第十三章 橋梁墩臺沖刷計算

1、葉鎮(zhèn)國 彭文波 編箸水力學(xué)與橋涵水文水力學(xué)與橋涵水文1第十三章 橋梁墩臺沖刷計算p13-1 河流的泥沙運動與河床演變p13-2 墩臺沖刷類型p13-3 橋下斷面一般沖刷深度p13-4 墩臺局部沖刷深度p13-5 橋下河槽最低沖刷線葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文213-1 河流的泥沙運動與河床演變o泥沙分類n懸移質(zhì)顆粒較細(xì)的泥沙被水流帶起，懸浮于水中向下游運動 。n推移質(zhì)顆粒稍大的泥沙，在床面上滾動、滑動或跳躍著間歇性地向下游移動。n床沙下沉到河床床面靜止不動的泥沙 。o泥沙的主要特性n幾何特性 o一般用泥沙顆粒的直徑（粒徑d）、粒徑級配曲線、平均粒徑或中值粒徑（d50）來表示。葉鎮(zhèn)國 彭

2、文波 編著水力學(xué)與橋涵水文313-1 河流的泥沙運動與河床演變o粒徑與泥沙顆粒同體積的球體直徑，即等容直徑。n測量方法：篩分法、水析法、直接量測長短軸o粒徑級配曲線：表明沙樣顆粒的大小和均勻程度。（圖 9-16）葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文413-1 河流的泥沙運動與河床演變o平均粒徑o中值粒徑大于和小于該粒徑的泥沙質(zhì)量（或重量）各占一半。n重力特性o泥沙顆粒實體的單位體積的重力，即重度。o一般平均為26kN/m 。n水力特性o沉降速度泥沙顆粒在靜止的清水中均勻下沉的速度。iiiPPdd（9-20） 葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文513-1 河流的泥沙運動與河床演變o泥沙的起動n

3、泥沙的起動：在水流推動下，床面泥沙顆粒由靜止開始運動。n泥沙起動的受力分析起動流速v0：床面泥沙顆粒在各種外力作用下，失去平衡，泥沙開始運動時的水流垂線平均流速。張瑞瑾公式0.50.14700.721017.66.05 10shhvddd（圖9-21）葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文613-1 河流的泥沙運動與河床演變n沙波運動形式示意圖葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文713-1 河流的泥沙運動與河床演變n天然河流中的沙波葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文813-1 河流的泥沙運動與河床演變n輸沙率、含沙量與挾沙力o推移質(zhì)輸沙率單位時間內(nèi)在過水?dāng)嗝鎲挝缓硬蹖挾壬希ㄟ^的推移質(zhì)的重量。

4、o反映推移質(zhì)運動的強(qiáng)烈程度。o竇國仁公式o推移質(zhì)輸沙率與流速4次方成正比，因此，大多數(shù)推移質(zhì)集中在流速最大的主流區(qū)內(nèi)，而且一年中推移質(zhì)的很大部分是在幾次大洪水過程中通過的。gvvvCkgssb30200)( 葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文913-1 河流的泥沙運動與河床演變n含沙量單位體積內(nèi)水流中所含懸移質(zhì)的重量。n挾沙力在一定的水力條件和邊界條件下，單位體積的水流能夠挾帶泥沙的最大重量。n橋孔凈長Lj橋長扣除全部橋墩寬度后的長度。n河床的粗化o在沖刷河段內(nèi)，床沙中的細(xì)顆粒泥沙被水流沖走，粗顆粒泥沙慢慢沉下來，河床表面層的泥沙粒徑逐漸增大，形成自然鋪砌的現(xiàn)象。葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與

5、橋涵水文1013-1 河流的泥沙運動與河床演變o河床演變n河床演變在天然狀況下或人類活動的干擾后，河床形態(tài)逐漸的變化。n河床演變的基本原理o水流輸沙不平衡引起河床演變o水流通過泥沙運動塑造河床形態(tài)，是最活躍的因素，起主導(dǎo)作用。o副流的存在是河床沖淤變形的直接原因。n影響河床演變的主要自然因素o上游來水條件，即流量的大小和變化。葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文1113-1 河流的泥沙運動與河床演變o上游來沙條件，即上游來沙量及其粒徑組成。o河床地質(zhì)、土質(zhì)條件、河床比降。o河相關(guān)系n河相關(guān)系描述河床均衡形態(tài)的幾何因素（河寬 B、平均水深 h、比降 i、彎道半徑 R 等）與來水、來沙條件（Q、d

6、 等）存在的對應(yīng)關(guān)系。n造床流量與多年連續(xù)造床作用相當(dāng)?shù)哪硞€流量數(shù)值。n穩(wěn)定河寬公式2 . 05 . 0iQB（9-25）葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文1213-1 河流的泥沙運動與河床演變n河槽寬度與水深的關(guān)系n單寬流量集中系數(shù)hB（9-24）0.150.15BH（13-3）葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文1313-2 墩臺沖刷類型o概述n河道中水流驅(qū)使床面泥沙運動，泥沙運動后的床面形態(tài)又影響水流結(jié)構(gòu)，水沙運動相互依存，相互影響，永恒變化。n橋梁設(shè)計中，必須合理地預(yù)估橋梁使用期間墩臺周邊的沖刷，為確定墩臺基礎(chǔ)最小埋置深度提供依據(jù)n橋梁墩臺沖刷是橋梁水毀的直接原因，對橋梁安全的危害極

7、大。葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文1413-2 墩臺沖刷類型n規(guī)范C30的一般規(guī)定：葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文1513-2 墩臺沖刷類型o河床自然演變沖刷n定義：河床在水力作用及泥沙運動等因素影響下自然發(fā)育過程造成的沖刷現(xiàn)象。n規(guī)范C30條文葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文1613-2 墩臺沖刷類型o橋下斷面一般沖刷n定義：橋下河床全斷面發(fā)生的沖刷現(xiàn)象。一般沖刷原理 建橋后，由于斷面壓縮使過水?dāng)嗝孀冃?，流速加快，水流夾沙能力增強(qiáng)，從而產(chǎn)生的沖刷。（圖 13-1）葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文1713-2 墩臺沖刷類型o墩臺局部沖刷n定義：水流受墩臺阻擋，在墩臺附近局部

8、范圍內(nèi)發(fā)生的沖刷現(xiàn)象。葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文1813-3 橋下斷面一般沖刷深度o一般沖刷深度hpn定義：一般沖刷完成后從設(shè)計水位算起的橋下最大鉛垂水深。o64-1公式（沖止流速公式）n沖止流速vz橋下一般沖刷停止時的垂線平均流速。n沖止流速理論：橋下斷面內(nèi)的任一垂線流速都會由于橋梁墩臺對河床的壓縮而提高，此時將發(fā)生一般沖刷。隨著沖刷的發(fā)展，垂線深度加大，垂線平均流速降低。當(dāng)垂線平均速度降低到該垂線的沖止流速時，一般沖刷停止。葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文1913-3 橋下斷面一般沖刷深度n連續(xù)性方程（12-17） zpvqhmax對寬淺式河渠，水力半徑約等于平均水深3561

9、)1()(hniLRiRnhLRiACQjjP35hniLQqjP35maxmaxhniLQqjP35max35maxmax)()(hhLQhhqqjP葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文2013-3 橋下斷面一般沖刷深度n沖止流速o非黏性土河槽（13-2） 考慮單寬流量向深槽集中的趨勢53maxmaxcPjQhqLh0.15BH（13-3） 2136zpvEd h（13-4） 一般沖刷深度35max16cPpjQhhhL Ed（13-5） 葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文2113-3 橋下斷面一般沖刷深度o非黏性土河灘15max1Htpvv h（13-7） maxmaxvqhttp35m

10、axmax)(tttjtPthhLQq（13-6） 一般沖刷深度5563max1.tPttjttpHQhLhhv（13-8） 葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文2213-3 橋下斷面一般沖刷深度n粘性土河床o塑限Wp：粘性土由半固態(tài)向可塑態(tài)過渡時的含水量。o流限WL：由可塑態(tài)向流態(tài)過渡時的含水量。o塑性指數(shù)Ip：流限與塑限之差。o液性指數(shù)IL：天然含水量與塑限的差值與塑性指數(shù)的比值。PLPIWW0PLPWWII（13-9） 1zLvI1zve葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文2313-3 橋下斷面一般沖刷深度o沖止流速經(jīng)驗公式o一般沖刷深度河槽：53133. 0pLzhIv 河灘：6113

11、3. 0pLzheIv5583max10.33cPjpLQhLhhI6573max10.33cPttjtpLQhLhhIe河槽： 河灘：（13-14） （13-13） 葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文2413-3 橋下斷面一般沖刷深度o64-2公式（輸沙平衡公式）n輸沙平衡理論o當(dāng)上游天然河道的來沙量大于橋下河槽斷面的排沙量時，橋下斷面出現(xiàn)淤積。o當(dāng)上游天然河道的來沙量小于橋下河槽斷面的排沙量時，橋下斷面出現(xiàn)沖刷。o當(dāng)上游天然河道的來沙量等于橋下河槽斷面的排沙量時，橋下斷面出現(xiàn)沖淤平衡，一般沖刷達(dá)到最大值。葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文2513-3 橋下斷面一般沖刷深度n計算式441

12、11111 11111sQGB gBvBB h4422222222222jsjjQGB gB vBB h令G1G2， ，得：2phh221jBB314422111121pQBhhQB 葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文2613-3 橋下斷面一般沖刷深度n考慮單寬流量的分布不均勻、河床的特征和實測的資料，得113421max12max11 0.02lgmmpQBhKhQBHKHd （13-20） 64-2式：max66. 02190. 012)1 (04. 1hBBQQAhp64-2簡化式：葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文2713-3 橋下斷面一般沖刷深度o包氏公式n包氏理論o當(dāng)橋下流速達(dá)

13、到天然河槽流速時，橋下沖刷即停止，而且在同一垂線處，沖刷后的深度與沖刷前的深度成正比。n計算式o均質(zhì)河床：o非均質(zhì)河床，易沖土壤部分：o無導(dǎo)流堤時橋臺偏斜沖刷深度：phPh21qpPAAhAmaxmaxphhPhhhh（13-21） （13-23） （13-22） 葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文2813-4 墩臺局部沖刷深度o墩臺局部沖刷深度hb沖刷坑外緣與沖刷坑底的最大深度。o決定沖刷坑深度的主要因素n水深o假定局部沖刷是在一般沖刷完成后進(jìn)行的，應(yīng)取一般沖刷深度作為行近水深。n墩前水流的行進(jìn)流速o計算橋墩局部沖刷時，應(yīng)根據(jù)所采用的一般沖刷公式，選用其對應(yīng)的行近流速公式。葉鎮(zhèn)國 彭文波

14、編著水力學(xué)與橋涵水文2913-4 墩臺局部沖刷深度n橋墩寬度和形狀（計算寬度和墩形系數(shù)）n河床質(zhì)粒徑和組成（平均粒徑、顆粒影響系數(shù)）n墩周的起沖流速，泥沙的起動流速o橋墩局部沖刷深度計算式n65-1修正式（非粘性土河床）清水沖刷：0.6100bhK K Bvv（13-24） 動床沖刷：10.6010000nbvvhK K Bvvvv（13-25） 葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文3013-4 墩臺局部沖刷深度10.450.15110.8Kdd （13-26） 0.50.1400.72100.0246332pphhvddd0.060000.462dvvB0.190.2501dvnv（13-27） （13-28） （13-29） 葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文3113-4 墩臺局部沖刷深度n65-2公式（非粘性土河床）20.60.150200nbpvvhK K Bhv0.2422.20.00230.375Kdd0.500.5500.2vdvd21n 20.23 0.19lg01dnvv（13-30） （13-31） （13-32） 清水沖刷：動床沖刷：葉鎮(zhèn)國 彭文波 編著水力學(xué)與橋涵水文3213-4 墩臺局部沖刷深度n粘性土河床（ C30 規(guī)范）5 . 21Bhp0.61.2500.83bLhK BIv5 . 21Bhp5pbLh