泥沙运动与河床演变河槽宽度与水深的关系单宽流量集中系数hB（9-24）0.150.15BH（13-3）叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文1313-2墩台冲刷类型概述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。桥梁设计中，必须合理地预估桥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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1413-2墩台冲刷类型规范C30的一般规定：叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文1513-2墩台冲刷类型河床自然演变冲刷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。规范C30条文叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文1613-2墩台冲刷类型桥下断面一般冲刷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。（图13-1）叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文1713-2墩台冲刷类型墩台局部冲刷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1813-3桥下断面一般冲刷深度一般冲刷深度hp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。64-1公式（冲止流速公式）冲止流速vz——桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速。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。叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文1913-3桥下断面一般冲刷深度连续性方程（12-17）zpvqhmax对宽浅式河渠，水力半径约等于平均水深3561)1()(hniLRiRnhLRiACQjjP35hniLQqjP35maxmaxhniLQqjP35max][35maxmax)()(hhLQhhqqjP叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文2013-3桥下断面一般冲刷深度冲止流速非黏性土河槽（13-2）考虑单宽流量向深槽集中的趋势53maxmaxcPjQhqLh0.15BH（13-3）2136zpvEdh（13-4）一般冲刷深度35max16cPpjQhhhLEd（13-5）叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文2113-3桥下断面一般冲刷深度非黏性土河滩15max1Htpvvh（13-7）maxmaxvqhttp35maxmax)(tttjtPthhLQq（13-6）一般冲刷深度5563max1.tPttjttpHQhLhhv（13-8）叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文2213-3桥下断面一般冲刷深度粘性土河床塑限Wp：粘性土由半固态向可塑态过渡时的含水量。流限WL：由可塑态向流态过渡时的含水量。塑性指数Ip：流限与塑限之差。液性指数IL：天然含水量与塑限的差值与塑性指数的比值。PLPIWW0PLPWWII（13-9）1zLvI1zve叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文2313-3桥下断面一般冲刷深度冲止流速经验公式一般冲刷深度河槽：53133.0pLzhIv河滩：61133.0pLzheIv5583max10.33cPjpLQhLhhI6573max10.33cPttjtpLQhLhhIe河槽：河滩：（13-14）（13-13）叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文2413-3桥下断面一般冲刷深度64-2公式（输沙平衡公式）输沙平衡理论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。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。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2513-3桥下断面一般冲刷深度计算式4411111111111sQGBgBvBBh4422222222222jsjjQGBgBvBBh令G1＝G2，，得：2phh221jBB314422111121pQBhhQB叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文2613-3桥下断面一般冲刷深度考虑单宽流量的分布不均匀、河床的特征和实测的资料，得113421max12max110.02lgmmpQBhKhQBHKHd（13-20）64-2式：max66.02190.012)1(04.1hBBQQAhp64-2简化式：叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文2713-3桥下断面一般冲刷深度包氏公式包氏理论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。计算式均质河床：非均质河床，易冲土壤部分：无导流堤时桥台偏斜冲刷深度：phPh21qpPAAhAmaxmaxphhPhhhh（13-21）（13-23）（13-22）叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文2813-4墩台局部冲刷深度墩台局部冲刷深度hb——冲刷坑外缘与冲刷坑底的最大深度。决定冲刷坑深度的主要因素水深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。墩前水流的行进流速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2913-4墩台局部冲刷深度桥墩宽度和形状（计算宽度和墩形系数）河床质粒径和组成（平均粒径、颗粒影响系数）墩周的起冲流速，泥沙的起动流速桥墩局部冲刷深度计算式65-1修正式（非粘性土河床）清水冲刷：0.6100bhKKBvv（13-24）动床冲刷：10.6010000nbvvhKKBvvvv（13-25）叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文3013-4墩台局部冲刷深度10.450.15110.8Kdd（13-26）0.50.1400.72100.0246332pphhvddd0.060000.462dvvB0.190.2501dvnv（13-27）（13-28）（13-29）叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文3113-4墩台局部冲刷深度65-2公式（非粘性土河床）20.60.150200nbpvvhKKBhv0.2422.20.00230.375Kdd0.500.5500.280.70.120.5vdvd21n20.230.19lg01dnvv（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3213-4墩台局部冲刷深度粘性土河床（C30规范）5.21Bhp0.61.2500.83bLhKBIv5.21Bhp0.60.100.55pbLhKBhIv（13-35）（13-36）叶镇国彭文波编著水力学与桥涵水文3313-4墩台局部冲刷深度桥台冲刷计算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3413-5桥下河槽最低冲刷线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。计算公式spbsPsNshhhhHHhHHc