第十三章桥梁墩台冲刷计算

2020/3/30§13桥梁墩台冲刷计算§13.1墩台冲刷类型大中桥水力计算的三大基本内容：桥长、桥面最低标高、墩台基础最小埋置深度。一、河床自然演变冲刷：河床在水力作用及泥沙运动等因素的影响下，自然发育过程造成的冲刷现象二、桥下断面一般冲刷：桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流挟沙能力也随之增大，引起断面河床冲刷的现象三、墩台局部冲刷：水流受墩台阻挡，在墩台附近发生的冲刷现象hphbh2020/3/30床面开始冲刷时的流速，称为床沙起冲流速，以v0’表示床面泥沙起动时的流速，称为床沙起动流速，以v0表示冲刷停止时的垂线平均流速，称为冲止流速，以vz表示2020/3/30桥墩的局部冲刷冲刷深度与行近流速关系2020/3/30§13.2桥下断面一般冲刷深度一般冲刷深度：通常用冲刷停止时桥下的垂线水深来表示尚无成熟理论，主要按经验公式（64-1；64-2；）或包尔达可夫公式计算64-1公式、64-2公式为1964年全国桥渡冲刷学术会议推荐试用，1991年《公路桥位勘测设计规范》正式作为推荐公式，《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC30-2002）采用简化式。2020/3/30一、非粘性土河槽基本假定：当河槽断面流速等于冲止流速时，桥下一般冲刷随即停止，且一般冲刷深度达到最大，由此有，非粘性土河槽非粘性河滩粘性土河床64-1公式3个：2020/3/30)113(maxmaxzpVqVqh—桥下一般冲刷深度—ph量—桥下断面最大单宽流—maxq—水流速度—V—冲止流速—zV2020/3/302）64-1修正式41.3.75361352dEhhBQAhcqcmcjdp513max5361hhdELQhjcpp2020/3/30式中：；即为全桥桥孔过水净宽至全桥时，），当桥下河槽能扩宽宽（—河槽部分桥孔过水净—mcjB）；—桥下河槽平均水深（—mcqh）；—河槽泥沙平均粒径（—mmd选用。系数，可按表—与汛期含沙量有关的—21.3.7E2020/3/302020/3/30二、非粘性土河滩51.3.7651351HtqtmtjpVhhBQh)61.3.7(111ptctQQQQQ2020/3/30式中：）；设计流量（—桥下河滩部分通过的—s/m31Q）；—桥下河滩最大水深（—mtmh）；—桥下河滩平均水深（—mtqh）；—河滩部分桥孔净长（—mtjB选用。可按表），（时非粘性土不冲刷流速—河滩水深—31.3.7s/mm11HV2020/3/302020/3/30一、河槽部分64-1：粘性土河床12.3.7133.085352LcqcmcjdpIhhBQAh（13-13）2020/3/30式中：；～取—单宽流量集中系数，—2.10.1dA。～适用范围液性指数，—冲刷坑范围内粘性土—19.116.0LI2020/3/30二、河滩部分22.3.7133.076351LtqtmtjpIhhBQh（13-14）2020/3/30适用于非粘性土河槽64-2公式（p139）：20-131max3241211hBBQQKhmcmpdHHKmaxlg02.0164-2公式：基于输沙平衡理论2020/3/30适用于非粘性土河槽规范：64-2简化式1-7.3.1104.166.090.02cmcgccdphBBQQAh21.3.712ptccQQQQQ64-2公式：基于输沙平衡理论2020/3/30；）的设计流量（—频率为—s/m%3PQp31.3.715.0zzdHBA式中：）；大水深（—桥下一般冲刷后的最—mph；取用当河槽能扩宽至全桥时），设计流量（—桥下河槽部分通过的—pQQs/m322020/3/30）；设计流量（—天然状态下河槽部分—s/m3cQ）；部分设计流量（—天然状态下桥下河滩—s/m31tQ取用桥孔总长度；当河槽能扩宽至全桥时），度（—桥长范围内的河槽宽—mcgB位时河槽宽度；对复式河床可取平滩水），度（—造床流量下的河槽宽—mzB面积的比值；桥墩阻水总面积与过水宽度范围内，—设计水位下，在—cgB2020/3/308.18.1值可采用时，当河段山前变迁、游荡、宽滩—单宽流量集中系数，—dddAAA确定；数，按表—桥墩水流侧向压缩系—11.3.7）；—河槽最大水深（—mcmh深。平滩水位时河槽平均水），对复式河床可取均水深（—造床流量下的河槽平—mzH2020/3/30§13.2.3包尔达可夫公式包尔达可夫按别列柳伯斯基假定建立的一般冲刷公式；只适用于稳定性河段（没有考虑土质因素和单宽流量集中情况）2020/3/301、均质河床：PhhP—一般冲刷深度—Ph—冲刷前的垂线水深—h—冲刷系数—P2020/3/302、无导流堤时桥台偏斜冲刷深度hhhhhPhPmaxmax')(2020/3/303、岩土河床易冲土壤部分的冲刷深度）积（—冲刷前桥下毛过水面—2mqA）过水面积（—冲刷前易冲刷部分的—21mA）的毛过水面积（表层可冲土壤被冲去后，—冲刷后不可冲刷部分—22mA12''AAPAhqP2020/3/30§13.3墩台局部冲刷深度墩台局部冲刷深度：墩台周围因水流冲刷形成的冲刷坑最大深度。墩台局部冲刷原因：流向桥墩的水流受到墩身的阻挡，桥墩周围的水流结构发生急剧变化，水流的绕流使流线急剧弯曲，床面附近形成旋涡，剧烈淘刷桥墩迎水端和周围的泥沙，形成局部冲刷坑。2020/3/30桥墩局部冲刷的水流结构示意图h2020/3/30与桥墩局部冲刷深度有关的主要因素：1、冲向桥墩的流速2、桥墩的宽度3、桥墩型式4、水深5、床沙粒径2020/3/30桥墩的局部冲刷流向桥墩的水流受到墩身的阻挡，桥墩周围的水流结构发生急剧变化，水流的绕流使流线急剧弯曲，床面附近形成漩涡，剧烈掏刷桥墩迎水端和周围的泥沙，形成局部冲刷坑，随着冲刷坑的不断加深和扩大，坑底流速逐渐降低，水流挟沙能力随之喊弱，上游进入冲刷坑的泥沙与水流冲走的泥沙趋向平衡，同时，冲刷坑底的泥沙逐渐粗化。坑底粗糙程度增大，抗冲能力增强，使水流的冲刷作用与床沙的抗冲作用也趋向平衡，冲刷随之停止，局部冲刷坑达到最深。冲刷坑外缘与桥墩前端坑底的最大高差，就是最大局部冲刷深度。2020/3/30桥墩的局部冲刷桥墩局部冲刷的机理2020/3/30第四节桥墩的局部冲刷桥墩局部冲刷的机理2020/3/30桥墩的局部冲刷冲刷深度与行近流速关系桥墩局部冲刷深度与冲向桥墩的水流速度(以垂线平均流速表示)有关。当速度V增大到一定程度时，桥墩迎水面两侧的泥沙首先被水流冲走，床面开始冲刷，此时冲向桥墩的水流行近流速（垂线平均流速）称为桥墩起冲流速v’0。桥墩起冲流速v’0一般为床沙起动流速v0的0.4～0.6倍。流速小于v0的冲刷为清水冲刷，大于v0的为动床冲刷。2020/3/30桥墩的局部冲刷冲刷深度与行近流速关系根据模型试验和观测资料可知，桥墩局部冲刷深度与涌向桥墩的流速V有关。当V逐渐增大到一定数值时，桥墩迎水面两侧的泥沙开始被冲走而产生冲刷，此时涌向桥墩的垂线平均流速称为墩旁床沙的起冲流速v’0。当v大于V’0（V表示河床泥沙的起动流速)并继续增大时，冲刷坑逐渐加深和扩大，局部冲刷深度与V近似呈直线关系增大，当V增大到V。时，床面泥沙大量起动，上游来的泥沙有些将潜留在冲刷坑内，因此当VV0并继续增大时，冲刷坑深度的增长因有泥沙补给而减缓，局部冲刷深度hb与V呈曲线关系。2020/3/30桥墩的局部冲刷冲刷深度与行近流速关系2020/3/30桥墩的局部冲刷冲刷深度与行近流速关系2020/3/30一般冲刷深度与局部冲刷深度的区别：1、一般冲刷深度是从设计水位至一般冲刷线的最大深度2、局部冲刷深度是从一般冲刷线至冲刷坑底的最大深度2020/3/30《公路桥位勘测设计规范》JTGC30-2002推荐的65-1，65-2修正后的新公式一、非粘性土河床的局部冲刷深度1、65-1修正式)()1('06.0110VVBKKhVVb时，当、1'00'0'006.0110)()2(nbVVVVVVBKKhVV时，当、2020/3/3015.045.01118.0ddK5.072.014.00103320246.0dhddhVPP006.01'0462.0VBdV19.025.001dVVn2020/3/30式中：—河床颗粒影响系数；—1K表格选用；—墩形系数，可按附录—K）；—桥墩局部冲刷深度（—mbh）；—桥墩计算宽度（—m1B2020/3/30墩型系数表2020/3/30墩型系数表2020/3/30）；—河床泥沙起动流速（—s/mV0）；—墩前泥沙起冲流速（—s/mV'0条规定计算；按规范），流速（—一般冲刷后墩前行近—4.4.7s/mV）；—河床泥沙平均粒径（—mmd—指数。—1n2020/3/302、65-2公式0'015.06.0120VVVVVPbhBKKh当20'015.06.0120VVVVVnPbhBKKh当2020/3/305.007.028.0dV55.0'05.012.0dVdVVnlg19.023.00224.02.22375.00023.0ddK2020/3/30式中：—河床颗粒影响系数；—2K指数。——2n2020/3/30粘性土河床桥墩局部冲刷可按下式计算：VIBKhBhLbP25.16.01183.05.2时，当VIhBKhBhLPbP0.11.06.01155.05.2时，当式中：。～液性指数，适用范围—冲刷坑范围内粘性土—48.116.0LI2020/3/30四、行近水深和行近流速取一般冲刷后最大水深作为行近水深和一般冲刷后垂线平均流速作为行近流速。1）按输沙平衡原理公式计算一般冲刷时：2）按冲止流速公式计算一般冲刷深度时，取该公式对应的冲止流速公式计算。0.340.660.1max21.041cccBhAvvBh2020/3/30一桥台绕流的水流结构桥台附件的水流由主流区，下游回流区和上游滞流区三部分组成。2020/3/30一桥台绕流的水流结构2020/3/302020/3/302020/3/302020/3/302020/3/302020/3/30抛石防洪保黄河铁路桥加固冲刷严重桥墩2008.6.17日，一列铁路专用防洪抛石车缓缓驶上京广黄河铁路大桥，以每小时5公里的速度，成功抛下180笼近180立方米石块。郑州铁路局2008年京广线黄河铁路大桥抛石防洪度汛施工，由此拉开序幕。始建于1958年的京广铁路黄河大桥，位于黄河下游游荡性河段上，受当时建桥技术和地理条件限制，大桥桥墩基础较浅。由于大桥上游河水主槽摆动频繁，河床冲刷对大桥的安全造成影响。6月19日小浪底水库即将开闸调水泄洪，最大流量预计将达3900立方米／秒，调水泄洪将改变黄河大桥桥址处的水流环境和输沙运行规律。为应对黄河小浪底水库的调沙泄洪，担负大桥养护维修任务的郑州铁路局闻汛而动，正式启动黄河铁路大桥度汛抛石预案。2020/3/30防护桥墩周围冲刷的方案和辅助措施。采用在桥墩中开缝或在墩周围设护圈作为控制冲刷深度的措施。清水试验表明，仅用开缝的方法能减少冲刷深度20％，而开缝结合使用护圈则可进一步减小冲刷深度。2020/3/30桥台冲刷一桥台绕