第六章_沖刷計(jì)算

1、第第 6 6 章章 橋下河床沖刷計(jì)算橋下河床沖刷計(jì)算 （Bridge Pier Scour Calculation） 為了保證橋梁的安全和順利宣泄洪水，橋梁不但為了保證橋梁的安全和順利宣泄洪水，橋梁不但要有足夠的橋孔長(zhǎng)度和橋梁高度，而且，墩臺(tái)基礎(chǔ)還要有足夠的橋孔長(zhǎng)度和橋梁高度，而且，墩臺(tái)基礎(chǔ)還要有足夠的埋置深度，以免遭受洪水沖刷破壞。因此，要有足夠的埋置深度，以免遭受洪水沖刷破壞。因此，設(shè)計(jì)橋梁時(shí)，還必須合理的預(yù)計(jì)橋梁使用期內(nèi)河床的設(shè)計(jì)橋梁時(shí)，還必須合理的預(yù)計(jì)橋梁使用期內(nèi)河床的演變和墩臺(tái)的沖刷，為確定墩臺(tái)基礎(chǔ)的埋置深度提供演變和墩臺(tái)的沖刷，為確定墩臺(tái)基礎(chǔ)的埋置深度提供依據(jù)。依據(jù)。 天然河床由泥

2、、土、沙、石等組成，統(tǒng)稱為天然河床由泥、土、沙、石等組成，統(tǒng)稱為河流河流泥沙泥沙（river sediment）。）。 河道中的水流和泥沙總是在不停的運(yùn)動(dòng)著，床面河道中的水流和泥沙總是在不停的運(yùn)動(dòng)著，床面上的泥沙被水流沖起帶走，使床面下切，形成河床的上的泥沙被水流沖起帶走，使床面下切，形成河床的沖刷；水流所挾帶的泥沙沉積下來(lái)，使床面淤高，形沖刷；水流所挾帶的泥沙沉積下來(lái)，使床面淤高，形成河床淤積。在水流和泥沙的相互作用下，河床總是成河床淤積。在水流和泥沙的相互作用下，河床總是在不停地沖淤變化，構(gòu)成了河床的在不停地沖淤變化，構(gòu)成了河床的自然演變自然演變。 建橋后，除了河床的自然演變外，還有橋梁墩

3、臺(tái)建橋后，除了河床的自然演變外，還有橋梁墩臺(tái)對(duì)水流和泥沙運(yùn)動(dòng)的干擾而引起河床的沖刷，它們交對(duì)水流和泥沙運(yùn)動(dòng)的干擾而引起河床的沖刷，它們交織在一起，同時(shí)進(jìn)行，所以橋下沖刷過程十分復(fù)雜。織在一起，同時(shí)進(jìn)行，所以橋下沖刷過程十分復(fù)雜。 橋梁墩臺(tái)周圍河床的最大沖刷深度，是設(shè)計(jì)橋梁墩臺(tái)周圍河床的最大沖刷深度，是設(shè)計(jì)橋橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)埋置深度的依據(jù)。梁墩臺(tái)基礎(chǔ)埋置深度的依據(jù)。 最大沖刷深度最大沖刷深度是各種因素綜合作用的結(jié)果，十分是各種因素綜合作用的結(jié)果，十分復(fù)雜。為了便于研究和計(jì)算，橋涵水文中把這一復(fù)雜復(fù)雜。為了便于研究和計(jì)算，橋涵水文中把這一復(fù)雜的沖刷過程簡(jiǎn)化為獨(dú)立的三部分的沖刷過程簡(jiǎn)化為獨(dú)立的三部分自然

4、沖刷、一般自然沖刷、一般沖刷、局部沖刷，沖刷、局部沖刷，并假定它們相繼發(fā)生，可以分別計(jì)并假定它們相繼發(fā)生，可以分別計(jì)算，然后疊加，作為墩臺(tái)的最大沖刷深度算，然后疊加，作為墩臺(tái)的最大沖刷深度，并據(jù)以確，并據(jù)以確定墩臺(tái)基礎(chǔ)的埋置深度。定墩臺(tái)基礎(chǔ)的埋置深度。 自然沖刷、一般沖刷、局部沖刷形成的原因各自然沖刷、一般沖刷、局部沖刷形成的原因各不相同。不相同。bPshhhh 自然沖刷地確定方法：自然沖刷地確定方法： 由于影響河床演變的因素非常多，而且錯(cuò)綜復(fù)雜，由于影響河床演變的因素非常多，而且錯(cuò)綜復(fù)雜，難以得到可靠的計(jì)算結(jié)果。目前在實(shí)際工作中，主要難以得到可靠的計(jì)算結(jié)果。目前在實(shí)際工作中，主要通過實(shí)地調(diào)查

5、或參考類似河流的觀測(cè)資料，結(jié)合河段通過實(shí)地調(diào)查或參考類似河流的觀測(cè)資料，結(jié)合河段的特點(diǎn)和整治規(guī)劃，估計(jì)建橋以后可能發(fā)生的河床演的特點(diǎn)和整治規(guī)劃，估計(jì)建橋以后可能發(fā)生的河床演變，作為變，作為設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)橋梁墩臺(tái)的自然沖刷深度。橋梁墩臺(tái)的自然沖刷深度。 在實(shí)際工作中，一般在實(shí)際工作中，一般可根據(jù)橋位河段的類型，可根據(jù)橋位河段的類型，通過通過選擇選擇“計(jì)算斷面計(jì)算斷面”的方法來(lái)確定自然沖刷深度。的方法來(lái)確定自然沖刷深度。hmaxh計(jì)算斷面選擇：計(jì)算斷面選擇：平原順直型河段：平原順直型河段：橋位上游附近最大水深斷面橋位上游附近最大水深斷面:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.最大水最大水深斷面深

6、斷面hmaxh平原彎曲型河段：平原彎曲型河段：橋位上游附近河灣半徑最小的河橋位上游附近河灣半徑最小的河 灣頂點(diǎn)斷面灣頂點(diǎn)斷面maxh游蕩型和變遷型河段：游蕩型和變遷型河段：在橋位斷面上、下游橋位河在橋位斷面上、下游橋位河 段內(nèi)取若干河床斷面重疊后的外包線。段內(nèi)取若干河床斷面重疊后的外包線。橋位橋位h 在河床演變不甚激烈的橋位河段，一般可用橋在河床演變不甚激烈的橋位河段，一般可用橋位斷面作為計(jì)算斷面，同時(shí)，考慮橋位上游最大水位斷面作為計(jì)算斷面，同時(shí)，考慮橋位上游最大水深可能下移，實(shí)際工作中常采用深可能下移，實(shí)際工作中常采用橋位上游附近橋位上游附近實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)或調(diào)查的最大水深作為計(jì)算斷面的最大水深?；?/p>

7、調(diào)查的最大水深作為計(jì)算斷面的最大水深。山區(qū)河段：山區(qū)河段： 橋位斷面橋位斷面橋梁墩臺(tái)沖刷計(jì)算中橋梁墩臺(tái)沖刷計(jì)算中如何簡(jiǎn)化復(fù)雜的沖刷如何簡(jiǎn)化復(fù)雜的沖刷過程？過程？6.1 橋下一般沖刷計(jì)算橋下一般沖刷計(jì)算 （general scour of bridge pier） 建橋以后，橋孔壓縮水流，橋下流速增大，引起建橋以后，橋孔壓縮水流，橋下流速增大，引起整個(gè)橋下斷面河床的沖刷，稱為整個(gè)橋下斷面河床的沖刷，稱為一般沖刷一般沖刷。 建橋以后，橋孔壓縮水流，橋下流速增大，水流建橋以后，橋孔壓縮水流，橋下流速增大，水流挾沙能力隨之增大，引起整個(gè)橋下斷面河床的沖刷，挾沙能力隨之增大，引起整個(gè)橋下斷面河床的沖刷，

8、稱為稱為一般沖刷一般沖刷。 隨著一般沖刷的發(fā)隨著一般沖刷的發(fā)展，河床不斷刷深，橋展，河床不斷刷深，橋下斷面逐漸擴(kuò)大，過水下斷面逐漸擴(kuò)大，過水?dāng)嗝婷娣e不斷增大。斷面面積不斷增大。 隨著橋下斷面的擴(kuò)大，流速相應(yīng)降低，水流挾沙隨著橋下斷面的擴(kuò)大，流速相應(yīng)降低，水流挾沙能力也隨之降低。當(dāng)流速降低到不能繼續(xù)沖刷河床時(shí)，能力也隨之降低。當(dāng)流速降低到不能繼續(xù)沖刷河床時(shí)，沖刷即趨于停止了。此時(shí)，橋下過水?dāng)嗝孀畲?，一般沖刷即趨于停止了。此時(shí)，橋下過水?dāng)嗝孀畲螅话銢_刷的深度也達(dá)到最大。沖刷的深度也達(dá)到最大。ZS垂線垂線hP 通常用一般沖刷通常用一般沖刷停止時(shí)橋下的垂線水停止時(shí)橋下的垂線水深表示該垂線處的一深表示

9、該垂線處的一般沖刷深度，以般沖刷深度，以hP表表示。橋下一般沖刷停示。橋下一般沖刷停止時(shí)的垂線平均流速，止時(shí)的垂線平均流速，稱為稱為沖止流速，沖止流速，以以Vs表示，表示，m/s。Vs表示方法：表示方法：ZS 6.1.1 非粘性土河床一般沖刷計(jì)算非粘性土河床一般沖刷計(jì)算（non-cohesive soil river bed general scour calculation）1 1、64-164-1修正式（按沖止流速建立的公式）修正式（按沖止流速建立的公式）垂線hP建立的概念：建立的概念： 任一垂線，在一般沖任一垂線，在一般沖刷的過程中，當(dāng)斷面擴(kuò)大刷的過程中，當(dāng)斷面擴(kuò)大使垂線的平均流速降到該

10、使垂線的平均流速降到該垂線的沖止流速時(shí)，沖刷垂線的沖止流速時(shí)，沖刷就停止了，一般沖刷深度就停止了，一般沖刷深度達(dá)到最大，并且橋下所有垂線的沖刷都停止時(shí)，整個(gè)達(dá)到最大，并且橋下所有垂線的沖刷都停止時(shí)，整個(gè)橋下斷面的一般沖刷就停止了。橋下斷面的一般沖刷就停止了。Vs取橋下斷面為計(jì)算斷面：取橋下斷面為計(jì)算斷面： 按水力學(xué)的連續(xù)方程，單寬流量：按水力學(xué)的連續(xù)方程，單寬流量：VhqVQ 對(duì)任一條垂線：對(duì)任一條垂線：Vqh 取最大水深垂線：當(dāng)取最大水深垂線：當(dāng)V=Vs時(shí)，時(shí)，h=hP， q=qs。)16( ssPVqhqs為一般沖刷停止時(shí)橋下最大單寬流量。為一般沖刷停止時(shí)橋下最大單寬流量。Vqh 求剛建橋

11、，沖刷前的求剛建橋，沖刷前的最大單寬流量最大單寬流量 qmax。先求。先求平均平均單寬流量：?jiǎn)螌捔髁浚簀PLQq 式中，式中，Lj為橋孔凈長(zhǎng)；為橋孔凈長(zhǎng)；為側(cè)收縮系數(shù)（壓縮系數(shù)）。為側(cè)收縮系數(shù)（壓縮系數(shù)）。由謝才由謝才-曼寧公式：曼寧公式：213521322132JhnBJhnhBJRnQP 21352135maxmax11JhnqJhnq 3535)()(maxmaxmaxmaxhhqqhhqq 將將 代入代入qmax，得：，得：jPLQq )26()(35maxmax hhLQqjP （1）河槽部分）河槽部分 沖刷停止后最大單寬流量與沖刷前最大單寬流量沖刷停止后最大單寬流量與沖刷前最大單寬

12、流量的關(guān)系：的關(guān)系：)36(max AqqsA稱為稱為單寬流量集中系數(shù)單寬流量集中系數(shù)。)46()(15. 015. 0 HBA 穩(wěn)定河段：穩(wěn)定河段：A=1.01.2；次穩(wěn)定河段：次穩(wěn)定河段：A=1.31.4；不不穩(wěn)定河段：穩(wěn)定河段：A=1.51.7，最大不超過，最大不超過1.8。沖止流速：沖止流速：)56(3261 PshdEV式中，式中， 為河槽泥沙平均粒徑，為河槽泥沙平均粒徑，mm； E為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與歷年汛期最大月平均含沙量的為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與歷年汛期最大月平均含沙量的平均值平均值Spj有關(guān)。有關(guān)。當(dāng)當(dāng)Spj 10.0kg/m3，E=0.86。d將式（將式（6-3）（）（6-5）代入（）代入

13、（6-1）：)66()(max53max61533561 hhdELAQhhdELAQhjPjPP QP為設(shè)計(jì)流量；為設(shè)計(jì)流量；Lj為橋孔凈長(zhǎng)。為橋孔凈長(zhǎng)。適用條件：適用條件：橋下全部為河槽（單式斷面）或橋下河橋下全部為河槽（單式斷面）或橋下河槽部分（復(fù)式斷面）。槽部分（復(fù)式斷面）。)66()(max53max61533561 ccjcPccjcPPhhdELAQhhdELAQh QcP為為橋下河槽部分橋下河槽部分通過的設(shè)計(jì)流量；通過的設(shè)計(jì)流量；Lcj為為橋下河槽部分橋下河槽部分的橋孔凈長(zhǎng)。的橋孔凈長(zhǎng)。橋下河槽部分，故可改為：橋下河槽部分，故可改為：應(yīng)用說明：應(yīng)用說明： 當(dāng)橋下斷面全為河槽，當(dāng)

14、橋下斷面全為河槽，Lcj = Lj = L- - nd，QcP = QP。 當(dāng)橋孔壓縮部分河灘，橋下河槽不會(huì)擴(kuò)寬至全當(dāng)橋孔壓縮部分河灘，橋下河槽不會(huì)擴(kuò)寬至全 橋，則：橋，則：LLcQcZSZmin)86( PtcccPQQQQQ)76()(1 PniiiiccccPQhChCQ tQ左左 tQ右右 dnLLccj ccchC , 為沖刷前為沖刷前橋下橋下河槽部分的過水面積、謝才河槽部分的過水面積、謝才系數(shù)、平均水深。系數(shù)、平均水深。為沖刷前為沖刷前橋下橋下各部分（包括河槽、河灘部各部分（包括河槽、河灘部分）的過水面積、謝才系數(shù)、平均水深。分）的過水面積、謝才系數(shù)、平均水深。iiihC , tt

15、tQQQ右右左左 式中，式中，Lcj為為橋下橋下河槽部分橋孔凈長(zhǎng)；河槽部分橋孔凈長(zhǎng)； QcP為為橋下橋下河槽通過的設(shè)計(jì)流量；河槽通過的設(shè)計(jì)流量； Qc、 分別為天然狀態(tài)下分別為天然狀態(tài)下橋下橋下河槽、河灘通過的河槽、河灘通過的流量。流量。tQ 當(dāng)橋孔壓縮部分河灘，橋下河槽會(huì)擴(kuò)寬至全橋，當(dāng)橋孔壓縮部分河灘，橋下河槽會(huì)擴(kuò)寬至全橋，則認(rèn)為橋下全部為河槽，則認(rèn)為橋下全部為河槽，Lcj = Lj = L- -nd，QcP=QP， 不變。不變。ch 值的確定：通常按橋位上游附近枯水位或中值的確定：通常按橋位上游附近枯水位或中低水位實(shí)測(cè)過水?dāng)嗝鎴D求得；也可利用設(shè)計(jì)水位時(shí)的低水位實(shí)測(cè)過水?dāng)嗝鎴D求得；也可利用設(shè)

16、計(jì)水位時(shí)的實(shí)測(cè)橋位斷面圖求得。實(shí)測(cè)橋位斷面圖求得。 chhmaxcccLh mSZZhmax 當(dāng)橋下河床由多層成分不同的土質(zhì)組成，分層土當(dāng)橋下河床由多層成分不同的土質(zhì)組成，分層土河床的沖刷可采用逐層漸進(jìn)試算方法進(jìn)行。河床的沖刷可采用逐層漸進(jìn)試算方法進(jìn)行。（1） ，先按，先按 計(jì)算，若計(jì)算計(jì)算，若計(jì)算hP位于位于 層，即層，即為所求；若計(jì)算為所求；若計(jì)算hP位于位于 層，改用層，改用 計(jì)算，若結(jié)果位計(jì)算，若結(jié)果位于于 層，即為所求，若位于層，即為所求，若位于 層，取兩層交界面為沖層，取兩層交界面為沖刷線標(biāo)高，或取按第一層粒徑的計(jì)算結(jié)果。刷線標(biāo)高，或取按第一層粒徑的計(jì)算結(jié)果。hPZS河底河底21d

17、d 1d2d1d1d2d2d2d1dhPZS河底河底1d2d2d（2） ，先按，先按 計(jì)算，若結(jié)果位于計(jì)算，若結(jié)果位于 層，即層，即為所求；若位于為所求；若位于 層，改按層，改按 計(jì)算。計(jì)算。21dd 1d1d2d多層粒徑不同的河床，處理方法相同，逐層漸進(jìn)試算。多層粒徑不同的河床，處理方法相同，逐層漸進(jìn)試算。（2）河灘部分）河灘部分ststPVqh 35)(tmttjtPsthhLQq 511PHsthVV 式中，式中，VH1為河灘水深為為河灘水深為1m時(shí)非粘性土容許不沖刷流時(shí)非粘性土容許不沖刷流速，與河灘泥沙組成有關(guān)，可查表速，與河灘泥沙組成有關(guān)，可查表6-1。)96()(65351 tmt

18、HtjtPPhhVLQh )106( PtcttPQQQQQ)106()(1 PniiiittttPQhChCQ 式中，式中，Ltj為為橋下河灘部分橋下河灘部分橋孔凈長(zhǎng)；橋孔凈長(zhǎng)； QtP為為橋下河灘橋下河灘部分部分通過的設(shè)計(jì)流量；通過的設(shè)計(jì)流量；河灘泥沙分層處理方法與河槽相同。河灘泥沙分層處理方法與河槽相同。Qc、 分別為天然狀態(tài)下分別為天然狀態(tài)下橋下橋下河槽、河灘通過的流河槽、河灘通過的流 量。量。ttthC , 為沖刷前為沖刷前橋下橋下河灘部分的過水面積、謝才河灘部分的過水面積、謝才系數(shù)、平均水深。系數(shù)、平均水深。iiihC , 為沖刷前為沖刷前橋下橋下各部分（包括河槽、河灘部各部分（包

19、括河槽、河灘部分）的過水面積、謝才系數(shù)、平均水深。分）的過水面積、謝才系數(shù)、平均水深。tttQQQ右右左左 tQ 2 2、64-264-2簡(jiǎn)化式（按輸沙平衡建立的公式）簡(jiǎn)化式（按輸沙平衡建立的公式）Q1h1B1Qb1B2Qb2Q2h2=hP建立的概念：建立的概念：記記計(jì)算斷面計(jì)算斷面來(lái)沙來(lái)沙Qb1，橋下排沙為橋下排沙為Qb2。建橋后，由于橋孔壓縮水流，橋下流速增大，水流挾建橋后，由于橋孔壓縮水流，橋下流速增大，水流挾沙能力加大，沙能力加大，Qb1 V0，根據(jù)式（，根據(jù)式（6-21）：）：m94. 4 （2）65-2公公式式河床泥沙顆粒影響系數(shù)：河床泥沙顆粒影響系數(shù)：59. 049. 6375.

20、 049. 60023. 0375. 00023. 024. 02 . 224. 02 . 22 ddK smdV/75. 0)7 . 049. 6(28. 0)7 . 0(28. 05 . 05 . 00 smdV/35. 0)5 . 049. 6(12. 0)5 . 0(12. 055. 055. 00 514. 0)23. 475. 0()(49. 6lg19. 023. 0lg19. 023. 002 dVVnmVVVhBKKhnPb19. 5)75. 035. 023. 4(18.1079. 359. 02 . 1)(514. 015. 06 . 00015. 06 . 022 因因

21、V V0 ：取取65-2公式計(jì)算結(jié)果公式計(jì)算結(jié)果5.19m。（3）橋下河槽橋墩基底埋置高程）橋下河槽橋墩基底埋置高程總沖刷深度：總沖刷深度：hs=h + hP + hb = 0+10.18+5.19 = 15.37m基底埋深安全值基底埋深安全值c=2.5m，橋墩基底埋置高程：，橋墩基底埋置高程：mhZZcssjd31.755 . 237.1518.93 2、河灘橋墩局部沖刷深度和橋墩基底埋深計(jì)算、河灘橋墩局部沖刷深度和橋墩基底埋深計(jì)算（1）左灘）左灘 左河灘一般沖刷深度在第二層，左河灘一般沖刷深度在第二層，VH1=0.34m/s，hP=9.69m，墩前行近流速（，墩前行近流速（沖止流速?zèng)_止流速）：）：smhVVPH/54. 069. 934. 051511 橋墩計(jì)算寬度：橋墩計(jì)算寬度：mB75. 369. 9)49.8370.87(6 . 4)70.8718.93(1 . 3 起沖流速：起沖流速：smVBdV/58. 021. 1)75. 349. 6(462. 0)(462. 006. 0006. 00 smdhddhVPP/21. 149. 669. 91049. 6332)49. 669. 9(0246. 010332)(0246. 072. 014. 072. 014.