橋涵水文課件5橋梁墩臺(tái)沖刷計(jì)算

1、橋涵水文學(xué)橋涵水文學(xué)橋梁墩臺(tái)沖刷計(jì)算橋梁與結(jié)構(gòu)教研室: 李 林教學(xué)目的和任務(wù)1.了解描述流體運(yùn)動(dòng)的兩種方法；2.理解描述流體流動(dòng)的一些基本概念，如恒定流與非恒定流、流線與 跡線、流管、流束與總流、過水?dāng)嗝妗⒘髁考皵嗝嫫骄魉俚龋?.掌握連續(xù)性方程、伯努利方程、動(dòng)量方程，并能熟練應(yīng)用于求解工 程實(shí)際問題動(dòng)量方程的應(yīng)用。重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：流體流動(dòng)中的基本概念，連續(xù)性方程、伯努利方程、動(dòng)量方程 及其應(yīng)用。難點(diǎn)：連續(xù)性方程、伯努利方程以及與動(dòng)量方程的聯(lián)立應(yīng)用。主要內(nèi)容：橋梁墩臺(tái)沖刷類型橋下河床一般沖刷橋梁墩臺(tái)局部沖刷橋下河槽最低沖刷線第五章 橋梁墩臺(tái)沖刷計(jì)算橋梁墩臺(tái)沖刷類型大中橋水力計(jì)算的內(nèi)容： 橋孔長

2、度、橋面標(biāo)高、墩臺(tái)基礎(chǔ)最小埋置深度。墩臺(tái)基礎(chǔ)最小埋置深度：河床沖刷深度橋臺(tái)局部沖刷橋墩局部沖刷橋臺(tái)總沖刷橋墩總沖刷一般沖刷1.河床自然演變沖刷河床自然演變沖刷：河床在水力作用及泥沙運(yùn)動(dòng)等因素影響下，自 然發(fā)育過程中造成的沖刷現(xiàn)象。即河段在不修 建跨河建筑物情況下僅在自然力作用下引起的 河床天然沖刷。河床自然演變沖刷的類型： 1）河流發(fā)育成長過程中，河床縱斷面的變形。如河源段的逐年下 切，河口段的逐年淤積。 2）河槽橫向移動(dòng)所引起的變形。如邊灘下移、河灣發(fā)展、移動(dòng)和 裁彎取直等。 3）河段深泓線擺動(dòng)引起的沖刷變形。 4）河槽周期性變形。即在一個(gè)水文周期內(nèi)河槽隨水位、流量變化 而發(fā)生的變形。河床自

3、然演變沖刷目前尚無成熟的計(jì)算方法，橋位設(shè)計(jì)時(shí)一般通過調(diào)查或利用橋位上、下游水文站歷年實(shí)測斷面資料統(tǒng)計(jì)分析確定。2.橋下河床的一般沖刷一般沖刷：橋下河床全斷面發(fā)生的沖刷現(xiàn)象。一般沖刷深度hp ：一般沖刷停止時(shí)的橋下最大鉛垂水深（從設(shè)計(jì) 水位起）。一般沖刷深度是設(shè)計(jì)水位至一般沖 刷線的最大深度。建橋后，由于橋孔壓縮河床，橋下過水面積減小，引起橋下流速增大，水流挾沙能力也隨之增大，使橋下河床斷面不斷擴(kuò)大，但過水?dāng)嗝嬖龃髮?dǎo)致流速不斷減小，使橋下河床的沖刷產(chǎn)生新的平衡，一般沖刷隨之停止。21ph3.橋梁墩臺(tái)局部沖刷墩臺(tái)局部沖刷：水流受墩臺(tái)阻擋，在墩臺(tái)附近發(fā)生的沖刷現(xiàn)象。局部沖刷深度hb：沖刷坑外緣與沖

4、刷坑底的最大高差。局部沖 刷深度為一般沖刷深度線至沖刷坑底的最大 深度。流向橋墩的水流受墩身的影響，水流繞流，橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生發(fā)生急劇變化，形成復(fù)雜的漩渦體系，劇烈沖刷橋墩迎水面和周圍的泥沙，形成局部沖刷坑，坑內(nèi)泥沙不斷被帶走，沖刷坑不斷加大、加深，隨著沖刷坑的擴(kuò)大加深，坑底流速又隨之減小，水流挾沙能力下降，而坑內(nèi)泥沙漸趨粗化，抗沖刷能力加強(qiáng)，產(chǎn)生新的沖淤平衡。立 面平 面橋下河床一般沖刷1.非粘性土河床一般沖刷深度計(jì)算橋下斷面內(nèi)任意垂線在一般沖刷過程中垂線平均流速降低到該垂線的沖止流速vz時(shí)，沖刷即停止。此時(shí)達(dá)到最大一般沖刷水深hP。沖止流速：橋下一般沖刷停止時(shí)的垂線平均流速。641修

5、正式是根據(jù)沖止流速建立的公式。1 62 3zpvEdh3 55 31 62cmCjcqpdAhQBhhEd1）河槽部分641修正式0.15zzdBHA 12cpctQQQQQphzzBH、2QpQcQ1tQ橋下河槽一般沖刷深度（m）； 單寬流量集中系數(shù)，山前變遷、游蕩、寬灘河段Ad1.8，取Ad=1.8 ； 平灘水位時(shí)河槽寬度和平均水深（m）；橋下河槽部分通過的設(shè)計(jì)流量，河槽能擴(kuò)寬至全橋時(shí)Q2=Qp（m /s） 頻率為P%時(shí)的設(shè)計(jì)流量（ m /s ）；天然狀態(tài)下河槽部分設(shè)計(jì)流量（m /s）天然狀態(tài)下橋下河灘部分設(shè)計(jì)流量（m/s）。dAcmhcqhEd橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)，查表； 河槽部分橋孔凈

6、長，河槽能擴(kuò)寬至全橋時(shí)為橋孔凈長 ； 河槽最大水深（m）；橋下河槽平均水深（m） 與汛期含沙量有關(guān)的系數(shù)，查表；河槽泥沙平均粒徑（mm）cjB1 62 3zpvEdh3 55 31 62cmCjcqpdAhQBhhEd0.15zzdBHA 12cpctQQQQQ橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)4540353025201613101.001.001.001.001.001.001.001.001.00101-101.8，取Ad=1.8 ； 平灘水位時(shí)河槽寬度和平均水深（m）；橋下河槽部分通過的設(shè)計(jì)流量，河槽能擴(kuò)寬至全橋時(shí)Q2=Qp（m /s） 頻率為P%時(shí)的設(shè)計(jì)流量（ m /s ）；天然狀態(tài)下河槽部分的設(shè)計(jì)

7、流量（m /s）天然狀態(tài)下橋下河灘部分的設(shè)計(jì)流量（m/s）。dAcmh橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)，查表； 橋長范圍內(nèi)的河槽寬度（ m ）， 河槽能擴(kuò)寬至全橋時(shí)為橋孔長度 ；橋位斷面天然河槽寬度（ m ），河槽最大水深（m）；設(shè)計(jì)水位下，在Bcg寬度范圍內(nèi)，橋墩阻水總面積與過水面積之比；cgBcB0.660.9021.041cpdcmccgBQhAhQB0.15zzdBHA 12cpctQQQQQ橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)4540353025201613101.001.001.001.001.001.001.001.001.006.004.706.003.604.7010205.0010.002.005.0

8、01.201.500.901.200.600.90漂石大中小800大400800中200400小d1HVd1HV水深1m時(shí)非粘性土不沖流速公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范JTGC30-2002規(guī)定公式：2. 粘性土河床一般沖刷深度計(jì)算粘性土：粒徑小于0.05mm的泥沙。粘性土隨含水量的增大，由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)（泥漿），粘結(jié)力隨之接近消失，抗沖刷能力也因此不存在。1）河槽部分5 85 3210.33cmdcjcqpLhQABhhI3 510.33zpLvhI00ppLpLpWWWWIIWW5 85 3210.33cmdcjcqpLhQABhhI3 510.33zpLvhI00ppLpLpWWWWIIWWph

9、2QpQcQ1tQ橋下河槽一般沖刷深度（m）； 單寬流量集中系數(shù)，取Ad=1.01.2 ； 橋下河槽部分通過的設(shè)計(jì)流量，河槽能擴(kuò)寬至全橋時(shí)Q2=Qp（m /s） 頻率為P%時(shí)的設(shè)計(jì)流量（ m /s ）；天然狀態(tài)下河槽部分的設(shè)計(jì)流量（m /s）天然狀態(tài)下橋下河灘部分的設(shè)計(jì)流量（m/s）。dAcmhcqhLI橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)，查表； 河槽部分橋孔凈長，河槽能擴(kuò)寬至全橋時(shí)為橋孔凈長 ； 河槽最大水深（m）；橋下河槽平均水深（m） 沖刷坑范圍內(nèi)粘性土液性指數(shù)，適用范圍為0.161.19；cjB12cpctQQQQQ橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)4540353025201613101.001.001.001.

10、001.001.001.001.001.0010.990.990.990.990.990.990.980.970.961.00.990.990.980.980.980.970.970.960.961.50.980.980.980.980.970.970.950.940.932.00.960.960.970.970.850.870.890.90單孔凈跨徑L0(m)0.880.900.910.930.910.920.930.940.930.940.950.960.940.950.960.960.970.960.9540.970.970.963.50.980.970.963.00.980.980.9

11、72.5設(shè)計(jì)流速Vs (m/s)00045 ,1 0.375;200 ,1.0;sVLmLmL 注：2. 粘性土河床一般沖刷深度計(jì)算2）河灘部分6 75 3110.33tmtjtqpLhQBhhI1 610.33zpLvhI00ppLpLpWWWWIIWW111tpctQQQQQphpQcQ1 tQ橋下河灘一般沖刷深度（m）； 橋下河槽部分通過的設(shè)計(jì)流量（m /s） ； 頻率為P%時(shí)的設(shè)計(jì)流量（ m /s ）；天然狀態(tài)下河槽部分的設(shè)計(jì)流量（m /s）天然狀態(tài)下橋下河灘部分的設(shè)計(jì)流量（m/s）。1QtmhtqhLI橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)，查表； 河灘部分橋孔凈長 （m）； 橋下河灘最大水深（m）；

12、橋下河灘平均水深（m） 沖刷坑范圍內(nèi)粘性土液性指數(shù)，適用范圍為0.161.19；tjB6 75 3110.33tmtjtqpLhQBhhI1 610.33zpLvhI00ppLpLpWWWWIIWW橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)4540353025201613101.001.001.001.001.001.001.001.001.0010.990.990.990.990.990.990.980.970.961.00.990.990.980.980.980.970.970.960.961.50.980.980.980.980.970.970.950.940.932.00.960.960.970.970.8

13、50.870.890.90單孔凈跨徑L0(m)0.880.900.910.930.910.920.930.940.930.940.950.960.940.950.960.960.970.960.9540.970.970.963.50.980.970.963.00.980.980.972.5設(shè)計(jì)流速Vs (m/s)00045 ,1 0.375;200 ,1.0;sVLmLmL 注：橋梁墩臺(tái)局部沖刷橋墩上游行近流速增大到一定數(shù)值時(shí)，橋墩迎水面兩側(cè)的泥沙首先被水流沖走，此時(shí)涌向橋墩的流速為起沖流速，但低于起動(dòng)流速，故床面無泥沙運(yùn)動(dòng)，沖刷坑內(nèi)無上游來泥沙補(bǔ)給（清水沖刷）；行近流速超過床沙起動(dòng)流速，床面

14、泥沙處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，上游泥沙落入坑中，坑內(nèi)泥沙得到補(bǔ)給（動(dòng)床沖刷）。行近流速：指橋墩上游不遠(yuǎn)處，未受繞流影響的墩前天然流速。 由于局部沖刷是假定在一般沖刷完成后進(jìn)行的，故 取一般沖刷終止后的墩前流速作為墩前行近流速。v起沖流速：當(dāng)流速增大到一定數(shù)值時(shí)，橋墩迎水面兩側(cè)的泥沙 首先被水流沖走，床面開始產(chǎn)生局部沖刷，此時(shí)涌 向橋墩的流速（垂線平均流速）。v0起動(dòng)流速：床面泥沙顆粒在各種外力作用下，失去平衡，泥沙 開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的水流垂線平均流速。 v0起動(dòng)流速起沖流速?zèng)_刷深度與行近流速的關(guān)系一般沖刷后墩前行近流速20.340.10.1321.041dccmcccgcABhQvvQBh0.660.9021.

15、041cpdcmccgBQhAhQB1）采用64-2簡化式計(jì)算非粘性土河槽hp：hc河槽平均水深（m）；vc河槽平均流速（m/s）；1 62 3pvEdh2）采用64-1修正式計(jì)算非粘性土河槽hp：3 55 321 6cmdCjcqphQABhhEd3）采用公式計(jì)算非粘性土河灘hp：5 65 311tmtjtqpHhQBhhv1 51Hpvv h一般沖刷后墩前行近流速4）采用公式計(jì)算粘性土河槽hp：5 85 3210.33cmdcjcqpLhQABhhI3 510.33pLvhI5）采用公式計(jì)算粘性土河灘hp：6 75 3110.33tmtjtqpLhQBhhI1 610.33pLvhI1.

16、非粘性土河床橋墩局部沖刷深度計(jì)算1）65-1修正公式0.600110bvvhK K Bvv10.600011000nbvvvvhK K Bvvvv0.190.2501dvnv10.450.15110.8Kdd河床顆粒影響系數(shù)：0.1400.72100.0246332pphhvddd河床泥沙起動(dòng)流速：0.060010.462dvvB墩前泥沙起沖流速：bh1K1Bv橋墩局部沖刷深度（m）； 墩形系數(shù)，查表 ； 河床顆粒影響系數(shù)；橋墩計(jì)算寬度（m） ，查表 ；一般沖刷后墩前行近流速，按規(guī)定計(jì)算（m/s）；K0v1ndph河床泥沙起動(dòng)流速（m/s）； 墩前泥沙起沖流速（m/s）； 指數(shù)；河床泥沙平均粒

17、徑（mm）； 一般沖刷深度（m）；0v10.6001100.600011000bnbvvhK K BvvvvvvhK K Bvvvv0.1910.450.150.1400.720.060010.2501110.8100.02463320.462ppdKddhhvddddvvBvnv墩形系數(shù)墩形系數(shù)一般沖刷后墩前行近流速20.340.10.1321.041dccmcccgcABhQvvQBh0.660.9021.041cpdcmccgBQhAhQB1）采用64-2簡化式計(jì)算非粘性土河槽hp：hc河槽平均水深（m）；vc河槽平均流速（m/s）；1 62 3pvEdh2）采用64-1修正式計(jì)算非粘性

18、土河槽hp：3 55 321 6cmdCjcqphQABhhEd3）采用公式計(jì)算非粘性土河灘hp：5 65 311tmtjtqpHhQBhhv1 51Hpvv h1. 非粘性土河床橋墩局部沖刷深度計(jì)算2）65-2公式20.600.1500210nbpvvvvhK K Bhv0.600.1500210bpvvvvhK K Bhv0.23 0.19lg02dvnv0.2422.20.00230.375Kdd河床顆粒影響系數(shù)：0.500.280.7vd河床泥沙起動(dòng)流速：0.5500.120.5vd 河床泥沙起動(dòng)流速：bh2K1Bv橋墩局部沖刷深度（m）； 墩形系數(shù)，查表 ； 河床顆粒影響系數(shù)；橋墩計(jì)

19、算寬度（m） ，查表 ；一般沖刷后墩前行近流速，按規(guī)定計(jì)算（m/s）；K0v2ndph河床泥沙起動(dòng)流速（m/s）； 墩前泥沙起沖流速（m/s）； 指數(shù)；河床泥沙平均粒徑（mm）； 一般沖刷深度（m）；0v20.600.15002100.600.1500210bpnbpvvvvhK K BhvvvvvhK K Bhv0.2422.20.500.5500.23 0.19lg020.00230.3750.2dKddvdvdvnv 一般沖刷后墩前行近流速20.340.10.1321.041dccmcccgcABhQvvQBh0.660.9021.041cpdcmccgBQhAhQB1）采用64-2簡化式計(jì)算非粘