6-桥梁墩台冲刷计算讲解

第6章桥梁墩台冲刷计算6.1建桥后的河床演变6.2河床的自然演变冲刷6.3桥下断面的一般冲刷计算6.4桥墩的局部冲刷计算6.5桥台冲刷计算6.6桥梁墩台基底最小埋深6.1建桥后的河床演变一、建桥后河床演变的基本组成及计算假定冲刷组成——自然演变冲刷一般冲刷局部冲刷计算假定——相继进行，分别计算，叠加汇总。二、冲刷计算断面的确定平原顺直型河段取桥位上游附近最大水深断面平原弯曲型河段取桥位上游附近河湾半径最小的河湾顶点断面游荡型和变迁型河段取桥位附近若干河床断面重叠后的外包线山区河段取桥位断面6.2河床的自然演变冲刷河床自然演变冲刷的四种类型：1)河流发育成长过程中河床纵断面的变形；2)河槽横向移动所引起的变形；3)河段深泓线摆动引起的冲刷变形；4)河槽周期性变形6.3桥下断面的一般冲刷计算一般冲刷的基本概念：建桥后，由于桥孔压缩河床，桥下过水面积减小，从而引起桥下流速的增大，水流挟沙能力也随之增大，造成整个断面的河床冲刷。这一冲刷过程，称为桥下断面的一般冲刷。随着一般冲刷的发展，桥下过水断面逐渐增大，流速逐渐降低，冲刷速率逐渐减小。当桥下河槽各点泥沙的冲刷及淤积达到平衡时，一般冲刷趋于停止，一般冲刷的深度达到最大。目前在工程界，一般冲刷后最大水深用hp表示。hp表示当一般冲刷完成后，从设计水位算起的计算垂线处水深（也即为计算垂线处天然水深与一般冲刷完成后河底被冲刷深度之和）。一、桥下断面一般冲刷的基本理论(一)别列柳伯斯基理论“桥下水流断面面积增大到桥下流速等于河槽天然流速时，冲刷就停止了。”(二)包尔达柯夫理论桥下流速达到天然河槽流速时，桥下冲刷被停止，而且同一垂线处，冲刷后的水深与冲刷前的水深成正比(三)冲止流速理论桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速称为冲止流速。当垂线平均流速降低至该垂线的冲止流速时，该垂线处冲刷停止，一般冲刷达到最大；当桥下所有垂线的流速都降低至冲止流速时，桥下断面的一般冲刷即完全停止(四)输沙平衡理论建桥后，上游来沙量和桥下排沙量逐渐接近以至相等，桥下河槽断面达到输沙平衡，冲刷随之停止，一般冲刷深度达到最大。二、非粘性土河床的一般冲刷1.河槽部分1）64－1修正式QAvQAvBBspzqhvspzqhv宽浅式河渠：121116322211vCRJRRiRinn212AbhhRhbhhb12231vhin1125223311(1)qAvhhihinn5132maxmax1qhin53maxmaxqhqh又因为：sjQqL0.15zdzBAH5533maxmaxmaxsjhQhqqLhhmaxsdqAq53maxmaxqhqhqs——冲刷停止后最大单宽流量；qmax——冲刷前最大单宽流量。yyyjjjALhLALLh非粘性土河床冲止流速：2136zpvEdh53maxmax2136sdjsdpzzpQhALhqAqhvvEdh3553max16sdjpQhALhhEd64-1修正式：3553216cmdcqcjphQABhhEd21cpctQQQQQ2）64-2简化式12GG桥下淤积原理：输沙平衡原理；适用性：有推移质运动的非粘性土河床。G1——上游天然河道的来沙量，G2——桥下河槽断面的排沙量。12GG桥下冲刷12GG桥下冲淤平衡推移质的输沙率gs：单位时间单位河宽通过推移质的质量【kg/(m·s)】4111111sGgBvB上游天然河道的来沙量：1111QvBh4111111QGBBh2224222(1)(1)sGgBvB桥下断面的排沙量：2222(1)dAQvBh4222222(1)(1)dAQGBBh12GG2phh令44211122121(1)(1)dpAQQBBBhBh0.660.9021.041cpdcmccgBQhAhQB314422111121pdQBhAhQB64-2简化式：2.河滩部分556311tmtqtjPHhQBhhV三、粘性土河床的一般冲刷00PPLLPP粘性土：0.05dmmW含水量WP塑限流态固态半固态可塑态WL液限三、粘性土河床的一般冲刷1.河槽部分558310.33ccmdcjcqPLQhABhhI三、粘性土河床的一般冲刷2.河滩部分657310.33ttmtqtjPLQhBhhI6.4桥墩的局部冲刷计算修建在河床内的桥墩，经受着桥位河段及桥下断面的一般冲刷，同时，桥墩阻挡水流，水流在桥墩两侧绕流，形成十分复杂的、以绕流漩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。一、桥墩局部冲刷的机理1.桥墩周围的水流桥墩周围的水流结构1.墩前向下水流2.墩前水面涌波3.尺度很大的漩涡体系漩涡体系1.两侧绕流漩涡2.墩前向下水流在床面附近形成的马蹄形漩涡3.桥墩两侧边界层分离形成的尾流漩涡4.床面附近形成的小漩涡每个急速旋转并向下游移动漩涡的中心形成负压，吸起床沙，带往下游。伴随漩涡的生成和移动，引起床面静止的泥沙呈阵发性、突然的随机运动状态。在桥墩下游两侧漩涡相汇，泥沙沉积，形成很长的沙脊。当行近流速较小时，在桥墩下游约8倍墩宽（墩径）处，漩涡逐渐消失。2.几个名词●行近流速：v，指桥墩上游不远处，未受绕流影响的墩前天然流速。●始冲流速：v0’＝(0.4～0.6)v0●起动流速：v0●清水冲刷：v0’vv0，床面无泥沙运动，桥墩冲刷坑没有上游冲来的泥沙补给，称为清水冲刷。●动床冲刷：vv0，床面泥沙运动，上游泥沙落入冲刷坑，坑内泥沙得到补给，称为动床冲刷。3.影响桥墩周边局部冲刷的主要因素●涌向桥墩的水流流速、流向●桥墩宽度●桥墩型式●墩前水深●床沙粒径二、非粘性土河床桥墩局部冲刷计算●推荐使用公式65-2式65-1修正式●1.65-2式0.60.150210bpVVhKKBhV20.60.150210nbpVVhKKBhV当V≤V0，当VV0，Kξ——墩形系数，查表6-3hp——一般冲刷后的最大水深(m)V——一般冲刷后墩前行近流速(m/s)式中：hb——桥墩局部冲刷深度(m)B1——桥墩计算宽度，查表6-30.500.28(0.7)Vd0.5500.12(0.5)Vd0.230.19lg02dVnVdV0′——墩前泥沙始冲流速(m/s)，n2——指数，——河床泥沙平均粒径(mm)；式中：V0——河床泥沙起动流速(m/s)0.2422.20.00230.375KddK2——河床颗粒的影响系数，●2.65-1修正式0.6110bhKKBVV0.60110000nbVVhKKBVVVV当V≤V0，当VV0，10.450.15110.8KddK1——河床颗粒的影响系数，72.014.00103320246.0dhddhVPP006.010462.0VBdV0.190.2501dVnVdV0′——墩前泥沙始冲流速(m/s)，n1——指数，——河床泥沙平均粒径(mm)；式中：V0——河床泥沙起动流速(m/s)●3.一般冲刷后墩前行近流速V的计算三、粘性土河床桥墩局部冲刷深度计算5.21BhPVIBKhLb25.16.0183.05.21BhPVIhBKhLPb0.11.06.0155.0当时，当时，式中：IL——冲刷坑范围内粘性土液性指数，适用范围为0.16～1.48。6.5桥台冲刷计算一、桥台的冲刷机理6.5桥台冲刷计算二、非粘性土河床桥台冲刷计算公式●1.交通部科技攻关公式（95-1公式）0.200.501.95szAhFrACC●2.美国联邦公路局（FHWA）推荐公式125ay0.400.331112.15syaFryy125ay0.33114syFry当时，时，当111VFrgy6.5桥台冲刷计算三、粘性土河床桥台的冲刷计算公式581.9731.051sLAhqIeCCDLBq式中：——天然状态下河床单宽流量，m3/(s·m)IL——粘性土液性指数，适用范围为0.16～1.19λ——桥台路堤阻水比LD——路堤阻水长度；B——天然水面宽度。6.6桥梁墩台基底最小埋深minspbHHhhq●桥墩的最低冲刷线高程h——桥台所在位置（河滩或河槽）的平均水深(m)hs——桥台冲刷深度。minssHHhh●桥台的最低冲刷线高程●设计所需基础埋置深度h由《桥梁基础》课程所述方法确定；●基底埋置安全深度Δh查表确定。二﹑墩台基础最小埋深的确定原则：根据桥位河段具体情况，取河床自然演变冲刷﹑一般冲刷和局部冲刷的不利组合，作为确定墩台基础埋深的依据。1.岩性河床墩台基础埋深2.桥台基底埋深3.桥台锥体坡面防护