第七章--桥墩和桥台冲刷

普通高等教育“十一五”国家级规划教材21世纪交通版高等学校教材人民交通出版社桥涵水文（第四版）高冬光王亚玲编著李家春李朋丽课件编制高冬光校审第七章桥墩和桥台冲刷z水流冲刷使基础脱空，承载力不足，基础沉降和位移。严重时造成桥梁跨塌。桥下冲刷分类桥下河床冲刷计算，是确定墩台基础埋深的重要依据。桥渡附近河床变形分为三类：1.河床自然变形引起；2.桥孔压缩水流，增加单宽流量所引起，称一般冲刷；3.由桥墩阻水使水流结构变化，在桥墩周围发生的，称局部冲刷。建桥后，除河床的自然演变外，还有桥梁孔径压缩水流和墩台阻挡水流引起的冲刷，各种冲刷交织在一起同时进行，冲刷过程十分复杂。河床自然演变、一般冲刷、局部冲刷－－示意图实际调查时注意回淤现象第一节泥沙运动河床质分类：根据泥沙在河槽内运动的状态，分为悬移质和推移质两类。在一定的水力条件下，泥沙处于运动状态，颗粒较细的泥沙被水流中的紊流旋涡带起，悬浮于水中向下游运动，这种泥沙称为悬移质；颗粒稍大的泥沙，则在床面上滚动、滑动或跳跃着间歇性地向下游移动，前进的速度远小于水流的流速，这些泥沙称为推移质。对于桥梁上下游，因水流急剧变化，引起河床变形和墩台附近的冲刷，起主要作用的是推移质和床沙。泥沙的主要特性1、几何特征：级配曲线、平均粒径、中值粒径2、重力特性：ys＝26KN/m33、水力特性：泥沙的沉速50d2006年9月西江河段沿程河床质颗粒级配曲线汇总图泥沙的起动z在水流推动下，床面泥沙颗粒由静止开始运动，称为泥沙的起动。泥沙起动是泥沙运动和河床变形开始的临界状态。起动流速0υ0τ泥沙起动条件可用起动流速和起动床面切应力表示我国桥梁冲刷计算中，采用起动流速作为判别床面泥沙是静止还是运动状态的标准。起动流速就是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（m/s）。5.072.014.00)10000000605.029(dhddh++⎟⎠⎞⎜⎝⎛=υ张瑞瑾的起动流速公式：2.05.0475.00)7.0(1.143.0hdd⎥⎦⎤⎢⎣⎡−+=ευ沙玉清公式：d=0.15mm附近，起动流速有个最小值。该值右侧，起动流速以克服重力为主，起动流速随粒径增大而增大；该值左侧，起动流速以克服粘结力为主，起动流速随粒径减小而增大。沙波运动z沙坡的形态与水流强度有密切关系，当弗汝德数Fr很小时，床面出现沙纹，波高与波长约为几厘米至十几厘米，常见于天然河滩；当弗汝德数Fr增大到一定程度后，沙纹成长为沙垄；水流强度再增大，则沙垄成长为沙丘，在沙槽内形成结构状泥沙堆，例如平原顺直微弯河段河槽内两岸交错分布的边滩。推移质输沙率推移质输沙率是单位时间内在过水断面单位河槽宽度上，通过的推移质的质量，单位是kg/s·m。ωυυυγγγγgCkg3kss200b)(−−⋅=窦国仁公式：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。含沙量和挟沙能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数量（质量），包括悬移质和推移质的全部泥沙数量，称为水流的挟沙能力。对于颗粒很细的平原区河流，悬移质占绝大部分，挟沙能力可近似地用最大含沙量来表示。长江河床的粗化z在冲刷河段内，床沙中的细颗粒泥沙被水流冲走，上游来沙中的粗颗粒泥沙慢慢沉下来，这样，河床表面层的泥沙粒径逐渐增大，形成自然铺砌的现象，称为河床床面的粗化。水库下游、桥梁上下游等冲刷河段的床面都有床面粗化现象。第二节河床演变和河相关系主流与副流主导：主流—可独立存在辅助：副流—不能单独存在，伴随主流弯曲河流中的螺旋流平轴副流立轴副流顺轴副流凹岸最大冲刷水深：m05.017.024.0csmax48.1ChdhhBRBh⋅⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=位于河湾段的桥梁应当计入凹岸冲刷对桥台冲刷的影响和凹岸水面超高对确定桥面高程的影响。河湾凹岸的冲刷是沿河公路水毁的主要原因。河床演变的基本概念静止、不变的河道是不存在的，天然河道总是处在不断发展变化之中，河道演变的根本原因应归结为输沙的不平衡。横向变形纵向变形水流输沙不平衡引起河床演变。上游来沙量大于河段水流挟沙能力，床面淤积；反之，上游来沙量小于河段水流挟沙能力，床面冲刷。河湾水流受重力和离心力共同作用，形成螺旋流，水流在弯顶及其下游集中沿凹岸流动，凹岸一侧挟沙能力大，冲刷严重；螺旋流的底流把凹岸泥沙带到下游的凸岸，沉积下来，形成河湾凹岸后退、凸岸增长、河湾发展的现象。桥墩、桥台、丁坝等建筑物周围，高速旋转的绕流旋涡卷起床面泥沙，带往下游，形成局部冲刷。河槽中桥墩局部冲刷停止的条件为输沙平衡；河滩水深小，床面糙率大，流速小，床面泥沙处于静止状态，墩台周围泥沙被绕流旋涡带走而形成的冲刷坑内，没有来沙的补给称为清水冲刷。影响河床演变的主要自然因素（1）上游来水条件，即流量的大小和变化。（2）上游来沙条件，即上游来沙量及其粒径组成。（3）河床地质、土质条件、河床比降为河床演变提供了边界条件。输沙平衡只是暂时的、相对的，输沙不平衡则是经常的、绝对的。输沙平衡只是对平均情况而言，指瞬时的状态。河相关系z冲积河床在水沙长期相互作用下，逐渐形成一种均衡的河床形态。描述这些河床均衡形态的几何因素（河宽、平均水深、比降、弯道半径等）与来水、来沙条件存在一定的对应关系，称为河相关系，又称均衡（Regime）关系。造床流量:与多年连续造床作用相当的某个流量数值，作为代表流量，称为造床流量。桥梁工程中，常取水位与河滩平滩水位齐平时的河槽流量作为造床流量。对于河滩河槽难以划分的变迁性、游荡性河段，可用多年年最大流量的平均值作为造床流量。1．基本河宽公式2．河槽宽度和水深的关系30.024.0007.16dQB=η=HB15.015.0⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛==HBAη第三节桥下河床断面的一般冲刷建桥后，桥孔压缩水流，致使桥孔上游水流急剧集中流入桥孔，在桥孔稍下游处，形成收缩断面。该断面处流速梯度很大，床面切应力剧增，引起强烈的河床泥沙运动，床面发生明显冲刷，称为一般冲刷（generalscour）或压缩冲刷（contractscour）。一、根据输沙平衡原理建立的公式二、根据冲止流速建立的公式三、根据别列柳伯斯假定建立的公式一、根据输沙平衡原理建立的公式冲刷发生后，水深和桥下过水断面逐渐增大，桥下流速逐渐减小，水流挟沙能力也逐渐降低，桥下冲刷随之减缓。最终，上游来沙量和桥下输沙量趋向平衡，冲刷趋于停止，达到最大冲刷深度。桥孔过水断面压缩水流引起的河床变形，主要是由河床质中颗粒较大的推移质的运动来完成的。⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡21桥下断面上游天然断面GGs22s11gBgB⋅=⋅代入输沙率公式后:maxx21x12p21hBBQQKh⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=mchBBQQAKh113m214m12p)1(⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=λμ1964年“全国桥渡冲刷学术会议”推荐由交通部科学研究院甘城道研究员导出的公式作为全国试用公式64-2公式64-2公式的简化mchBBQQAKh113m214m12p)1(⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=λμHdHKmaxlg02.01+=max0.6621900.12p)1(04.1chBBQQAh⎥⎦⎤⎢⎣⎡−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=λμstcc2QQQQQ⋅′′+=15.0⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=HBA其他符号意义见教材P158《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC30-2002）均推荐在生产中应用二、根据冲止流速建立的公式1、沙性土河槽的一般冲刷桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速称为冲止流速。桥下断面内任意垂线在一般冲刷过程中垂线平均流速降低到该垂线的冲止流速时，冲刷即停止。此时达到最大一般冲刷垂线水深HP。zmaxpυqh=jsLQqμ=35j35max⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=cmcscmchhLQhhqqμ3/26/1zPhEd=υ5/36/13/5cc2p⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=EdhhBQAhmcμ64-1公式阚译2、沙性土河滩的一般冲刷桥下河滩冲刷后，只有当流速降低到土壤容许（不冲刷）流速时，才逐渐停止，其冲止流速为河滩土壤的容许（不冲刷）流速。6/5H13/5tmtttp⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎟⎠⎞⎜⎝⎛′′′=υμhhBQh5/1pH1zhυυ=土壤名称(mm)(m/s)细0.05～0.250.35～0.32砂中0.25～0.500.32～0.40H1υ3、粘性土河床的桥下断面一般冲刷河槽河滩5/3pLz133.0hI⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=υ8/5L3/5cmcc2p133.0⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛′=IhhBQAhμ6/1pLz133.0hI⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=υ7/6L3/5tmtttp133.0⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛′′=IhhBQAhμ铁道部粘土桥渡冲刷研究小组，1982的修订稿三、根据别列柳伯斯假定建立的公式zE.B.包尔达柯夫根据别氏假定，认为桥下流速达到天然河槽平均流速时，桥下冲刷即停止，而且同一垂线处，冲刷后的水深与冲刷前的水深成正比，并于20世纪30年代建立了桥下一般冲刷经验公式，称为包尔达柯夫公式，适用于稳定性河段的河槽。phh=p()实AQpcsυλμ−=1冲刷系数hph]/)[(12qpωωω−=′河槽土质不均匀河槽土质均匀第四节桥墩局部冲刷水流在桥墩两侧绕流，形成十分复杂的、以绕流旋涡体系为主的绕流结构，引起桥墩周围急剧的泥沙运动，形成桥墩周围局部冲刷(localscour)坑。为了便于分析计算，假定桥墩局部冲刷是在一般冲刷完成后的基础上进行的。桥墩计算公式中的墩前水深和流速都是采用一般冲刷后的水深和流速。桥墩局部冲刷坑桥墩周围的水流主要包括墩前水面涌波、桥墩迎水面的向下水流和尺度很大的旋涡体系。旋涡体系是一个复杂的综合水流结构，包括两侧绕流旋涡和墩前向下水流在床面附近形成的马蹄形旋涡、桥墩两侧边界层分离形成的尾流旋涡（图7-4-3）以及床面附近形成的小旋涡。每个急速旋转并向下游移动旋涡的中心形成负压，吸起床沙，带往下游。伴随旋涡的生成和移动，引起床面静止的泥沙呈阵发性、突然的随机运动状态。在桥墩下游两侧旋涡相汇，泥沙沉积，形成很长的沙脊。一、局部冲刷现象局部冲刷深度计算公式行近流速是指桥墩上游不远处，未受绕流影响的墩前天然流速。由于假定局部冲刷是在一般冲刷完成后进行的，故取一般冲刷终止后的墩前流速作为墩前行近流速，相应的墩前行近水深也是取一般冲刷后的最大水深来计算。1．65-2公式⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛′−=0015.060.01b2υυυηζhBKKh清水冲刷动床冲刷n0015.060.01b2⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛′−=υυυηζhBKKh2．65-2修正公式z该式是在总结65-2公式（7-4-1）和（7-4-2）多年使用经验的基础上，补充试验，从理论和应用出发，对原式（7-4-1）和（7-4-2）进行全面修正的结果。该公式的系数、指数是根据我国252座桥梁洪水观测数据和模型试验数据，应用回归分析制定的（《公路桥位勘测设计规范》专题研究报告，高冬光、徐国平，1990年）。n000068.015.060.01b⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛′−′−=−υυυυζdhBKKh三、粘性土河床桥墩局部冲刷公式VIBKhBhLbp25.16.083.05.2ξ=≥VIhBKhBhLpbp1.06.055.05.2ξ=行近流速c66.0c34.02c1.0c21.0)-(104.1υλμυ⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛=hhBBQQAmc3/2p6/1zhEd=υ第五节桥台冲刷一、桥台绕流的水流结构桥台附近的水流由主流区（A）、下游回流区（B）和上游滞流区（C）三部分组成。被束窄的主流导致上游壅水和河道的一般冲刷。急速绕过桥台的水流，在桥台上游边缘与壁面边界层分离，形成强烈的竖轴旋涡体系，并不断地向下游扩散，形成回流区。旋涡中心形成负压，吸起床面泥沙，卷向下游