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1、第六章 桥墩和桥台冲刷,武汉理工大学交通学院,1 桥位河段水流图示和桥孔布置原则2 桥孔长度3 桥面标高4 计算示例,上 章 回 顾,第六章 桥墩和桥台冲刷,桥下河床冲刷计算是确定墩台基础最小埋置深度的重要依据。计算桥下冲刷线时，应考虑桥孔压缩后的桥下一般冲刷、墩台阻水引起的局部冲刷、河床自然演变冲刷以及调治构造物和桥位等其他因素影响引起的冲刷.,第六章 桥墩和桥台冲刷,桥梁墩台冲刷一般包括三部分:河床自然（演变）冲刷、桥下河床全断面内发生的一般冲刷、桥墩周围水流结构发生急剧变化而引起的河床局部冲刷。桥梁墩台冲刷是一个综合复杂的冲刷过程，为此，分解为上述独立的三个部分，分别进行计算，然后叠加，
2、并取其不利组合作为墩台的最大冲刷深度，据以确定墩台基础最小埋置深度。,第一节 泥沙运动,泥沙分类：按河槽内运动形式和性质不同，分为悬移质和推移质两类。悬移质：在一定的水流条件下，泥沙处于运动状态、颗粒较细的泥沙被水流中的漩涡带起，悬浮于水中向下游运动，沿水流方向前进的速度与水流的流速基本相同，这种泥沙称为悬移质。推移质：颗粒稍大的泥沙.则在河床表面上滚动、滑动或跳跃着向下游移动，前进的速度远远小于水流的流速，往往以沙波形式向前运动，这种泥沙称为推移质。床沙：比推移质颖粒更大的泥沙，则下沉到河床上静止不动，称为床沙。悬移质，推移质和床沙之间颗粒大小的分界是相对的，随水流的流速大小而变化，并且三者
3、之间还有在着相互交换的现象。,第一节 泥沙运动,河槽泥沙分类：根据颗粒粗细及其来源的不同，又分为床沙质和冲泻质两类。床沙质：某一河段来自上游的泥沙中，一部分颗粒较粗，在床沙的组成中大量存在，可以认为它们直接来自上游的河床，并与本河段床沙有交换现象，这一部分泥沙就称为床沙质。冲泻质：另一部分颗粒较细的泥沙，在床沙的组成中只有少量存在或根本不存在，可以认为它们来自流域的表而冲蚀，随水流冲泻而下，沿程与床沙无交换现象，并且也很少沉积，则称为冲泻质。床沙质与冲泻质的颗粒粗细也是相对的，随着水流条件及河流形态的改变，也将互相转化。影响河床演变、出现冲刷淤积变形的主要是床沙质。,基础知识,、三相交流电：由
4、三个频率相同、电势振幅相等、相位差互差120角的交流电路组成的电力系统，叫三相交流电。、一次设备：直接与生产电能和输配电有关的设备称为一次设备。包括各种高压断路器、隔离开关、母线、电力电缆、电压互感器、电流互感器、电抗器、避雷器、消弧线圈、并联电容器及高压熔断器等。,基础知识,、二次设备：对一次设备进行监视、测量、操纵控制和保护作用的辅助设备。如各种继电器、信号装置、测量仪表、录波记录装置以及遥测、遥信装置和各种控制电缆、小母线等。4、负荷开关：负荷开关的构造与隔离开关相似，只是加装了简单的灭弧装置。它也是有一个明显的断开点，有一定的断流能力，可以带负荷操作，但不能直接断开短路电流，如果需要，
5、要依靠与它串接的高压熔断器来实现。,第一节 泥沙运动,对河床演变起主要作用的因素：桥梁上游，水流急剧变化推移质和床沙。长河段悬移质,第一节 泥沙运动,一 泥沙主要特性 1 几何特性 一般用直径（粒径）、粒径级配曲线（粒配曲线）、平均粒径（）、中值粒径（）来表示。,第一节 泥沙运动,一 泥沙主要特性 1 几何特性1）粒径（d）泥沙颗拉的形状极不规则，通常采用与泥沙颗粒同体积的球体直径，来表示泥沙预粒的大小，称为等容粒径，简称为粒径，一般用m或mm计。粒径的数值常和量测方法有关。粒径大于0.05mm左右的泥沙，一般采用筛析法量测，以标准筛的孔径来确定粒径的大小，粒径小于0.05mm左右的泥沙，则采
6、用水析法，根据泥沙在静水中的沉降速度与粒径的关系来确定粒径的大小。对于大颗粒的卵(砾)石，可以直接量测。,第一节 泥沙运动,一 泥沙主要特性 1 几何特性2)粒径级配曲线(粒配曲线)河流泥沙是由大小不同的颗粒组成的群体，各种颖粒的粒径在群体中所占的比例，用级配曲线来表示。粒径级配曲线通常画在半对数坐标纸上，横坐标表示粒径大小，纵坐标表示小于某粒径的泥沙在整个沙样中所占的重量百分比。,第一节 泥沙运动,一 泥沙主要特性 1 几何特性2)粒径级配曲线(粒配曲线),比较a、b曲线能看出什么？,第一节 泥沙运动,一 泥沙主要特性 1 几何特性2)粒径级配曲线(粒配曲线)粒径级配曲线能清楚地表明沙样粒径
7、的大小和均匀程度，图中，沙样a的粒径较粗而大小级配均匀，沙样b的粒径较细而且大小级配不均匀。,第一节 泥沙运动,一 泥沙主要特性1 几何特性3）平均粒径和中值粒径 沙样的代表粒径常用平均粒径和中值粒径来表示。,第一节 泥沙运动,3）平均粒径和中值粒径,第一节 泥沙运动,3）平均粒径和中值粒径一般用脚标表示泥沙粒径的频率。如d50、d5、d95等，表示小于该粒径的泥沙在沙样总重量中各占50、5、95。其中心d50称为中值粒径，是一个十分重要的特征粒径，它表示大干和小于这种粒径的泥沙各占沙样总重量的一半，粒配曲线纵坐标50%所对应的横坐标，就是中值粒径d50的数值。,第一节 泥沙运动,一 泥沙主要
8、特性2 重力特性 泥沙重力特性采用颗粒实体的单位体积的重力表示，称为容重（或干容重表示）。,第一节 泥沙运动,3.水力特性泥沙沉速：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，符号用表示，单位为cm/s。沉速是反映泥沙运动和河床冲淤可能性的要素.静水中的泥沙颗粒，在重力作用下开始以加速度下沉，下沉过程中颗粒受到水流的阻力，阻力随沉速加快而增大，当水阻力增大到与颗粒所受重力相等时，颗粒将以等速下沉，此时的下沉速度即为泥沙的沉速。不同的研究者，根据上述条件和实验资料，导出了一些沉速计算公式，并给出了设计手册表。,第一节 泥沙运动,二 泥沙的起动泥沙的起动：河床上的泥沙在水流作用下.由静止
9、状态转变为运动状态，这种现象称为泥沙的起动。它是河流泥沙由静止到运动的临界状态，此时的临界水流条件，称为泥沙的起动条件。泥沙运动和河床变形都始于床面泥沙的起动，泥沙的起动条件是一个很重要的问题。泥沙颗粒的起动，是推动颗粒运动的水流作用力和抗拒颗粒运动的阻力之间，失去平衡的结果。,第一节 泥沙运动,二 泥沙的起动a）表示泥沙颗粒处的垂线流速分布和推动泥沙颗粒运动的床面作用流速。b）表示泥沙颗粒周围的水流作用力。,第一节 泥沙运动,二 泥沙的起动泥沙颗粒起动的临界条件，是推动颗拉运动的各力对支点O的力矩之和等于抗拒颗粒运动的各力对支点O的力矩之和。,第一节 泥沙运动,二 泥沙的起动起动流速：就是床
10、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。通常采用水流的垂线平均流速v0表示作用流速。,第一节 泥沙运动,张瑞谨的起动流速公式,第一节 泥沙运动,沙玉清的起动流速公式,第一节 泥沙运动,张公式的简化,第一节 泥沙运动,令水深为1m，以张和沙的公式分别绘制起动流速与粒径的关系曲线如下（下为张瑞谨公式）两条曲线的形状基本相同，中间偏左处，起动流速都有个最小值。图中曲线表明，这个最小值的右侧，粒径增大时起动流速也随之增大（粘结力影响大），而最小值的左侧，起动流速随粒径减小而增大（重力影响大）。,第一节 泥沙运动,三 沙波运动沙波的形态与水流强度有密切的关系：1 弗汝德数
11、Fr很小时，床面出现波纹。2弗汝德数Fr增大到一定程度，沙纹成为沙垄。3弗汝德数Fr再增大，沙垄成为沙丘。,第一节 泥沙运动,三 沙波运动,第一节 泥沙运动,四 推移质输沙率推移质输沙率：是单位时间内，在过水断面中单位河槽宽度上通过的推移质数量，单位为kg/m3。,第一节 泥沙运动,五 含沙量和挟沙能力水流的挟抄能力：在一定的水流条件和边界条件下，单位体积的水流能够挟带捉沙的最大数量，称为水流的挟抄能力，单位为kg/m3。含沙量：单位体积的水流所含悬移质的数量，称为含沙量单位为kg/m3。,第一节 泥沙运动,五 含沙量和挟沙能力 对于某一河段，若自上游输移来的泥沙数量(来沙量)，大于本河段的水
12、流挟沙能力，多余的泥沙就会沉积下来，使河床发生淤积；若来沙量小于本河段的水流扶沙能力，则将由本河段补偿不足的泥沙，就会造成河床冲刷。直接影响河床冲淤的泥沙，主要是床沙质。在冲刷河段内，床面上的细颗粒泥沙被水流挟走，又得不到上游来沙的补充时，将使床面泥沙的粒径逐渐增大，形成自然铺砌的现象，称为河床的粗化，对桥下河床的冲刷也有一定影响。,第一节 泥沙运动,六 河床的粗化在冲刷和段内，床沙中的细颗粒泥沙被水流冲走，上游来沙中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，称为河床的粗化。,本节课到此结束！,第二节 河床演变和河相关系,水流促使泥沙运动，引起河床变形，变形后的河床又反作用于水
13、流，使水流的内部结构发生变化，水流与河床永远处于相互作用的变化过程中，河床形态也随之不断地变化。河床演变：在天然状况下或人类活动的干扰后，河床形态的不断变化，称为河床演变。是水流与河床长期相互作用的结果，并通过泥沙运动来实现。水流通过泥沙运动塑造河床形态的过程中，水流是最活跃的因素，往往起主要作用。,第二节 河床演变和河相关系,一 副 流主流：河道中的水流，由于槽壁的限制而决定了总的流动趋势，按总的流动趋势运动的水流称为主流。副流：由于过水断面形状的改变或河湾的影响，伴随着主流，在水流内部形成一种规摸较大的旋转运动，这种旋转运动的水流从属于主流而存在，称为副流。副流与紊流内部的漩祸不同，它的规
14、模大，旋转中心和位置是稳定的、明显的。副流的存在，往往是河床冲淤的主要原因，对河道中设置人工构造物(桥梁，堤坝等)以后，可能出现的各种副流，必须予以注意。,第二节 河床演变和河相关系,一 副 流1 平轴副流(又称滚流)在水工建筑物(闸、坝等)下游和涵洞出口河槽中，急流与天然状态的缓流衔接处，出现的水跃就是水面的平轴副流(面滚)，出口河槽铺砌末端的垂裙下游，常出现底滚而造成局部冲刷，也属于平轴副流。,第二节 河床演变和河相关系,一 副 流2 立轴副流(又称回流)在河槽宽度突变处的局部范围内，存在着与主流分离的回流（漩涡），就是立轴副流。在桥台前缘或丁坝端部附近，河床受立轴涡流的急剧冲刷，产生很深
15、的冲刷坑，冲起的泥沙又被带到下游回流区内沉积下来。,第二节 河床演变和河相关系,一 副 流3.顺轴副流(又称螺旋流)顺轴副流是顺主流方向呈螺旋形向前运动，又称为螺旋流。通过河湾的水流，螺旋流十分明显，面流冲向凹岸，底流流向凸岸，导致凹岸冲刷，凸岸淤积，河湾不断地发展，并且水面形成横比降，使凹岸水面升高。,第二节 河床演变和河相关系,一 副 流3.顺轴副流(又称螺旋流)凹岸最大冲刷水深：（高冬光）,第二节 河床演变和河相关系,一 副 流3.顺轴副流(又称螺旋流)凹岸对凸岸水位高差：,第二节 河床演变和河相关系,二、河床演变的基本知识引起河床演变的最根本的原因是输沙的不平衡。任一河段成河流的局部地
16、段，如果上游的来沙量刚好与水流挟沙能力相适应，形成输沙平衡，则河床不冲不淤，处于稳定状态，如果，上游来沙量小于或大于水流挟沙能力，则形成输沙不平衡，河床将发生冲刷或淤积。,第二节 河床演变和河相关系,二、河床演变的基本知识任一河段的河床，都是时刻处于发展变化状态中，河床的断面形状和比降，都是随时间不断变化的。当河床因外界条件变化而出现冲刷后，过水断面逐渐增大，同时床面粗化，粗糙程度增加流速随之减小；水流挟沙能力降低，便冲刷过程减缓，趋向输沙平衡，对于淤积河段，也有这种促使变形逐渐减缓而趋于停止的情况。冲积河流的这种现象，称为冲积河流的自动调整作用。自动调整作用促使河床变形趋于停止，使输沙不平衡
17、趋向输沙平衡。,第二节 河床演变和河相关系,二、河床演变的基本知识影响河床演变的因素很多，主要有下列三个方面：1 上游来沙条件（流域的产沙条件）流域的产沙数量及其组成，对河床演变有很大影响。随季节变化。2 上游来水条件（流量的大小变化）河流的水力条件是随流量而变化的，流越大，水流挟沙能力就越强，流量变化越大泥沙运动和河床变形就越剧烈。3 河床的土质和比降 河床土质决定河床抵抗冲刷的能力，土质坚实的河床较为稳定，变形缓慢，而土质松软的河床容易冲刷，变形比较大，水流急，易冲刷，而比降小，则水流缓，易淤积。,第二节 河床演变和河相关系,三 河相关系在水流泥沙长期的相互作用下，冲积河流的河床，将形成与
18、水力条件和泥沙条件相适应的一定几何形态，如河庆比降、河湾半径、河宽、水深、断面形状等。河相关系：河床的几何形态与水力因素和泥沙因素(如流量、泥沙粒径等)之间的关系，称为河相关系。河床形态是在水力和泥沙因素不断变化的条件下，长期连续作用而形成的。造床流量：一个与多年流量过程的综合造床作用相当的流量作为代表流量，称为造床流量。造床作用最大。一般采用平滩水位相应的流量作为造床流量。此时的水流恰好充满河槽，对河槽形态的塑造作用最大，水位再升高.则水流漫过河滩，造床作用反而削弱。,第二节 河床演变和河相关系,三 河相关系目前还不能通过水流内部结构和泥沙运动的分析，导出理论性的河相关系式，只能根据观测资料，建立河相关系的经验公式。在桥梁孔径和冲刷计算中应用的河相关系式，有两个。,第二节 河床演变和河相关系,三 河相关系1 基本河宽 在变迁性、游荡性河段桥孔长度计算时必须确定基本河宽。,第二节 河床演变和河相关系,三 河相关系2 断面宽深比 苏联水文研究所根据苏联平原河流的资料，提出宽深比的公式如下：宽深比是河段稳定性的指标，其值越大，河槽越宽浅，河槽的稳定性越差。例如黄河在河南省内的游荡性河段，宽深比是为19 32，在山东省内的弯曲性河段则在6以下。一般用单宽流量集中系数带入计算：,1 副流2 河床演变的基本概念3 河相关系,第二节 小 结,本节课到此结束！,
