橋涵水文橋墩和橋臺沖刷(下).ppt

1、第六章 橋墩和橋臺沖刷,武漢理工大學(xué)交通學(xué)院,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,河上建橋后，橋下過水?dāng)嗝媸軌嚎s減少，橋下流速增大，水流挾沙能力相應(yīng)增強(qiáng)，橋下河床全斷面內(nèi)發(fā)生的普遍沖刷，稱為一般沖刷。隨著一般沖刷的發(fā)展，橋下過水?dāng)嗝嬷饾u加大，流速又將逐漸下降，當(dāng)達(dá)到新的輸沙平衡狀態(tài)，或者橋下流速降低到河床質(zhì)的允許不沖刷流速時，沖刷即行停止，一般沖刷深度至此達(dá)到最大。橋下河床在一般沖刷完成后，從設(shè)計(jì)水位算起的某一垂線水深，稱之該垂線處的一般沖刷深度,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,橋下一般沖刷可按下述三類公式計(jì)算： 一 按輸沙平衡建立的公式 二 按沖止流速建立的公式 三 根據(jù)別列柳伯斯基假定建立的公

2、式,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,一 按輸沙平衡原理建立的公式 原理： 建橋后，若上游天然河槽斷面輸移來的泥沙量(來沙量) 較少，不足以補(bǔ)償橋下河流斷面被水流沖走的泥沙量(排沙量) ，。則橋下河流斷面的來沙呈小于水流挾沙能力，橋下斷面發(fā)生沖刷。 隨著沖刷的發(fā)展，橋下河槽斷面的水流挾沙能力逐漸降低，上游來沙則和橋下排沙量將逐漸接近以至相等，此時橋下河槽斷面達(dá)到輸沙平衡。沖刷隨之停止，一般沖刷深度達(dá)到最大。根據(jù)上述輸沙平衡的概念可以建立一般沖刷深度計(jì)算公式,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,一 按輸沙平衡原理建立的公式 橋下河槽的一般沖刷主要是通過推移質(zhì)移動實(shí)現(xiàn)的，因而可根據(jù)橋下河流斷面推移質(zhì)輸沙

3、量的平衡條件，導(dǎo)出一般沖刷計(jì)算公式,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,一 按輸沙平衡原理建立的公式,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,一 按輸沙平衡原理建立的公式,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,一 按輸沙平衡建立的公式1964年甘城道 Bi，Qi分別為上下游兩天然斷面的河槽寬度、流量。 此公式各參數(shù)含義及其推求,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,一 按輸沙平衡建立的公式 642簡化公式,公路橋位勘測設(shè)計(jì)規(guī)范推薦使用本簡化公式,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,二按沖止流速建立的公式 原理： 橋下一般沖刷停止時的垂線平均流速，稱為不沖刷流速，工程界常稱之為沖止流速。按此概念假定當(dāng)橋下河槽斷面內(nèi)任一垂線

4、的平均流速達(dá)到?jīng)_止流速時，此垂線處沖刷停止，至此，一般沖刷深度達(dá)到最大，此時的最大水深即為所求一般沖刷深度,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,二按沖止流速建立的公式 1.沙性土河槽的一般沖刷,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,二按沖止流速建立的公式 1.沙性土河槽的一般沖刷-（64-1公式,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,二按沖止流速建立的公式 2.沙質(zhì)河灘的一般沖刷 沙質(zhì)河灘內(nèi)，有推移質(zhì)運(yùn)動，沖刷過程中又有上游來沙的補(bǔ)償。隨著一般沖刷的發(fā)展，橋下各垂線處的單寬流量將進(jìn)行再分配。有向深水垂線集中的趨勢，河槽越寬淺、越不穩(wěn)定，單寬流量的集中趨勢越強(qiáng),第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,二按沖止流速建立的

5、公式 2.沙質(zhì)河灘的一般沖刷,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,二按沖止流速建立的公式 2.沙質(zhì)河灘的一般沖刷,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,二按沖止流速建立的公式 2.沙質(zhì)河灘的一般沖刷,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,二按沖止流速建立的公式 3.粘性土河床的橋下斷面一般沖刷 我國鐵路部門根據(jù)一定數(shù)量實(shí)際橋梁的資料，對粘性土河流的橋下一般沖刷進(jìn)行了分析研究，于1979年提出了調(diào)查分析報(bào)告，闡述了粘性土河床沖刷的特點(diǎn)，認(rèn)為沖止流速與粘性土的性質(zhì)有直接關(guān)系，并推薦了使用公式,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,二按沖止流速建立的公式 3.粘性土河床的橋下斷面一般沖刷 按泥沙顆粒的大小進(jìn)行分類，一般認(rèn)

6、為粒徑小于0.05-m的泥沙，屬于粘性土。粒徑小于0.005mm的顆粒稱為粘粒，按粘粒的含量(所占重量百分比)不同，粘性土又分為粘砂土、砂粘上和粘土。 粘性土的主要特點(diǎn)是顆粒很細(xì)，在顆粒表面形成很薄而且結(jié)合很牢的粘結(jié)水膜，粘滯性很大，使顆粒之間產(chǎn)生一定的粘結(jié)力。枯性土的抗沖能力決定于粘結(jié)力的大小，粘結(jié)力越大，抗沖能力越強(qiáng),第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,二按沖止流速建立的公式 3.粘性土河床的橋下斷面一般沖刷 粘性土的物理狀態(tài)及性質(zhì)，與含水量有密切關(guān)系，直接影響顆粒間粘結(jié)力的大小。含水量是上中所含水重與顆粒重量的比值(以百分?jǐn)?shù)表示)，粘性上隨著含水量的增大，可以由固態(tài)變成流態(tài)，物理力學(xué)性質(zhì)也隨

7、之而變化，其變化情況如下,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,二按沖止流速建立的公式 3.粘性土河床的橋下斷面一般沖刷 粘性土的液性指數(shù)：若粘性土的含水量極小，不足以形成粘結(jié)水膜，則顆粒分散無粘結(jié)力；若含水量過大，在分子力達(dá)到的水膜范圍以外，還存在著自由水，粘結(jié)力反而減小，甚至變成流態(tài)。含水量越接近塑限，粘結(jié)力越大，抗沖能力也越強(qiáng)，含水量達(dá)到塑限時，則粘結(jié)力最大，抗沖能力最強(qiáng),第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,二按沖止流速建立的公式 3.粘性土河床的橋下斷面一般沖刷 流限含水量與塑限含水量的差值，稱為塑性指數(shù)，以IP表示。塑性指數(shù)表示粘性土的可塑性大小，能反映粘性士的性質(zhì)，是粘性土分類的指標(biāo)，對顆粒

8、間的 粘結(jié)力也有影響。粘性土中含有顆粒極細(xì)的粘粒越多，形成的粘結(jié)水膜也越多，粘結(jié)力就越大，而且極細(xì)顆粒的含量越多，粘性土的可塑性就越大，塑性指數(shù)也越大。因此，塑性指數(shù)也能反映粘結(jié)力的大小，塑性指數(shù)越大，表示顆粒間的粘結(jié)力越大，抗沖刷能力越強(qiáng),第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,二按沖止流速建立的公式 3.粘性土河床的橋下斷面一般沖刷 粘性土的液性指數(shù),第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,二按沖止流速建立的公式 3.粘性土河床的橋下斷面一般沖刷 1）河槽部分 沖止流速： 一般沖刷完成后水深,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,二按沖止流速建立的公式 3.粘性土河床的橋下斷面一般沖刷 2）河灘部分,第三節(jié) 橋

9、下河床斷面的一般沖刷,三.根據(jù)別列柳伯斯基的假定建立的公式 包爾達(dá)柯夫根據(jù)別列柳伯斯基的假定，認(rèn)為橋下流速達(dá)到天然河流流速時，橋下沖刷即停止，而且同一垂線處，沖刷后的水深與沖刷前的水深成正比，并于本世紀(jì)三十年代建立了計(jì)算橋下一般沖刷的經(jīng)驗(yàn)公式，稱為包爾達(dá)柯夫公式，適用于穩(wěn)定性河段的河槽部分,第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,三.根據(jù)別列柳伯斯基的假定建立的公式 1） 河槽土質(zhì)均勻時可按下式計(jì)算： 式巾，hp一般沖刷后的垂線水深(m)， h一沖刷前相應(yīng)的垂線水深(m)， A實(shí)橋下實(shí)際過水面積 p為沖刷系數(shù),第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷,三.根據(jù)別列柳伯斯基假定建立的公式 2） 河槽土質(zhì)不均勻時可

10、按下式計(jì)算,1 根據(jù)輸沙平衡原理建立的公式 2 根據(jù)沖止流速建立的公式 3 根據(jù)別列柳伯斯基假定建立的公式,第三節(jié) 小 結(jié),本節(jié)課到此結(jié)束,第四節(jié) 橋墩的局部沖刷,流向橋墩的水流受到墩身的阻擋，橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化，水流的繞流使流線急劇彎曲，床面附近形成漩渦，劇烈掏刷橋墩迎水端和周圍的泥沙，形成局部沖刷坑，隨著沖刷坑的不斷加深和擴(kuò)大，坑底流速逐漸降低，水流挾沙能力隨之喊弱，上游進(jìn)入沖刷坑的泥沙與水流沖走的泥沙趨向平衡，同時，沖刷坑底的泥沙逐漸粗化。坑底粗糙程度增大，抗沖能力增強(qiáng)，使水流的沖刷作用與床沙的抗沖作用也趨向平衡，沖刷隨之停止，局部沖刷坑達(dá)到最深。沖刷坑外緣與橋墩前端坑底的最

11、大高差，就是最大局部沖刷深度,第四節(jié) 橋墩的局部沖刷,一 橋墩局部沖刷的機(jī)理,第四節(jié) 橋墩的局部沖刷,一 橋墩局部沖刷的機(jī)理,第四節(jié) 橋墩的局部沖刷,沖刷深度與行近流速關(guān)系 橋墩局部沖刷深度與沖向橋墩的水流速度(以垂線平均流速表示)有關(guān)。當(dāng)速度V增大到一定程度時，橋墩迎水面兩側(cè)的泥沙首先被水流沖走，床面開始沖刷，此時沖向橋墩的水流行近流速（垂線平均流速）稱為橋墩起沖流速v0。橋墩起沖流速v0一般為床沙起動流速v0的0.40.6倍。 流速小于v0 的沖刷為清水沖刷，大于v0 的為動床沖刷,第四節(jié) 橋墩的局部沖刷,沖刷深度與行近流速關(guān)系 根據(jù)模型試驗(yàn)和觀測資料可知，橋墩局部沖刷深度與涌向橋墩的流速

12、V有關(guān)。 當(dāng)V逐漸增大到一定數(shù)值時，橋墩迎水面兩側(cè)的泥沙開始被沖走而產(chǎn)生沖刷，此時涌向橋墩的垂線平均流速稱為墩旁床沙的起沖流速v0。 當(dāng)v大于V0 （V表示河床泥沙的起動流速)并繼續(xù)增大時，沖刷坑逐漸加深和擴(kuò)大，局部沖刷深度與V近似呈直線關(guān)系增大， 當(dāng)V增大到V。時，床面泥沙大量起動，上游來的泥沙有些將潛留在沖刷坑內(nèi)，因此當(dāng)VV0并繼續(xù)增大時，沖刷坑深度的增長因有泥沙補(bǔ)給而減緩，局部沖刷深度hb與V呈曲線關(guān)系,第四節(jié) 橋墩的局部沖刷,沖刷深度與行近流速關(guān)系,第四節(jié) 橋墩的局部沖刷,沖刷深度與行近流速關(guān)系,第四節(jié) 橋墩的局部沖刷,二 65-2公式和65-2修正公式 當(dāng)v不大于v0時： 當(dāng)v大于v

13、0時,第四節(jié) 橋墩的局部沖刷,65-2公式,第四節(jié) 橋墩的局部沖刷,65-2公式,第四節(jié) 橋墩的局部沖刷,65-2公式,第四節(jié) 橋墩的局部沖刷,65-2修正公式 修正公式： d為沖刷層內(nèi)泥沙平均粒徑 橋墩起沖流速,第四節(jié) 橋墩的局部沖刷,65-2修正公式,第四節(jié) 橋墩的局部沖刷,65-2修正公式,第四節(jié) 橋墩的局部沖刷,三 粘性土河床橋墩局部沖刷公式 當(dāng)hp2.5B1時： 當(dāng)hp2.5B1時,第四節(jié) 橋墩的局部沖刷,第四節(jié) 橋墩的局部沖刷,四、行近水深和行近流速 取一般沖刷后最大水深作為行近水深和一般沖刷后垂線平均流速作為行近流速。 1）按輸沙平衡原理公式計(jì)算一般沖刷時： 2）按沖止流速公式計(jì)

14、算一般沖刷深度時，取該公式對應(yīng)的沖止流速公式計(jì)算,本節(jié)課到此結(jié)束,第五節(jié) 橋臺沖刷,一 橋臺繞流的水流結(jié)構(gòu) 橋臺附件的水流由主流區(qū)，下游回流區(qū)和上游滯流區(qū)三部分組成,第五節(jié) 橋臺沖刷,一 橋臺繞流的水流結(jié)構(gòu),第五節(jié) 橋臺沖刷,一 橋臺繞流的水流結(jié)構(gòu),第五節(jié) 橋臺沖刷,一 橋臺繞流的水流結(jié)構(gòu) 橋臺上下游的流速分布如下,第五節(jié) 橋臺沖刷,一 橋臺繞流的水流結(jié)構(gòu),第五節(jié) 橋臺沖刷,二 橋臺沖刷計(jì)算 1 沙性土河床,第五節(jié) 橋臺沖刷,二 橋臺沖刷計(jì)算 1 沙性土河床,第五節(jié) 橋臺沖刷,二 橋臺沖刷計(jì)算 1 沙性土河床,第五節(jié) 橋臺沖刷,二 橋臺沖刷計(jì)算 橋臺挑角系數(shù),橋臺形狀系數(shù),第五節(jié) 橋臺沖刷,二 橋臺沖刷計(jì)算 1 沙性土河床： 引入挑角系數(shù)Ca和橋臺形狀系數(shù)CA，則,第五節(jié) 橋臺沖刷,2 粘性土河床,本節(jié)課到此結(jié)束,第六節(jié) 最低沖刷線高程,一 最低沖刷線高程 橋墩的最低沖刷線高程Hmin（ m）為： 橋臺的最低沖刷線高程Hmin（ m）為： 上式中h為橋臺所在位置的平均水深,第六節(jié) 最低沖刷線高程,一 最低沖刷線高程,第六節(jié) 最低沖刷線高程,一 最低沖刷線高程,第六節(jié) 最低沖刷線高程,二 習(xí)題 某二級公路跨越某平原次穩(wěn)定河段，基本資料如下,第六節(jié) 最低沖刷線高程,二 習(xí)題（接上頁,第六節(jié) 最低沖刷線高程,二 習(xí)題（接上頁,第六節(jié) 最低沖刷線高程,