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1、第 6 章 桥下河床冲刷计算（Bridge Pier Scour Calculation）,为了保证桥梁的安全和顺利宣泄洪水，桥梁不但要有足够的桥孔长度和桥梁高度，而且，墩台基础还要有足够的埋置深度，以免遭受洪水冲刷破坏。因此，设计桥梁时，还必须合理的预计桥梁使用期内河床的演变和墩台的冲刷，为确定墩台基础的埋置深度提供依据。,天然河床由泥、土、沙、石等组成，统称为河流泥沙（river sediment）。河道中的水流和泥沙总是在不停的运动着，床面上的泥沙被水流冲起带走，使床面下切，形成河床的冲刷；水流所挟带的泥沙沉积下来，使床面淤高，形成河床淤积。在水流和泥沙的相互作用下，河床总是在不停地冲淤
2、变化，构成了河床的自然演变。,建桥后，除了河床的自然演变外，还有桥梁墩台对水流和泥沙运动的干扰而引起河床的冲刷，它们交织在一起，同时进行，所以桥下冲刷过程十分复杂。,桥梁墩台周围河床的最大冲刷深度，是设计桥梁墩台基础埋置深度的依据。,最大冲刷深度是各种因素综合作用的结果，十分复杂。为了便于研究和计算，桥涵水文中把这一复杂的冲刷过程简化为独立的三部分自然冲刷、一般冲刷、局部冲刷，并假定它们相继发生，可以分别计算，然后叠加，作为墩台的最大冲刷深度，并据以确定墩台基础的埋置深度。,自然冲刷、一般冲刷、局部冲刷形成的原因各不相同。,自然冲刷地确定方法：由于影响河床演变的因素非常多，而且错综复杂，难以得
3、到可靠的计算结果。目前在实际工作中，主要通过实地调查或参考类似河流的观测资料，结合河段的特点和整治规划，估计建桥以后可能发生的河床演变，作为设计桥梁墩台的自然冲刷深度。,在实际工作中，一般可根据桥位河段的类型，通过选择“计算断面”的方法来确定自然冲刷深度。,计算断面选择：,平原顺直型河段：桥位上游附近最大水深断面,平原弯曲型河段：桥位上游附近河湾半径最小的河 湾顶点断面,游荡型和变迁型河段：在桥位断面上、下游桥位河 段内取若干河床断面重叠后的外包线。,桥位,在河床演变不甚激烈的桥位河段，一般可用桥位断面作为计算断面，同时，考虑桥位上游最大水深可能下移，实际工作中常采用桥位上游附近实测或调查的最
4、大水深作为计算断面的最大水深。,山区河段：桥位断面,桥梁墩台冲刷计算中如何简化复杂的冲刷过程？,6.1 桥下一般冲刷计算（general scour of bridge pier）,建桥以后，桥孔压缩水流，桥下流速增大，引起整个桥下断面河床的冲刷，称为一般冲刷。,建桥以后，桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流挟沙能力随之增大，引起整个桥下断面河床的冲刷，称为一般冲刷。,随着一般冲刷的发展，河床不断刷深，桥下断面逐渐扩大，过水断面面积不断增大。,随着桥下断面的扩大，流速相应降低，水流挟沙能力也随之降低。当流速降低到不能继续冲刷河床时，冲刷即趋于停止了。此时，桥下过水断面最大，一般冲刷的深度也达到最大
5、。,ZS,垂线,hP,通常用一般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，以hP表示。桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速，,称为冲止流速，以Vs表示，m/s。,Vs,表示方法：,ZS,非粘性土河床一般冲刷计算（non-cohesive soil river bed general scour calculation）,1、64-1修正式（按冲止流速建立的公式）,垂线,hP,建立的概念：任一垂线，在一般冲刷的过程中，当断面扩大使垂线的平均流速降到该垂线的冲止流速时，冲刷就停止了，一般冲刷深度,达到最大，并且桥下所有垂线的冲刷都停止时，整个桥下断面的一般冲刷就停止了。,Vs,取桥下断面为计
6、算断面：按水力学的连续方程，单宽流量：,对任一条垂线：,取最大水深垂线：当V=Vs时，h=hP，q=qs。,qs为一般冲刷停止时桥下最大单宽流量。,求刚建桥，冲刷前的最大单宽流量 qmax。先求平均单宽流量：,式中，Lj为桥孔净长；为侧收缩系数（压缩系数）。,由谢才-曼宁公式：,将 代入qmax，得：,稳定河段：A=1.01.2；次稳定河段：A=1.31.4；不稳定河段：A=1.51.7，最大不超过1.8。,冲止流速：,式中，为河槽泥沙平均粒径，mm；E为经验系数，与历年汛期最大月平均含沙量的平均值Spj有关。当Spj 10.0kg/m3，E=0.86。,将式（6-3）（6-5）代入（6-1）
7、：,QP为设计流量；Lj为桥孔净长。,适用条件：桥下全部为河槽（单式断面）或桥下河槽部分（复式断面）。,QcP为桥下河槽部分通过的设计流量；Lcj为桥下河槽部分的桥孔净长。,桥下河槽部分，故可改为：,应用说明：当桥下断面全为河槽，Lcj=Lj=L-nd，QcP=QP。,当桥孔压缩部分河滩，桥下河槽不会扩宽至全 桥，则：,L,Lc,Qc,ZS,Zmin,为冲刷前桥下河槽部分的过水面积、谢才系数、平均水深。,为冲刷前桥下各部分（包括河槽、河滩部分）的过水面积、谢才系数、平均水深。,式中，Lcj为桥下河槽部分桥孔净长；QcP为桥下河槽通过的设计流量；Qc、分别为天然状态下桥下河槽、河滩通过的流量。,
8、当桥孔压缩部分河滩，桥下河槽会扩宽至全桥，则认为桥下全部为河槽，Lcj=Lj=L-nd，QcP=QP，不变。,（2），先按 计算，若结果位于 层，即为所求；若位于 层，改按 计算。,多层粒径不同的河床，处理方法相同，逐层渐进试算。,（2）河滩部分,式中，VH1为河滩水深为1m时非粘性土容许不冲刷流速，与河滩泥沙组成有关，可查表6-1。,式中，Ltj为桥下河滩部分桥孔净长；QtP为桥下河滩部分通过的设计流量；,河滩泥沙分层处理方法与河槽相同。,2、64-2简化式（按输沙平衡建立的公式）,Q1,h1,B1,Qb1,B2,Qb2,Q2,h2,=hP,建立的概念：记计算断面来沙Qb1，桥下排沙为Qb2
9、。,建桥后，由于桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流挟沙能力加大，Qb1 Qb2，桥下发生冲刷。随着冲刷的发展，桥下断面不断扩大，桥下流速随之降低，水流挟沙能力也随着降低。当断面扩大到使流速降到Qb2 Qb1，输沙平衡，桥下一般冲刷就停止了，此时，桥下过水断面最大，水深也达到最大。,计算断面,桥位断面,当输沙平衡，令Qb1=Qb2，整理得：,输沙率公式不同，系数指数不同；断面平均流速代替垂线平均流速需修正；Q1=Qc，B1=Bc；h1 hmax，h2 hP；需要考虑单宽流量集中系数A。,适用条件：沙质（非粘性土）河槽。桥下全部为 河槽或桥下河槽部分。,式中，Lc建桥后桥下河槽宽度。,当桥孔压缩部分
10、河滩，桥下河槽会扩宽至全桥，则认为桥下全部为河槽：,粘性土河床一般冲刷计算（cohesive soil river bed general scour calculation）,平均粒径小于0.05mm的泥沙称为粘性土。粘性土颗粒很细，在其表面形成很薄且结合紧密的薄膜水，使颗粒之间具有一定的粘性力。土力学中，用液性指数IL表示粘性土粘结力大小的指标。,液性指数：,式中，IL为粘性土的液性指数；W0为粘性土的天然含水量 Wp为粘性土的塑限含水量 WL为粘性土的流限含水量。Ip=WL-Wp为粘性土的塑性指数。,液性指数越小，粘性土的粘结力越大，抗冲能力越大，冲止流速也越大。,1、河槽部分,式中，A
11、为单宽流量集中系数，A=1.01.2；IL为粘性土液性指数，本公式适用范围:IL=0.161.19。,QcP为桥下河槽部分通过的设计流量；Lcj 为桥下河槽部分的桥孔净长。Qc、分别为天然状态下桥下河槽、河滩通过的流量。,2、河滩部分,式中，Ltj为桥下河滩部分桥孔净长；QtP为桥下河滩通过的设计流量；Qc、分别为天然状态下桥下河槽、河滩通过的流量。,桥台偏斜水流的一般冲刷 当河滩被压缩较多，且桥前无导流堤时，河滩水流在桥台附近集中，形成偏斜冲刷。,可用以下公式估算：,式中，为冲刷后桥台处的水深；h 为冲刷前桥台处的水深；hmax为冲刷前桥下河槽的最大水深；P 为冲刷系数。,【例6-1】已知桥
12、位断面图。QP=6000m3/s,设计水位ZS=93.18m，相应过水面积2797m2。平滩水位90.88m，天然情况下河槽流速Vc=2.92m/s，汛期含沙量Spj=5kg/m3。桥梁与河道正交，采用24孔单跨32m的钢筋预应力混凝土梁桥，墩宽1.875m。其它有关地质资料及断面计算数据见表6-2和表6-3。假定建桥后桥下河滩不会变为河槽，试确定一般冲刷深度。,解（一）桥下河槽、河滩通过的设计流量,河槽：,河滩,左滩：,右滩：,河槽+左滩+右滩=4905+714+383=6002m3/s,或：,根据谢才公式：,得水面比降：,天然状态下河滩流速：,天然状态下桥下河滩通过的流量：,桥下河槽、河滩
13、通过的设计流量：,（二）河槽一般冲刷深度计算水位平滩时的水面宽 B=363m水位平滩时的水深 H=3.82-(93.18-90.88)=1.52m,汛期含沙量Spj=5kg/m3，所以系数E=0.66,侧收缩系数：,1、64-1公式假定冲刷深度至第二层，按第二层粒径计算：,冲刷线标高=93.18-13.20=79.98m，冲刷已深入第三层，改按第三层粒径计算：,冲刷线标高=93.18-9.75=83.43m，冲刷线位于第二层，说明冲刷线位于第二、三层交界面。故认为冲刷至第二层底，一般冲刷深度为：,2、64-2公式 河槽不可能扩宽，只计算河槽一般冲刷深度：Qc=cVc=12602.92=3680
14、m3/s，Bc=363m,Q2=QcP=4905 m3/s，B2=Lc=Bc=363m,冲刷线标高=93.18-10.93=82.25m，冲刷线位于第三层，但在第二、三层交界面下方附近。,综合分析上述两种结果，河槽一般冲刷深度取10.18m。,（三）河滩一般冲刷深度计算,左滩：先按粘性土计算,冲刷线标高=93.18-6.35=86.83m，位于第二层，故重新按非粘性土计算。由第二层泥沙粒径，查得对应容许不冲刷流速VH1=0.34m/s。,冲刷线标高=93.18-9.69=83.49m，位于第二层。,右滩：先按粘性土计算,冲刷线标高=93.18-3.29=89.89m，位于第一层粘性土层内。,（
15、四）桥台偏斜冲刷计算 取冲刷系数P=1.2，冲刷前左桥台水深1.7m，右桥台水深1.5m。两桥台偏斜冲刷深度分别为：,左桥台：,偏斜冲刷线标高=93.18-3.44=89.74m，位于第一层粘性土层内，比左滩冲刷线高，取左滩冲刷线标高83.49m。,右桥台：,偏斜冲刷线标高=93.18-3.10=90.08m，位于第一层粘性土层内，比右滩冲刷线高，取右滩冲刷线标高89.89m。,说明偏斜冲刷不大，可以忽略不计。,1、一般冲刷形成的原因是什么？2、建立64-1公式的概念是什么？3、建立64-2公式的概念是什么？,6.2 桥墩局部冲刷（Local scour of bridge pier）,局部冲
16、刷现象,随着冲刷坑的不断加深和扩大，坑底流速逐渐降低，水流挟沙能力随之减弱；同时，冲刷坑坑底的泥沙逐渐粗化，抗冲能力增强，使床沙的抗,冲能力和水流的冲刷能力逐渐趋于平衡。当上游进入冲刷坑的泥沙与水流冲走的泥沙趋于平衡，冲刷就停止了，局部冲刷坑达到最深。,把冲刷坑外缘与桥墩前端（迎水端）坑底的最大高差，称为局部冲刷深度，记为hb。,模型试验：桥墩局部冲刷深度与冲向桥墩的水流流 速（以垂线平均流速表示）有关。,当V大于 并继续增大时，河床继续冲刷，冲刷坑继续加深扩大，冲刷深度hb与流速V呈直线关系增长。,模型试验表明：局部冲刷深度最大只能达到墩宽的二倍。,非粘性土河床局部冲刷计算1、65-1修正式
17、,式中，K为墩形系数，查表6-4；B为桥墩计算宽度，m，按表6-4；K1为河床泥沙颗粒影响系数，,V0为床沙起动流速，m/s，,为墩前泥沙起冲流速，m/s，,V为一般冲刷结束后墩前行近（冲止）流速，m/s；hP为一般冲刷结束后的水深，m；n1为指数；为河床泥沙平均粒径，mm。,2、65-2公式,式中，K为墩形系数，查表6-4；B为桥墩计算宽度，m，查表6-4；K2为河床泥沙颗粒影响系数，,V0为床沙起动流速，m/s，,为墩前泥沙起冲流速，m/s，,V为一般冲刷结束后墩前行近（冲止）流速，m/s；hP为一般冲刷结束后的水深，m；n2为指数；为河床泥沙平均粒径，mm。,粘性土河床局部冲刷计算,式中
18、，IL为冲刷坑范围内粘性土液性指数，适用范围为0.161.48。其它符号同前。,一般冲刷结束后墩前行近流速（冲止流速）计算,1、非粘性土河床（1）河床 64-1修正式,64-2简化式,式中，Vc为天然河槽平均流速。,墩台基底最小埋置深度计算,ZS,hmax,hP,hb,hs,基底高程Zjd,天然河底,桥墩,c,总冲刷深度hs：,墩台基底埋置高程：,式中，c为基底埋深安全值，查表6-5、6-6。,应用说明：1、建立64-1、64-2公式时所依据的实测资料已包含河床自然冲刷，所以用这两个公式计算的结果中已包括了自然冲刷深度。2、在确定桥梁墩台基础埋置深度时，应根据桥位河段的具体情况，取河床自然冲刷
19、、一般冲刷和局部冲刷的不利组合，作为确定墩台基础埋深的依据。,3、对稳定河段，河槽稳定，不会扩宽，河槽部分和河滩部分的桥墩，可分别采用各自的冲刷深度确定埋置高程。对不稳定河段，河槽有可能扩宽，河滩上所有桥墩基底高程均采用河槽桥墩基底高程值。4、位于河槽的桥台，当其最大冲刷深度小于桥墩总冲刷深度时，桥台基底埋深应与桥墩基底高程相同；位于河滩的桥台，对河槽摆动的不稳定河流，桥台基底高程应与桥墩相同；在稳定河流上，桥台基底高程可按照桥台冲刷计算的结果确定。,5、桥台锥体护坡基脚埋置深度，应考虑冲刷的影响，当位于稳定、次稳定河段的河滩上，基脚底面应在一般冲刷线以下至少0.5m；当桥台位于不稳定河流的河
20、滩上时，基脚底面应在一般冲刷线以下至少1m。,【例6-2】根据例6-1所给的资料和计算结果，采用圆端形桥墩，宽3.10m，横向宽9.10m，基础为沉井，尺寸4.6m10.6m，沉井顶高程87.70m。试确定河床部分的基底最小埋深。,解：1、河槽桥墩局部冲刷深度和桥墩基底埋深计算根据例6-1计算结果，一般冲刷深度至第二层底，故局部冲刷将切入第三层，=6.49mm，hP=10.18m，E=0.66，墩前行近流速（冲止流速）：,查表6-4编号5，得墩形系数K=1.2。桥墩计算宽度：,（1）65-1修正式 河床泥沙颗粒影响系数：,墩前泥沙起冲流速：,床沙起动流速V0：,因V V0，根据式（6-21）：
21、,（2）65-2公式河床泥沙颗粒影响系数：,因V V0：,取65-2公式计算结果5.19m。,（3）桥下河槽桥墩基底埋置高程总冲刷深度：hs=h+hP+hb=0+10.18+5.19=15.37m基底埋深安全值c=2.5m，桥墩基底埋置高程：,2、河滩桥墩局部冲刷深度和桥墩基底埋深计算（1）左滩 左河滩一般冲刷深度在第二层，VH1=0.34m/s，hP=9.69m，墩前行近流速（冲止流速）：,桥墩计算宽度：,起冲流速：,因为，不会发生局部冲刷，为安全计，取局部冲刷结束水深至第二层底，故hb=0.49m。,假设局部冲刷深入第三层，取=6.49mm，起动流速，按65-1公式：,左滩桥墩基底埋置高程：,左桥台基底高程取与桥墩相同。,局部冲刷坑底仍在第一层。基底埋深安全值取2.0m，右河滩桥墩基底埋置高程：,右桥台基底高程取与桥墩相同。,桥墩局部冲刷是如何形成的？,6.2.5 数值计算法简介 略,6.3 小桥涵进出口沟床处理,略,作业：P.203 习题：6-1,
