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1、第六章 桥墩和桥台冲刷,第一节 泥沙运动,第二节 河床演变和河相关系,第三节 一般冲刷,第四节 局部冲刷,第五节 桥台冲刷,第六节 最低冲刷线高程,第一节 泥沙运动,要研究泥沙运动规律，首先应了解泥沙的基本特性，它包括：1.几何特性：泥沙颗粒的形状、大 小及群体泥沙的组合特性2.重力特性：泥沙颗粒的容重与淤积泥沙的干容重3.水力特性：泥沙颗粒的沉降速度,泥沙类型,悬移质,推移质,床沙,泥沙运动,泥沙运动,一、泥沙的主要特性,1 几何特性,粒径d,粒径级配曲线,平均粒径d和中值粒径d,用等容粒径表示,50,粒配曲线：表示天然沙颗粒组成的曲线.绘制过程：取样烘干筛分称重点线求各种特征值.曲线坐标：
2、半对数坐标,2 重力特性,用容重 表示,3 水力特性,用沉速 表示,单颗粒泥沙在静止的无限大的清水水体中匀速下沉的速度(cm/s)。,二、泥沙的运动,泥沙的起动在水流推动下，床面泥沙颗粒由静止开始运动。,起动流速-床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上的平均流速。,费玉清起动流速公式：,重力项,粘粒项,流速换算项,张瑞瑾起动流速公式：,流速换算项,重力项,粘粒项,当d2mm时，该式变为：,张瑞瑾公式和费玉清公式在计算起动流速时的差别,三 沙波运动,沙质河床的床面泥沙在水流作用下，泥沙起动后出现推移质运动，形成床面沙波。当Fr很小时，仅出现沙纹；当Fr增大到一定程度
3、，沙纹成长为沙垄；水流强度再增大，则变为沙丘。,裸露的黄河河床沙纹,沙波运动是水流强度达到一定强度后，推移质运动的集体形式此时，床面起伏不平的波浪形态，是推移质运动的主要形态。,四 推移质输沙率,沙波运动是推移质运动的主要形式，而推移质输沙率的大小则反映推移质运动的强烈程度。,推移质输沙率是单位时间内在过水断面单位河槽宽度上，通过的推移质的质量，用 表示，单位是kg/s.m,窦国仁德推移质输沙率公式,式中,-系数，一般取0.01,-谢才系数，无量纲，,-起动流速,-泥沙沉速,-水和泥沙的容重,五 含沙量和挟砂能力,六 河床的粗化,含沙量单位体积内水流中所含悬移质的质量，kg/m,在一定条件和边
4、界条件下，单位体积的水流能够挟带泥沙的最大数量或质量(包括推移质和悬移质)，称为水流的挟砂率。,3,在冲刷河段内，床沙中的细颗粒被水流冲走，上游来沙中的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，形成自然铺砌的现象，称为河床的粗化。,第二节 河床演化和河相关系,一 副流,由于过水断面形状的改变或河槽的影响，伴随着主流，在水流内部形成一种尺度较大的旋转流动，这种从属于主流而存在的旋转流动称为副流。,副流,立轴副流(回流),平轴副流(滚流),顺轴副流(螺旋流),河相关系：水流与河床长期相互作用使河流朝着平衡的方向发展，当其处于平衡或准平衡状态时，河床形态与流域来水、来沙条件和河床边界
5、条件之间存在着的密切关系。,二 河床演变的基本概念,河床演变是水流与河床不断相互作用的过程，在这一过程中，泥沙运动是纽带。任一河段在特定水流条件下有一定挟沙能力。,河床演变是指：河道在天然情况下或受人工因素的影响下所发生的变化。,当上游来沙量与水流挟沙能力互相适应时,水流处于输沙平衡状态,河床保持相对稳定；如上游来沙量与水流挟沙能力不适应,水流输沙不平衡,河床就产生相应冲淤变化。河床变化反过来又会改变水流条件，从而引起水流挟沙能力的变化，变化的趋势是尽量使上游来沙量与水流挟沙能力相适应，使河床保持相对平衡。,河流存在两个反馈系统：(1)水流挟带泥沙，泥沙的存在又影响水流结构；(2)水流作用于河
6、床，使河床发生变化，河床形态反过来又影响流速分布。,它们相互依存，相互影响，又相互制约。水流与河床的相互作用是通过河流中泥沙的冲刷、搬运和堆积而实现的，泥沙在其中起着纽带作用。当流速增加，组成河床的泥沙遭到冲刷，使河床降低或拓宽；当流速减小，水中挟带的泥沙沉积于河床上，使河床抬高或束窄，河床就会发牛相应的变化。,河床演变是水流、泥沙与河床相互作用的反映。,山区河流河床演变特性,1、山区河流常具有宽窄相间的外形，洪水期峡谷进口、悬移质在上游宽阔段内大量落淤。非汛期宽阔段“走沙”时冲刷外移的泥沙，在进入下游峡谷段时，由于水深流缓，大部分在峡谷段淤积。（例：澜沧江）2、弯曲型河流，由于两岸受山崖阶地
7、的钳制，自由活动的余地较小，河床蠕动只能顺着河谷方向平移。3、分汊河流的江心州和心滩位置较固定，以两汊居多。4、河床卵石运动在时间分布上具有明显的不连续性。同时，卵石的输沙率有很大的波动。5、沿程有不少溪沟入汇，在沟口发育形成冲积扇，其伸人干流部分成为溪口滩（例），既影响河床的演变又影响航运。,澜沧江阿达箐滩,平原河流的河床演变主要表现：多呈现周期性的往复变形、平面上的摆动，冲淤变形速度快、幅度大,都天庙凹冲凸淤，且速度均快和畅洲头冲尾淤，江心洲不断下移，但头冲快而尾淤慢主流线不断左移引起凹岸冲刷，下移引起和畅洲头崩坍后退,影响河床演化的因素,1 上游来水条件，即流量的大小和变化,流量大，冲击
8、力强，对河床冲刷严重，变形快；雨季和旱季的变化，河床也出现周期性变化。,2 上游来沙条件，即上游来沙量及其粒径的变化,流量大，挟砂能力强，泥沙颗粒也大，对河床冲刷严重，变形快。,3 河床地质、土质条件、河床比降为河床演变提供边界条件。,三 河相关系,造床流量河床形态是在无数次洪水过程中、水沙相互作用下连续演变的结果。为研究河相关系，人们引入“一个与多年连续造床作用相当的某个流量数值”。在桥梁工程中，取与河滩水位齐平时的河槽流量作为造床流量。,特点：造床作用最大,不是最大流量，因为其历时短不是最小流量，因为其流量及动量小是流量较大历时较长的某级流量,基本河宽公式,河槽宽度与水深的关系,B-平摊水
9、位(造床流量)时的河槽宽度,H-平摊水位(造床流量)时的河槽平均水深,-断面河相系数,单宽流量集中系数A,第三节 桥下河床断面的一般冲刷,桥下河床冲刷计算，是确定墩台基础埋深的重要依据。河床变形分为三类：1.河道自然变化引起，称为自然冲刷；2.桥渡束狭水流，增加单宽流量所引起的全断面冲刷，称一般冲刷，用h 表示；3.由桥墩阻水使水流结构变化，在桥墩周围发生的冲刷，称局部冲刷，用h 表示。,b,p,一般冲刷,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。,桥墩前水流形态发生的变化,桥墩前的局部冲刷,一、根据输沙平衡原理建立的公式,根据输沙平衡原理，应该是该断面推移质输沙量G的输沙平衡。,上
10、游天然断面,桥下断面,G,G,1,2,即,-上游天然断面河槽宽度,-桥下河槽宽度，一般砂性土河床建桥后，桥下 河槽可扩展到整个桥孔，B=L;否则，B=B,2,2,c,q,-上游天然断面单宽输沙率,-桥下断面单宽输沙率,式中,将上式带入输沙率公式得：,见表6-3-1,1964年甘城道将上式改写成：,-系数,-桥下河槽最大水深,-造床流量时的最大水深和平均水深,-单宽流量集中系数,-系数，一般取0.2160.243,19841990进一步简化为,-桥下河槽通过的流量,-计算断面的天然河槽流量Q,-天然状态下，桥下河滩部分通过的流量,-该式被称为64-2简化公式，用于沙质河床,c,二、根据冲止流速建
11、立的公式,1、砂性土河槽的一般冲刷公式,一般冲刷停止时桥下的垂线平均流速，称为冲止流速。,冲止流速,一般冲刷深度,桥下平均单宽流量,桥下最大单宽流量,该式又被称为64-1公式,E-可查表6-3-2,2、砂性土河滩的一般冲刷公式,-河滩部分的冲止流速,-桥下河滩部分通过的部分设计流量,-河滩水深1m时，非粘性土的不冲刷流速，可查表6-3-3,-天然状态下河滩部分通过的流量,3、粘性土河床的桥下断面一般冲刷公式,平均粒径小于0.005mm的泥沙，称为粘性土。土力学中反映粘土粘结力大小的指标为液性指数I 和孔隙率e。I 和e越小，粘土的粘结力越大，抗冲能力越强，冲止流速也就越大。,L,L,冲止流速,
12、桥下河槽,桥下河滩,三、根据别列柳伯斯基假设建立的公式,E.B.包尔达克夫根据别氏假设认为：桥下流速达到天然河槽平均流速时，桥下冲刷即停止，而且同一垂线处、冲刷后的水深与冲刷前的水深成正比，又称为包尔达克夫公式，适应于稳定性河段的河槽。,1、河槽土质均匀时,-冲刷前的面积,2、河槽土质不均匀时,-河床易冲刷部分冲后水深,-冲刷前桥下毛过水断面面积,-冲刷前易冲刷部分毛过水断面面积,-冲刷后不易冲刷（表层土壤被冲走后）的毛过水断面面积,第四节 桥墩的局部冲刷,1.桥墩局部冲刷的机理,桥墩周围的水流：,墩前水面涌波,墩前迎水面的向下水流,漩涡体系,2.冲刷深度和行近流速,行近流速是指桥墩上游不远处
13、，未受绕流影响的墩前天然流速。取一般冲刷终止后的墩前流速作为墩前行近流速，相应的墩前水深也是取一般冲刷后的最大水深hp来计算。,1964年，桥渡冲刷学术会议为了制定桥渡局部冲刷公式，假定：清水冲刷 冲刷深度h 随行近流速 直线增加；动床冲刷 冲刷深度h 随行近流速 呈下凹曲线形式增大；在处这两种状态是连续的。,b,b,起冲流速,起动流速,二.65-2公式和65-2修正公式,1.65-2公式,-墩形系数，见表6-4-1,-计算墩宽,-一般冲刷后水深,-起动流速,起冲流速-,-行近流速,系数-,序号,墩形示意图,墩形系数,墩形计算宽度B1,B1=d,1,1.0,B1=d,2,3,4,6,5,7,8
14、,9,10,12,11,2.65-2修正公式,-起冲流速，,清水冲刷,桥墩迎水面两侧泥沙 起冲流速计算如下：,n-指数,动床冲刷,三.粘性土河床桥墩局部冲刷公式,二式的适应范围 介于0.161.48,四.行近流速和行近水深,假定局部冲刷是在一般冲刷完成后进行的，应取一般冲刷后最大水深作为行近水深和一般冲刷后垂线平均流速作为行近流速。按输沙平衡原理计算一般冲刷时，行近流速的计算可近似采用下式：,第五节 桥台冲刷,一 桥台绕流的水流结构,桥台附近水流构成：主流区A；下游回流区；上游滞留区。,因桥台束窄河道导致上游壅水和一般冲刷，急速绕过桥台的水流在桥台上游边缘与壁面边界层分离，形成强烈的立轴漩涡体
15、系，并不断向下发展。,桥台上下游的流速分布如图示桥梁上游天然断面的平均流速为；沿桥梁轴线的流速为边界分离处最大流速为据试验资料分析：,距离漩涡中心r处的诱导流速u为：,漩涡区宽度D:,桥台前缘涡心压强p 为：,c,-桥台较远处不受漩涡影响的水流压强(可近似看成静水压强),-水的密度，1000kg/m,3,二、桥台冲刷计算,桥台冲刷和挑角关系,1.沙性土河床,桥台轴线和挑角呈90,当桥台轴线和挑角不是呈90时，引入挑角系数,则桥台冲刷深度计算公式为：,-桥台形状系数,带边坡0.85,带锥坡0.90,2.粘性土河床,-天然条件下河床平均单宽流量,-桥台路堤阻水系数,-粘性土的液性指数，介于0.161.19,第六节 最低冲刷线高程和计算实例,最低冲刷线高程,桥墩的最低冲刷线高程,桥台的最低冲刷线高程,
