第五讲桥墩桥台冲刷计算

南京工业大学桥墩和桥台冲刷六安市舒城县七里河大桥水毁隐患桥涵水文第七章桥墩和桥台冲刷自然演变冲刷：在水流和泥沙的相互作用下，不停地冲淤变化，构成了河床的自然演变；一般冲刷：指急剧流过桥孔的水流，冲走桥孔上下游床面的泥沙，形成桥孔附近床面的冲刷；局部冲刷：指水流急剧流入桥孔，在桥台前缘、桥墩周围或调治构造物边缘等部位，形成绕流，流速、流向急剧变化，引起漩涡并向下游传播和发展，产生很大的床面切力，形成冲刷坑，称为局部冲刷。桥涵水文河床演变和河相关系2泥沙运动31桥下河床断面的一般冲刷33桥墩局部冲刷4桥台冲刷33最低冲刷线高程和计算实例4第七章桥墩和桥台冲刷桥涵水文7.1泥沙运动天然河床是由大小不同，形状各异的泥沙颗粒组成的。根据泥沙在河槽内运动的状态，分为悬移质和推移质两类。悬移质：悬浮于水中向下游运动，一般颗粒比较细；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，前进的速度远小于水流的流速。床沙：比推移质颗粒更大的泥沙，则下沉到河床床面静止不动。悬移质、推移质和床沙之间颗粒大小的分界是相对的，是随水流流速大小而变化的．对桥梁上下游，因水流急剧变化，引起河床变形和桥墩附近的冲刷，起主要作用的是推移质和床沙。桥涵水文7.1泥沙运动一、泥沙主要特性1.几何特性粒径（d）颗粒级配曲线平均粒径中值粒径（d50）dniiniiiPPdd11桥涵水文7.1泥沙运动一、泥沙主要特性2.重力特性泥沙重力特性用泥沙颗粒实体的单位体积的重力来表示，称为容重γs（或重度）。3.水力特性泥沙的水力特性，用泥沙颗粒在静止的清水中均匀下沉的速度来表示，称为沉速，符号为ω（cm/s）。桥涵水文7.1泥沙运动二、泥沙的起动在水流推动下，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。泥沙颗粒的起动，是床面泥沙颗粒受到的驱动力和抗拒力以及这些力产生的力矩失去平衡的结果。泥沙颗粒周围的水流和受力状态如图7-1-2所示桥涵水文7.1泥沙运动二、泥沙的起动泥沙起动条件可用起动流速v0和起动床面切应力τ0两种形式来表示。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）。张瑞瑾(7-12)5.072.014.0010000000605.029dhddhv沙玉清(7-13)2.05.0475.007.01.143.0hddv桥涵水文桥涵水文7.1泥沙运动三、沙波运动沙质河床的床面泥沙在水流作用下，泥沙起动后出现推移质运动，形成床面沙波。沙波的形态与水流强度有密闭关系，当弗汝德数很小时，床面出现沙波，当弗汝德数增大到一定程度后，沙波成长为沙垄；水流强度再增大，则沙垄成长为沙丘。沙波沙谷对基础埋深的影响。桥涵水文桥涵水文7.1泥沙运动四、推移质输沙率起动流速是推移质运动产生的条件，而推移质运动的强烈程度则用推移质输沙率来表示；推移质输沙率是单位时间内在过水断面单位河槽宽度上，通过的推栘质的质量，单位是kg／s.m。我国桥下河槽一般冲刷计算中，采用了以流速为主要参数的推栘质输沙率公式。式（7-15）表明，推移质输沙率gb与流速4次方成正比，表明推移质输沙率对流速十分敏感。因此，大多数椎栘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。桥梁墩台和丁坝等建筑物附近的冲刷，主要与推移质运动有关。gvvvCKgkssb3200桥涵水文7.1泥沙运动五、含沙量和携沙能力含沙量(g)是单位体积内水流中所含悬移质的质量，单位是kg/m3。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，悬栘质占绝大部分，挟沙能力可近似地用最大含沙量来表示。桥涵水文7.1泥沙运动六、河床粗化在冲刷河段内，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。桥涵水文7.2河床演变和河相关系河床演变：在天然状况或人类活动的干扰后，河床形态逐渐的变化。河床演变是水流与河床的相互作用的结果。水流推动泥沙河床变形水流副流桥涵水文7.2河床演变和河相关系一、副流副流：河床中，水流内部从属于主流而存在的尺度较大的旋转流动。副流于漩涡流不同，它是一种位置和旋转中心相对稳定的、明显的、大尺度的高速漩涡或环流。副流的存在是河床冲淤变形的直接原因，对于河床中建筑物（桥涵、堤坝、涵闸等）引起的各种副流，必须密切注意。立轴副流（回流）平轴副流（滚流）顺轴副流（螺旋流）桥涵水文7.2河床演变和河相关系立轴副流形成于桥台前缘、丁坝头部或河槽宽度突变处；水流在此扰流，产生边界层分离，在分离点靠近边界一侧形成高速旋转的立轴漩涡，漩涡不停地向下游传播和扩展，形成下游的回流区。其结果使分离点床面形成冲刷坑，下游回流区产生淤积。平轴副流形成与急流与缓流衔接处，水面产生面滚，水底产生底滚。多发生在小桥涵出口处，底滚造成垂裙冲刷，引起小桥涵的水毁。桥涵水文桥涵水文7.2河床演变和河相关系一、副流通过弯道的水流在重力和离心力的共同作用下，面流流向凹岸，底流流向凸岸，形成向前流动的螺旋流，如图所示。河湾螺旋流的旋转轴方向与主流流向一致，称为顺轴副流。螺旋流在横断面上的投影，称为断面横向环流，使凹岸冲刷，凸岸淤积；凹岸冲刷在弯道出口断面附近冲刷最深。凹岸超高：顺流副流桥涵水文7.2河床演变和河相关系二、河床演变纵向变形横向变形河流断面形态的变化。河床演变是水流与泥沙长期相互作用的结果，并通过泥沙运动来实现；桥涵水文7.2河床演变和河相关系二、河床演变河道输沙不平衡是河床演变的根本原因。当上游来沙量大于本河段的水流挟沙力时，水流没有能力把上游来沙全部带走，产生淤积，河床升高。当上游来沙量小于本河段的水流的挟沙力时，便产生冲刷，河床下降。在一定条件下，河床发生淤积时，淤积速度逐渐减少，直至淤积停止，河床发生冲刷时，冲刷速度逐渐减低，直至冲刷停止。河流横断面输沙不平衡，引起河床横向变形。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，凹岸一侧侠沙能力大，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。桥涵水文7.2河床演变和河相关系二、河床演变纵向变形河流纵向输沙不平衡引起河床沿水流方向高程的变化，亦即河流纵断面的变化称为纵向变形；横向变形河流横向输沙不平衡导致河湾发展，河槽拓宽、分汊、改道、裁弯等河床平面形状的变化，称为桥涵水文7.2河床演变和河相关系二、河床演变当河床因外界条件变化面出现冲刷后，过水断面逐渐增大，流速逐渐减小，挟沙能力减弱，同时床面粗化，抗冲能力增强，冲刷过程逐渐减缓，冲刷趋向停止；对于淤积河段，也有这种使河床变形逐渐减缓，使变形趋向停止的现象。冲积河流水沙相互作用，产生河床变形，然后又使其趋于停止的现象，称为冲积河流的自动调整现象。桥涵水文7.2河床演变和河相关系二、河床演变影响河床演变的因素是非常复杂的，但对于任何一个河段，影响水流与河床相互作用的主要因素有如下几个方面：（1）河段的来水量及其变化过程；（2）河段的来沙量、来沙组成及其变化过程；（3）河段的河道比降及其变化过程；（4）河段的河床形态及地质情况。桥涵水文7.2河床演变和河相关系三、河相关系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)存在一定的对应关系，称为河相关系，又称均衡关系。桥涵水文7.2河床演变和河相关系三、河相关系造床流量：在为了研究河相关系，引用一个与多年连续综合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；最大洪水流量对河床作用强烈，但历时短，造床作用不是最大；枯水流量历时长，但流量小，造床作用也不是最大，因而，造床流量应该是一个比较大，而历时比较长的某一级洪水流量。桥位设计中，通常采用与平滩水位相应的流量作为造床流量。因为水位升高、漫滩时，水流分散，造床作用降低；水位低于滩面时，流速较小，造床作用也不是最强。对于河滩河槽难以划分的游荡性、变迁性河段，可用多年平均的最大洪水流量作为造床流量桥涵水文7.2河床演变和河相关系三、河相关系我国公路桥孔长度的确定和桥墩冲刷计算，都应用了河相关系式。1.基本河宽公式2.河槽宽度和水深的关系单宽流量集中系数桥涵水文7.3桥下河床断面的一般冲刷基本概念：一般冲刷：由于建桥后压缩水流而在桥下河床全断面内发生的普遍冲刷，称为一般冲刷。一般冲刷深度hP：系指桥下河床在一般冲刷完成后从设计水位算起的某一垂线水深。桥涵水文7.3桥下河床断面的一般冲刷河槽一般冲刷hP的计算公式有以下三类：第一类是按桥下河槽输沙平衡原理建立的64—2简化公式和按垂线冲止流速建立的64-1修正公式，此类公式用于非粘性土河床的一般冲刷计算；第二类是根据冲止流速建立的公式；第三类是列柳伯斯基公式。桥涵水文7.3桥下河床断面的一般冲刷一、64-2简化公式——输沙平衡原理原理：桥下河槽断面的上游来沙量小于桥下断面的水流挟沙能力，则发生冲刷。随着冲刷的发生，桥下断面增大，流速和挟沙能力逐渐减小。当上游来沙量和桥下排沙量趋于平衡，冲刷趋于停止，达到最大冲刷深度。上游断面来沙量G1=下游段面输沙G22211ssgBgBmax211221hBBQQAKhXXP桥涵水文7.3桥下河床断面的一般冲刷一、64-2简化公式——输沙平衡原理1964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为全国试用公式，即max32141211104.1hBBQQAhmmP64-2简化公式（1984-1990）max66.02190.012104.1hBBQQAhP用于砂性土河床的一般冲刷计算桥涵水文7.3桥下河床断面的一般冲刷一、64-2简化公式——输沙平衡原理max66.02190.012104.1hBBQQAhP桥涵水文7.3桥下河床断面的一般冲刷二、根据冲止流速建立的公式冲止流速：桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速称为，以vz(m/s)表示。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。桥涵水文7.3桥下河床断面的一般冲刷一般冲刷后最大水深3/5max3/5maxmaxhhLQhhqqjs3/26/1pzhEdvzPvqhmax桥下平均单宽流量桥下最大单宽流量冲止流速jsLQq5/36/13/5max2dccpEhhBQAh称为64-1公式沙性土河槽一般冲刷二、根据冲止流速建立的公式桥涵水文7.3桥下河床断面的一般冲刷一般冲刷深度5/11pHzhvv冲止流速沙性土河滩的一般冲刷6/513/5HtmtttpvhhBQhstcttQQQQQ二、根据冲止流速建立的公式桥涵水文7.3桥下河床断面的一般冲刷二、根据冲止流速建立的公式粘性土河床的桥下断面的一般冲刷5/1133.0pLzhIv河槽部分8/53/52133.0LcmccpIhhBQAh冲止流速一般冲刷深度桥涵水文7.3桥下河床断面的一般冲刷二、根据冲止流速建立