第六章-冲刷计算

第6章桥下河床冲刷计算（BridgePierScourCalculation）为了保证桥梁的安全和顺利宣泄洪水，桥梁不但要有足够的桥孔长度和桥梁高度，而且，墩台基础还要有足够的埋置深度，以免遭受洪水冲刷破坏。因此，设计桥梁时，还必须合理的预计桥梁使用期内河床的演变和墩台的冲刷，为确定墩台基础的埋置深度提供依据。天然河床由泥、土、沙、石等组成，统称为河流泥沙（riversediment）。河道中的水流和泥沙总是在不停的运动着，床面上的泥沙被水流冲起带走，使床面下切，形成河床的冲刷；水流所挟带的泥沙沉积下来，使床面淤高，形成河床淤积。在水流和泥沙的相互作用下，河床总是在不停地冲淤变化，构成了河床的自然演变。建桥后，除了河床的自然演变外，还有桥梁墩台对水流和泥沙运动的干扰而引起河床的冲刷，它们交织在一起，同时进行，所以桥下冲刷过程十分复杂。桥梁墩台周围河床的最大冲刷深度，是设计桥梁墩台基础埋置深度的依据。最大冲刷深度是各种因素综合作用的结果，十分复杂。为了便于研究和计算，桥涵水文中把这一复杂的冲刷过程简化为独立的三部分——自然冲刷、一般冲刷、局部冲刷，并假定它们相继发生，可以分别计算，然后叠加，作为墩台的最大冲刷深度，并据以确定墩台基础的埋置深度。自然冲刷、一般冲刷、局部冲刷形成的原因各不相同。bPshhhh自然冲刷地确定方法：由于影响河床演变的因素非常多，而且错综复杂，难以得到可靠的计算结果。目前在实际工作中，主要通过实地调查或参考类似河流的观测资料，结合河段的特点和整治规划，估计建桥以后可能发生的河床演变，作为设计桥梁墩台的自然冲刷深度。在实际工作中，一般可根据桥位河段的类型，通过选择“计算断面”的方法来确定自然冲刷深度。hmaxh计算断面选择：平原顺直型河段：桥位上游附近最大水深断面:.·:.·:.·:.·:.·:.·:.·:.·:.·:.·最大水深断面hmaxh平原弯曲型河段：桥位上游附近河湾半径最小的河湾顶点断面maxh游荡型和变迁型河段：在桥位断面上、下游桥位河段内取若干河床断面重叠后的外包线。桥位h在河床演变不甚激烈的桥位河段，一般可用桥位断面作为计算断面，同时，考虑桥位上游最大水深可能下移，实际工作中常采用桥位上游附近实测或调查的最大水深作为计算断面的最大水深。山区河段：桥位断面桥梁墩台冲刷计算中如何简化复杂的冲刷过程？§6.1桥下一般冲刷计算（generalscourofbridgepier）建桥以后，桥孔压缩水流，桥下流速增大，引起整个桥下断面河床的冲刷，称为一般冲刷。建桥以后，桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流挟沙能力随之增大，引起整个桥下断面河床的冲刷，称为一般冲刷。随着一般冲刷的发展，河床不断刷深，桥下断面逐渐扩大，过水断面面积不断增大。随着桥下断面的扩大，流速相应降低，水流挟沙能力也随之降低。当流速降低到不能继续冲刷河床时，冲刷即趋于停止了。此时，桥下过水断面最大，一般冲刷的深度也达到最大。ZS垂线hP通常用一般冲刷停止时桥下的垂线水深表示该垂线处的一般冲刷深度，以hP表示。桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速，称为冲止流速，以Vs表示，m/s。Vs表示方法：ZS6.1.1非粘性土河床一般冲刷计算（non-cohesivesoilriverbedgeneralscourcalculation）1、64-1修正式（按冲止流速建立的公式）垂线hP建立的概念：任一垂线，在一般冲刷的过程中，当断面扩大使垂线的平均流速降到该垂线的冲止流速时，冲刷就停止了，一般冲刷深度达到最大，并且桥下所有垂线的冲刷都停止时，整个桥下断面的一般冲刷就停止了。Vs取桥下断面为计算断面：按水力学的连续方程，单宽流量：VhqVQ对任一条垂线：Vqh取最大水深垂线：当V=Vs时，h=hP，q=qs。)16(ssPVqhqs为一般冲刷停止时桥下最大单宽流量。Vqh求刚建桥，冲刷前的最大单宽流量qmax。先求平均单宽流量：jPLQq式中，Lj为桥孔净长；μ为侧收缩系数（压缩系数）。由谢才-曼宁公式：213521322132JhnBJhnhBJRnQP21352135maxmax11JhnqJhnq3535)()(maxmaxmaxmaxhhqqhhqq将代入qmax，得：jPLQq)26()(35maxmaxhhLQqjP（1）河槽部分冲刷停止后最大单宽流量与冲刷前最大单宽流量的关系：)36(maxAqqsA称为单宽流量集中系数。)46()(15.015.0HBA稳定河段：A=1.0~1.2；次稳定河段：A=1.3~1.4；不稳定河段：A=1.5~1.7，最大不超过1.8。冲止流速：)56(3261PshdEV式中，为河槽泥沙平均粒径，mm；E为经验系数，与历年汛期最大月平均含沙量的平均值Spj有关。当Spj1.0kg/m3，E=0.46；当Spj=1.0~10.0kg/m3，E=0.66；当Spj10.0kg/m3，E=0.86。d将式（6-3）（6-5）代入（6-1）：)66()(max53max61533561hhdELAQhhdELAQhjPjPPQP为设计流量；Lj为桥孔净长。适用条件：桥下全部为河槽（单式断面）或桥下河槽部分（复式断面）。)66()(max53max61533561ccjcPccjcPPhhdELAQhhdELAQhQcP为桥下河槽部分通过的设计流量；Lcj为桥下河槽部分的桥孔净长。桥下河槽部分，故可改为：应用说明：①当桥下断面全为河槽，Lcj=Lj=L-nd，QcP=QP。②当桥孔压缩部分河滩，桥下河槽不会扩宽至全桥，则：LLcQcZSZmin)86(PtcccPQQQQQ)76()(1PniiiiccccPQhChCQtQ左tQ右dnLLccjccchC,,为冲刷前桥下河槽部分的过水面积、谢才系数、平均水深。为冲刷前桥下各部分（包括河槽、河滩部分）的过水面积、谢才系数、平均水深。iiihC,,tttQQQ右左式中，Lcj为桥下河槽部分桥孔净长；QcP为桥下河槽通过的设计流量；Qc、分别为天然状态下桥下河槽、河滩通过的流量。tQ③当桥孔压缩部分河滩，桥下河槽会扩宽至全桥，则认为桥下全部为河槽，Lcj=Lj=L-nd，QcP=QP，不变。ch④值的确定：通常按桥位上游附近枯水位或中低水位实测过水断面图求得；也可利用设计水位时的实测桥位断面图求得。chhmaxcccLhmSZZhmax⑤当桥下河床由多层成分不同的土质组成，分层土河床的冲刷可采用逐层渐进试算方法进行。（1），先按计算，若计算hP位于层，即为所求；若计算hP位于层，改用计算，若结果位于层，即为所求，若位于层，取两层交界面为冲刷线标高，或取按第一层粒径的计算结果。hPZS河底21dd1d2d1d1d2d2d2d1dhPZS河底1d2d2d（2），先按计算，若结果位于层，即为所求；若位于层，改按计算。21dd1d1d2d多层粒径不同的河床，处理方法相同，逐层渐进试算。（2）河滩部分ststPVqh35)(tmttjtPsthhLQq511PHsthVV式中，VH1为河滩水深为1m时非粘性土容许不冲刷流速，与河滩泥沙组成有关，可查表6-1。)96()(65351tmtHtjtPPhhVLQh)106(PtcttPQQQQQ)106()('1PniiiittttPQhChCQ式中，Ltj为桥下河滩部分桥孔净长；QtP为桥下河滩部分通过的设计流量；河滩泥沙分层处理方法与河槽相同。Qc、分别为天然状态下桥下河槽、河滩通过的流量。ttthC,,为冲刷前桥下河滩部分的过水面积、谢才系数、平均水深。iiihC,,为冲刷前桥下各部分（包括河槽、河滩部分）的过水面积、谢才系数、平均水深。tttQQQ右左tQ2、64-2简化式（按输沙平衡建立的公式）Q1h1B1Qb1B2Qb2Q2h2=hP建立的概念：记计算断面来沙Qb1，桥下排沙为Qb2。建桥后，由于桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流挟沙能力加大，Qb1Qb2，桥下发生冲刷。随着冲刷的发展，桥下断面不断扩大，桥下流速随之降低，水流挟沙能力也随着降低。当断面扩大到使流速降到Qb2≈Qb1，输沙平衡，桥下一般冲刷就停止了，此时，桥下过水断面最大，水深也达到最大。计算断面桥位断面来沙：4111114111111)(hBQBVBqBQbb单宽输沙率：4111Vqb断面输沙率：排沙：4222224222222])1([)1()1()1(hBQBVBqBQbb单宽输沙率：4222Vqb断面输沙率：121121224341)1()()(hBBQQh当输沙平衡，令Qb1=Qb2，整理得：①输沙率公式不同，系数指数不同；②断面平均流速代替垂线平均流速需修正；③Q1=Qc，B1=Bc；④h1hmax，h2hP；⑤需要考虑单宽流量集中系数A。适用条件：沙质（非粘性土）河槽。桥下全部为河槽或桥下河槽部分。)116()1()(04.1max66.0290.02hBBQQAhccP应用说明：①当桥下断面全为河槽，Q2=QP，B2=Bc。②当桥孔压缩部分河滩，桥下河槽不会扩宽至全桥，则：)86(PtcccPQQQQQccPLBQQ22,)116()1()(04.1max66.090.0hLBQQAhccccPP式中，Lc建桥后桥下河槽宽度。LLcQcZSZmintQ左tQ右③当桥孔压缩部分河滩，桥下河槽会扩宽至全桥，则认为桥下全部为河槽：LBQQP226.1.1粘性土河床一般冲刷计算（cohesivesoilriverbedgeneralscourcalculation）平均粒径小于0.05mm的泥沙称为粘性土。粘性土颗粒很细，在其表面形成很薄且结合紧密的薄膜水，使颗粒之间具有一定的粘性力。土力学中，用液性指数IL表示粘性土粘结力大小的指标。液性指数：)126(00pppLpLI式中，IL为粘性土的液性指数；W0为粘性土的天然含水量Wp为粘性土的塑限含水量WL为粘性土的流限含水量。Ip=WL-Wp为粘性土的塑性指数。液性指数越小，粘性土的粘结力越大，抗冲能力越大，冲止流速也越大。)16(ssPVqh1、河槽部分53)1(33.0PLshIV)36,26()(35maxmaxccjcPshhLQAAqq)176()1(33.0)(8535maxLccjcPPIhhLQAh式中，A为单宽流量集中系数，A=1.0~1.2；IL为粘性土液性指数，本公式适用范围:IL=0.16~1.19。)86(PtcccPQQQQQQcP为桥下河槽部分通过的设计流量；Lcj为桥下河槽部分的桥孔净长。Qc、分别为天然状态下桥下河槽、河滩通过的流量。tttQQQ右左tQ2、河滩部分ststPVqh35)(tmttjtPsthhLQq61)1(33.0PLsthIV)186()1(33.0)(7635LtmttjtPPIhhLQh)106(PtcttPQQQQQ式中，Ltj为桥下河滩部分桥孔净长；QtP为桥下河滩通过的设计流量；Qc、分别为天然状态下桥下河槽、河滩通过的流量。tttQQQ右左tQ6.1.3桥台偏斜水流的一般冲刷当河滩被压缩较多，且桥前无导流堤时，河滩水流在桥台附近集中，形成偏斜冲刷。ZShhPPhhmax冲刷后桥台桥台(bridgeabutment))196(])([max