橋涵水文 第七章 橋墩橋臺(tái)沖刷計(jì)算

1、橋涵水文六安市舒城縣七里河大橋水毀隱患 第七章 橋墩和橋臺(tái)沖刷橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)引 言2021-9-22為了使設(shè)計(jì)洪水在橋下安全通過(guò)，不但要有足夠的為了使設(shè)計(jì)洪水在橋下安全通過(guò)，不但要有足夠的橋孔長(zhǎng)度橋孔長(zhǎng)度和和橋梁高度橋梁高度，而且橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)還必須有足夠的埋置深度。在考慮基礎(chǔ)埋置深度，而且橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)還必須有足夠的埋置深度。在考慮基礎(chǔ)埋置深度時(shí)，時(shí)，必須考慮到必須考慮到橋梁墩臺(tái)的沖刷問(wèn)題橋梁墩臺(tái)的沖刷問(wèn)題。 橋梁墩臺(tái)沖刷是一個(gè)綜合沖刷過(guò)程，可分為橋梁墩臺(tái)沖刷是一個(gè)綜合沖刷過(guò)程，可分為三部分三部分：橋位河段因河：橋位河段因河床自然演變而引起河床的床自然演變而引起河床的自然演變沖刷自然演變沖刷；

2、因；因建橋壓縮水流建橋壓縮水流而引起橋下整個(gè)而引起橋下整個(gè)河床斷面普遍存在的河床斷面普遍存在的一般沖刷一般沖刷；由于；由于橋墩臺(tái)（結(jié)構(gòu)物）阻水橋墩臺(tái)（結(jié)構(gòu)物）阻水而引起的河床而引起的河床局部沖刷局部沖刷。 橋梁墩臺(tái)沖刷是受多種因素同時(shí)交叉影響產(chǎn)生的，但是為了便于研橋梁墩臺(tái)沖刷是受多種因素同時(shí)交叉影響產(chǎn)生的，但是為了便于研究和計(jì)算，我們把墩臺(tái)周圍總的沖刷深度，究和計(jì)算，我們把墩臺(tái)周圍總的沖刷深度，假定為這三種沖刷先后進(jìn)行，假定為這三種沖刷先后進(jìn)行，分別計(jì)算，然后疊加分別計(jì)算，然后疊加。橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)引 言2021-9-23橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)河床演變和河相關(guān)系 2泥沙運(yùn)動(dòng) 3 1橋下河床斷面的一般

3、沖刷 3 3橋墩局部沖刷 4橋臺(tái)沖刷 3 5最低沖刷線高程和計(jì)算實(shí)例6主要內(nèi)容2021-9-24橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.1 7.1 泥沙運(yùn)動(dòng)泥沙運(yùn)動(dòng) 天然河床是由大小不同，形狀各異的泥沙顆粒組成的。根據(jù)泥沙在天然河床是由大小不同，形狀各異的泥沙顆粒組成的。根據(jù)泥沙在河槽內(nèi)河槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，分為，分為懸移質(zhì)懸移質(zhì)和和推移質(zhì)推移質(zhì)兩類。兩類。 懸移質(zhì)懸移質(zhì)：懸浮于水中向下游運(yùn)動(dòng)，一般顆粒比較細(xì)；：懸浮于水中向下游運(yùn)動(dòng)，一般顆粒比較細(xì)； 推移質(zhì)推移質(zhì)：顆粒稍大的泥沙，在床面上滾動(dòng)、滑動(dòng)或跳躍著間歇性地：顆粒稍大的泥沙，在床面上滾動(dòng)、滑動(dòng)或跳躍著間歇性地向下游移動(dòng)，前進(jìn)的速度遠(yuǎn)小于水流的流速。向

4、下游移動(dòng)，前進(jìn)的速度遠(yuǎn)小于水流的流速。 床床 沙沙：比推移質(zhì)顆粒更大的泥沙，則下沉到河床床面靜止不動(dòng)。：比推移質(zhì)顆粒更大的泥沙，則下沉到河床床面靜止不動(dòng)。 懸移質(zhì)、推移質(zhì)和床沙之間顆粒大小的分界是相對(duì)的，是隨水流流懸移質(zhì)、推移質(zhì)和床沙之間顆粒大小的分界是相對(duì)的，是隨水流流速大小而變化的速大小而變化的 對(duì)橋梁上下游，因水流急劇變化，引起河床變形和橋墩附近的沖刷對(duì)橋梁上下游，因水流急劇變化，引起河床變形和橋墩附近的沖刷，起主要作用的是，起主要作用的是推移質(zhì)推移質(zhì)和和床沙床沙。2021-9-25橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.1 7.1 泥沙運(yùn)動(dòng)泥沙運(yùn)動(dòng) 一、泥沙主要特性一、泥沙主要特性 1. 幾何特性粒徑（d

5、）顆粒級(jí)配曲線平均粒徑中值粒徑（d50）dniiniiiPPdd112021-9-26橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.1 7.1 泥沙運(yùn)動(dòng)泥沙運(yùn)動(dòng) 一、泥沙主要特性一、泥沙主要特性 2. 重力特性 泥沙重力特性用泥沙顆粒實(shí)體的單位體積的重力來(lái)表示，稱為容重s（或重度）。 3. 水力特性 泥沙的水力特性，用泥沙顆粒在靜止的清水中均勻下沉的速度來(lái)表示，稱為沉速，符號(hào)為（cm/s）。2021-9-27橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.1 7.1 泥沙運(yùn)動(dòng)泥沙運(yùn)動(dòng) 二、泥沙的起動(dòng)二、泥沙的起動(dòng) 在水流推動(dòng)下，床面泥沙顆粒由靜止開始運(yùn)動(dòng)，稱為泥沙的起動(dòng)。泥沙起動(dòng)是泥沙運(yùn)動(dòng)和河床變形開始的臨界狀態(tài)。 泥沙顆粒的起動(dòng)，是床面泥沙顆粒

6、受到的驅(qū)動(dòng)力和抗拒力以及這些力產(chǎn)生的力矩失去平衡的結(jié)果。泥沙顆粒周圍的水流和受力狀態(tài)如圖所示。2021-9-28橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.1 7.1 泥沙運(yùn)動(dòng)泥沙運(yùn)動(dòng) 二、泥沙的起動(dòng)二、泥沙的起動(dòng) 泥沙起動(dòng)條件可用起動(dòng)流速v0和起動(dòng)床面切應(yīng)力0兩種形式來(lái)表示。我國(guó)橋梁沖刷計(jì)算中，采用起動(dòng)流速作為判別床面泥沙運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。 起動(dòng)流速就是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（m/s）。張瑞瑾(7-12)5 . 072. 014. 0010000000605. 029dhddhv沙玉清(7-13)2 . 05 . 0475. 007 . 01 . 143. 0hddv

7、2021-9-29橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.1 7.1 泥沙運(yùn)動(dòng)泥沙運(yùn)動(dòng) 三三、沙波運(yùn)動(dòng)、沙波運(yùn)動(dòng) 沙質(zhì)河床的床面泥沙在水流作用下，泥沙起動(dòng)后出現(xiàn)推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，形成床面沙波。沙波的形態(tài)與水流強(qiáng)度密切相關(guān)，當(dāng)弗汝德數(shù)很小時(shí)，床面出現(xiàn)沙波，當(dāng)弗汝德數(shù)增大到一定程度后，沙波成長(zhǎng)為沙壟；水流強(qiáng)度再增大，則沙壟成長(zhǎng)為沙丘。 沙波沙谷對(duì)基礎(chǔ)埋深的影響。2021-9-210橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.1 7.1 泥沙運(yùn)動(dòng)泥沙運(yùn)動(dòng) 四四、推移質(zhì)輸沙率、推移質(zhì)輸沙率 起動(dòng)流速是推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的條件，而推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的起動(dòng)流速是推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的條件，而推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈程度強(qiáng)烈程度則用則用推移推移質(zhì)輸沙率質(zhì)輸沙率來(lái)表示；來(lái)表示； 推移

8、質(zhì)輸沙率推移質(zhì)輸沙率是單位時(shí)間內(nèi)在過(guò)水?dāng)嗝鎲挝缓硬蹖挾壬?，通過(guò)的推栘質(zhì)的質(zhì)量，單位是kgs.m。我國(guó)一般采用以流速為主要參數(shù)的推栘質(zhì)輸沙率公式。 式（7-15）表明，推移質(zhì)輸沙率gb與流速4次方成正比，表明推移質(zhì)輸沙率對(duì)流速十分敏感。因此，大多數(shù)推移質(zhì)集中在流速最大的主流區(qū)內(nèi)，而且一年中推移質(zhì)的很大部分是在幾次大洪水過(guò)程中通過(guò)的。 橋梁墩臺(tái)和丁壩等建筑物附近的沖刷，主要與推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。gvvvCKgkssb32002021-9-211橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.1 7.1 泥沙運(yùn)動(dòng)泥沙運(yùn)動(dòng) 五五、含沙量和攜沙能力、含沙量和攜沙能力 含沙量(g)是單位體積內(nèi)水流中所含懸移質(zhì)的質(zhì)量，單位是kg/m3。

9、在一定的水力條件和邊界條件下，單位體積的水流，能夠挾帶泥沙的最大數(shù)量(質(zhì)量)，包括懸移質(zhì)和推移質(zhì)的全部泥沙數(shù)量，稱為水流的挾沙能力。對(duì)于顆粒很細(xì)的平原區(qū)河流，懸栘質(zhì)占絕大部分，挾沙能力可近似地用最大含沙量來(lái)表示。2021-9-212橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.1 7.1 泥沙運(yùn)動(dòng)泥沙運(yùn)動(dòng) 六六、河床粗化、河床粗化 在沖刷河段內(nèi)，床沙中的細(xì)顆粒泥沙被水流沖走，上游來(lái)沙中的粗顆粒泥沙慢慢沉下來(lái)，這樣，河床表面層的泥沙粒徑逐漸增大，形成自然鋪砌的現(xiàn)象，稱為河床床面的粗化。水庫(kù)下游、橋梁上下游等沖刷河段的床面都有床面粗化現(xiàn)象。2021-9-213橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.2 7.2 河床演變和河相關(guān)系河床演變和河相

10、關(guān)系 河床演變：在天然狀況或人類活動(dòng)的干擾后，河床形態(tài)逐漸發(fā)生變化的過(guò)程和現(xiàn)象。 河床演變是水流與河床的相互作用的結(jié)果。2021-9-214橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.2 7.2 河床演變和河相關(guān)系河床演變和河相關(guān)系 一一、副流、副流 副流：河床中，水流內(nèi)部從屬于主流而存在的尺度較大的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)。 副流與漩渦流不同，它是一種位置和旋轉(zhuǎn)中心相對(duì)穩(wěn)定的、明顯的、大尺度的高速漩渦或環(huán)流。副流的存在是河床沖淤變形的直接原因，對(duì)于河床中建筑物（橋涵、堤壩、涵閘等）引起的各種副流，必須密切注意。立軸副流（回流，橋梁墩臺(tái)前后的匯水區(qū)）平軸副流（滾流，水躍的滾流區(qū)）順軸副流（螺旋流，河流彎道）2021-9-215橋涵水

11、文長(zhǎng)安大學(xué)7.2 7.2 河床演變和河相關(guān)系河床演變和河相關(guān)系n立軸立軸副流副流 形成于橋臺(tái)前緣、丁壩頭部或河槽寬度突變處；水流在此擾流，產(chǎn)生邊界層分離，在分離點(diǎn)靠近邊界一側(cè)形成高速旋轉(zhuǎn)的立軸漩渦，漩渦不停地向下游傳播和擴(kuò)展，形成下游的回流區(qū)。 其結(jié)果使分離點(diǎn)床面形成沖刷坑，下游回流區(qū)產(chǎn)生淤積。2021-9-216橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.2 7.2 河床演變和河相關(guān)系河床演變和河相關(guān)系n平軸平軸副流副流 形成與急流與緩流銜接處，水面產(chǎn)生面滾，水底產(chǎn)生底滾。 多發(fā)生在小橋涵出口處，底滾造成垂裙沖刷，引起小橋涵的水毀。2021-9-217橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.2 7.2 河床演變和河相關(guān)系河床演變和河相

12、關(guān)系 通過(guò)彎道的水流在重力和離心力的共同作用下，面流流向凹岸，底流流向凸岸，形成向前流動(dòng)的螺旋流。河灣螺旋流的旋轉(zhuǎn)軸方向與主流流向一致，稱為順軸副流。 螺旋流在橫斷面上的投影，稱為斷面橫向環(huán)流，使凹岸沖刷，凸岸淤積；凹岸沖刷在彎道出口斷面附近沖刷最深。凹岸超高：n順軸順軸副流副流2021-9-2180.240.170.05max1.48()()( )smcBBhhh CRdh橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.2 7.2 河床演變和河相關(guān)系河床演變和河相關(guān)系 二二、河床演變、河床演變縱向變形縱向變形橫向變形橫向變形河流河流斷面形態(tài)斷面形態(tài)的變化。的變化。 河床演變是水流與泥沙長(zhǎng)期河床演變是水流與泥沙長(zhǎng)期相互作

13、用的結(jié)果，并通過(guò)相互作用的結(jié)果，并通過(guò)泥沙運(yùn)泥沙運(yùn)動(dòng)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)；來(lái)實(shí)現(xiàn)；2021-9-219橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.2 7.2 河床演變和河相關(guān)系河床演變和河相關(guān)系 二二、河床演變、河床演變 河道輸沙不平衡是河床演變的根本原因。當(dāng)上游來(lái)沙量大于本河段的水流挾沙能力時(shí)，產(chǎn)生淤積，河床升高。當(dāng)上游來(lái)沙量小于本河段的水流挾沙能力時(shí)，產(chǎn)生沖刷，河床下降。當(dāng)上游來(lái)沙量等于本河段的水流挾沙能力時(shí)，達(dá)到輸沙平衡，河床基本穩(wěn)定。 河道輸沙不平衡包括縱向輸沙不平衡和橫向輸沙不平衡，分別影響河道縱斷面和橫斷面的演變形態(tài)。2021-9-220橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.2 7.2 河床演變和河相關(guān)系河床演變和河相關(guān)系 二二、河床

14、演變、河床演變縱向變形縱向變形河流縱向輸沙不平衡引起河床沿水流方向高程的河流縱向輸沙不平衡引起河床沿水流方向高程的變化，亦即河流縱斷面的變化稱為縱向變形；變化，亦即河流縱斷面的變化稱為縱向變形；橫向變形橫向變形河流橫向輸沙不平衡導(dǎo)致河灣發(fā)展，河槽拓寬、河流橫向輸沙不平衡導(dǎo)致河灣發(fā)展，河槽拓寬、分汊、改道、裁彎等河床平面形狀的變化，稱為分汊、改道、裁彎等河床平面形狀的變化，稱為2021-9-221橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.2 7.2 河床演變和河相關(guān)系河床演變和河相關(guān)系 二二、河床演變、河床演變 橋墩、橋臺(tái)、丁壩等建筑物周圍，高速旋轉(zhuǎn)的繞流旋渦卷起床面泥沙，帶往下游，形成局部沖刷。 河槽河槽中床面泥沙

15、處于運(yùn)動(dòng)之中，橋墩局部沖刷停止的條件為單位時(shí)間內(nèi)上游落入沖刷坑內(nèi)的泥沙量與旋渦卷走的泥沙量相等，即達(dá)到輸沙平衡時(shí)，輸沙平衡時(shí)，沖刷就停止沖刷就停止； 河灘河灘水深小，床面糙率大，流速小(一般河灘流速小于床面起動(dòng)流速)，床面泥沙處于靜止?fàn)顟B(tài)，墩臺(tái)周圍泥沙被繞流旋渦帶走而形成的沖刷坑內(nèi)，沒(méi)有來(lái)沙的補(bǔ)給沒(méi)有來(lái)沙的補(bǔ)給，隨沖刷深度增大，繞流流速逐漸減小，當(dāng)流速降低到坑內(nèi)當(dāng)流速降低到坑內(nèi)泥沙起動(dòng)流速時(shí)，沖刷就停止泥沙起動(dòng)流速時(shí)，沖刷就停止。 習(xí)慣上，河槽中墩臺(tái)的沖刷稱為動(dòng)床沖刷，河灘中墩臺(tái)的沖刷稱為清水沖刷。2021-9-222橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.2 7.2 河床演變和河相關(guān)系河床演變和河相關(guān)系 二二、

16、河床演變、河床演變 當(dāng)河床因外界條件變化面出現(xiàn)沖刷后，過(guò)水?dāng)嗝嬷饾u增大，流速逐漸減小，挾沙能力減弱，同時(shí)床面粗化，抗沖能力增強(qiáng)，沖刷過(guò)程逐漸減緩，沖刷趨向停止；對(duì)于淤積河段，也有這種使河床變形逐漸減緩，使變形趨向停止的現(xiàn)象。沖積河流水沙相互作用，產(chǎn)生河床變形，然后又使其趨于停止的現(xiàn)象，稱為沖積河流的自動(dòng)調(diào)整現(xiàn)象。2021-9-223橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.2 7.2 河床演變和河相關(guān)系河床演變和河相關(guān)系 二二、河床演變、河床演變 影響河床演變的因素是非常復(fù)雜的，但對(duì)于任何一個(gè)河段，影響水流與河床相互作用的主要因素有如下幾個(gè)方面： （1）上游河段的來(lái)水量及其變化過(guò)程； （2）上游河段的來(lái)沙量、來(lái)沙組

17、成及其變化過(guò)程； （3）河段的河道比降及其變化過(guò)程； （4）河段的河床形態(tài)及地質(zhì)情況。 2021-9-224橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.2 7.2 河床演變和河相關(guān)系河床演變和河相關(guān)系 三三、河相關(guān)系、河相關(guān)系 沖積河床在水沙長(zhǎng)期相互作用下，逐漸形成一種均衡的河床形態(tài)。 描述這些河床均衡形態(tài)的幾何因素幾何因素(河寬B、平均水深h、比降i、彎道半徑R等)與來(lái)水來(lái)水，來(lái)沙條件來(lái)沙條件(Q、d等)存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，稱為河相關(guān)系，又稱均衡關(guān)系。2021-9-225橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.2 7.2 河床演變和河相關(guān)系河床演變和河相關(guān)系 三三、河相關(guān)系、河相關(guān)系n造床流量：造床流量：在為了研究河相關(guān)系，引用一個(gè)與

18、多年連續(xù)綜合造床作用相當(dāng)為了研究河相關(guān)系，引用一個(gè)與多年連續(xù)綜合造床作用相當(dāng)?shù)哪硞€(gè)流量數(shù)值作為代表流量，稱為造床流量；的某個(gè)流量數(shù)值作為代表流量，稱為造床流量；n最大洪水流量對(duì)河床作用強(qiáng)烈，但歷時(shí)短，造床作用不是最大；枯水流量歷時(shí)長(zhǎng)，但流量小，造床作用也不是最大，因而，造床流量應(yīng)該是一個(gè)比較大，而歷時(shí)比較長(zhǎng)的某一級(jí)洪水流量。n橋位設(shè)計(jì)中，通常采用通常采用與平灘水位相應(yīng)的流量作為造床流量。因?yàn)樗簧摺⒙r(shí)，水流分散，造床作用降低；水位低于灘面時(shí)，流速較小，造床作用也不是最強(qiáng)。n對(duì)于河灘河槽難以劃分的游蕩性、變遷性河段，可用對(duì)于河灘河槽難以劃分的游蕩性、變遷性河段，可用多年平均的最大洪水多年平

19、均的最大洪水流量流量作為造床流量作為造床流量2021-9-226橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.2 7.2 河床演變和河相關(guān)系河床演變和河相關(guān)系 三三、河相關(guān)系、河相關(guān)系 我國(guó)公路橋孔長(zhǎng)度的確定和橋墩沖刷計(jì)算，都應(yīng)用了河相關(guān)系式。 1.基本河寬公式2. 河槽寬度和水深的關(guān)系單寬流量集中系數(shù)2021-9-227橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.3 7.3 橋下河床斷面的自然沖刷橋下河床斷面的自然沖刷 由于影響河床演變的因素非常多，而且錯(cuò)綜復(fù)雜，難以得由于影響河床演變的因素非常多，而且錯(cuò)綜復(fù)雜，難以得到可靠的計(jì)算結(jié)果。目前在實(shí)際工作中，主要通過(guò)到可靠的計(jì)算結(jié)果。目前在實(shí)際工作中，主要通過(guò)實(shí)地調(diào)查實(shí)地調(diào)查或或參考類似河流的觀

20、測(cè)資料參考類似河流的觀測(cè)資料，結(jié)合河段的特點(diǎn)和整治規(guī)劃，估計(jì)，結(jié)合河段的特點(diǎn)和整治規(guī)劃，估計(jì)建橋以后可能發(fā)生的河床演變，作為設(shè)計(jì)橋梁墩臺(tái)的自然沖刷建橋以后可能發(fā)生的河床演變，作為設(shè)計(jì)橋梁墩臺(tái)的自然沖刷深度。深度。 在實(shí)際工作中，一般可根據(jù)橋位河段的類型，通過(guò)選擇在實(shí)際工作中，一般可根據(jù)橋位河段的類型，通過(guò)選擇“計(jì)算斷面計(jì)算斷面”的方法來(lái)確定自然沖刷深度。的方法來(lái)確定自然沖刷深度。2021-9-228橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.3 7.3 橋下河床斷面的自然沖刷橋下河床斷面的自然沖刷平原順直型河段：平原順直型河段：橋位上橋位上游附近最大水深斷面游附近最大水深斷面2021-9-229平原彎曲型河段：平原彎

21、曲型河段：橋位上橋位上游附近河灣半徑最小的河游附近河灣半徑最小的河 灣頂點(diǎn)斷面灣頂點(diǎn)斷面游蕩型和變遷型河段：游蕩型和變遷型河段：在在橋橋位斷面上、下游橋位河段內(nèi)位斷面上、下游橋位河段內(nèi)取若干河床斷面重疊后的外取若干河床斷面重疊后的外包線。包線。橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.3 7.3 橋下河床斷面的一般沖刷橋下河床斷面的一般沖刷 基本概念：基本概念： 一般沖刷一般沖刷：由于建橋后：由于建橋后壓縮水流壓縮水流而在橋下而在橋下河床全斷面河床全斷面內(nèi)發(fā)內(nèi)發(fā)生的普遍沖刷，稱為一般沖刷。生的普遍沖刷，稱為一般沖刷。 一般沖刷深度一般沖刷深度h hP P ：指橋下河床在一般沖刷完成后從設(shè)計(jì)水：指橋下河床在一般沖刷完

22、成后從設(shè)計(jì)水位算起的某一垂線水深。位算起的某一垂線水深。2021-9-230橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.3 7.3 橋下河床斷面的一般沖刷橋下河床斷面的一般沖刷河槽一般沖刷河槽一般沖刷h hP P的計(jì)算公式有以下三類：的計(jì)算公式有以下三類：第一類是按橋下第一類是按橋下河槽輸沙平衡原理河槽輸沙平衡原理建立的建立的64642 2簡(jiǎn)化公式簡(jiǎn)化公式和按和按垂垂線沖止流速線沖止流速建立的建立的64-164-1修正公式修正公式，此類公式用于，此類公式用于非粘性土非粘性土河床河床的一般沖刷計(jì)算；的一般沖刷計(jì)算；第二類是第二類是粘性土河槽一般沖刷公式粘性土河槽一般沖刷公式；第三類是第三類是包爾達(dá)柯夫公式包爾達(dá)柯夫公式

23、。2021-9-231橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.3 7.3 橋下河床斷面的一般沖刷橋下河床斷面的一般沖刷一、一、64-264-2簡(jiǎn)化公式簡(jiǎn)化公式輸沙平衡原理輸沙平衡原理原理原理：橋下河槽斷面的上游來(lái)沙量小于橋下斷面的水流：橋下河槽斷面的上游來(lái)沙量小于橋下斷面的水流挾沙能力，則發(fā)生沖刷。隨著沖刷的發(fā)生，橋挾沙能力，則發(fā)生沖刷。隨著沖刷的發(fā)生，橋下斷面增大，流速和挾沙能力逐漸減小。當(dāng)上下斷面增大，流速和挾沙能力逐漸減小。當(dāng)上游來(lái)沙量和橋下排沙量趨于平衡，沖刷趨于停游來(lái)沙量和橋下排沙量趨于平衡，沖刷趨于停止，達(dá)到最大沖刷深度。止，達(dá)到最大沖刷深度。上游斷面來(lái)沙量G1=下游段面輸沙G22211ssgBgBm

24、ax211221hBBQQAKhXXP2021-9-232橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.3 7.3 橋下河床斷面的一般沖刷橋下河床斷面的一般沖刷一、一、64-264-2簡(jiǎn)化公式簡(jiǎn)化公式輸沙平衡原理輸沙平衡原理 1964年“全國(guó)橋渡沖刷學(xué)術(shù)會(huì)議”推薦由交通部科學(xué)研究院甘城道研究員導(dǎo)出的公式為全國(guó)試用公式，即max32141211104. 1hBBQQAhmmP64-264-2簡(jiǎn)化公式（簡(jiǎn)化公式（1984-19901984-1990）max66. 02190. 012104. 1hBBQQAhP用于用于砂性土砂性土河床的一般沖刷計(jì)算河床的一般沖刷計(jì)算2021-9-233橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.3 7.3 橋下河

25、床斷面的一般沖刷橋下河床斷面的一般沖刷一、一、64-264-2簡(jiǎn)化公式簡(jiǎn)化公式輸沙平衡原理輸沙平衡原理max66. 02190. 012104. 1hBBQQAhP2021-9-234橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.3 7.3 橋下河床斷面的一般沖刷橋下河床斷面的一般沖刷二、根據(jù)沖止流速建立的公式二、根據(jù)沖止流速建立的公式 沖止流速：橋下一般沖刷停止時(shí)的垂線平均流速，以vz(m/s)表示。 橋下斷面內(nèi)任意垂線在一般沖刷過(guò)程中垂線平均流速降低到該垂線的沖止流速時(shí)，沖刷即停止，此時(shí)達(dá)到最大一般沖刷垂線水深hP。2021-9-235橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.3 7.3 橋下河床斷面的一般沖刷橋下河床斷面的一般沖刷一般

26、沖刷后一般沖刷后最大水深最大水深3/5max3/5maxmaxhhLQhhqqjs3/26/1pzhEdv zPvqhmax橋下平均單橋下平均單寬流量寬流量橋下最大單橋下最大單寬流量寬流量沖止流速?zèng)_止流速jsLQq3/55/3max216ccphQABhhEd稱為稱為64-1公式公式n 沙性土沙性土河槽河槽一般沖刷一般沖刷二、根據(jù)沖止流速建立的公式二、根據(jù)沖止流速建立的公式2021-9-236橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.3 7.3 橋下河床斷面的一般沖刷橋下河床斷面的一般沖刷一般沖刷深度一般沖刷深度5/11pHzhvv 沖止流速?zèng)_止流速n沙性土沙性土河灘河灘的一般沖刷的一般沖刷6/513/5Htmtt

27、tpvhhBQhstcttQQQQQ 二、根據(jù)沖止流速建立的公式二、根據(jù)沖止流速建立的公式2021-9-237橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.3 7.3 橋下河床斷面的一般沖刷橋下河床斷面的一般沖刷二、根據(jù)沖止流速建立的公式二、根據(jù)沖止流速建立的公式n粘性土粘性土河床的橋下斷面的一般沖刷河床的橋下斷面的一般沖刷3/510.33zpLvhI河槽部分河槽部分8/53/52133. 0LcmccpIhhBQAh沖止流速?zèng)_止流速一般沖刷一般沖刷深度深度2021-9-238橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.3 7.3 橋下河床斷面的一般沖刷橋下河床斷面的一般沖刷二、根據(jù)沖止流速建立的公式二、根據(jù)沖止流速建立的公式n粘性土粘性土河

28、床的橋下斷面的一般沖刷河床的橋下斷面的一般沖刷河灘部分河灘部分一般沖刷一般沖刷深度深度6/1133. 0pLzhIv7/63/5133. 0LtmtttpIhhBQAh沖止流速?zèng)_止流速2021-9-239橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.3 7.3 橋下河床斷面的一般沖刷橋下河床斷面的一般沖刷三、包爾達(dá)柯夫公式三、包爾達(dá)柯夫公式 根據(jù)別列柳伯斯基假定：認(rèn)為橋下流速達(dá)到天然河槽平均流速時(shí)，橋下根據(jù)別列柳伯斯基假定：認(rèn)為橋下流速達(dá)到天然河槽平均流速時(shí)，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。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。 1 1、河槽土質(zhì)均勻時(shí)：、河槽土

29、質(zhì)均勻時(shí)： 2 2、河槽土質(zhì)不均勻時(shí)：、河槽土質(zhì)不均勻時(shí)：hphqp12/phhp實(shí)AvQpcs12021-9-240橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.4 7.4 橋墩局部沖刷橋墩局部沖刷一、橋墩局部沖刷機(jī)理一、橋墩局部沖刷機(jī)理 橋墩周圍水流橋墩周圍水流 流向橋墩的水流受到橋墩阻擋，橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化，水流向橋墩的水流受到橋墩阻擋，橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化，水流的繞流使流的繞流使流線嚴(yán)重彎曲流線嚴(yán)重彎曲，床面附近形成螺旋形水流，劇烈淘刷橋墩周圍，床面附近形成螺旋形水流，劇烈淘刷橋墩周圍，特別是迎水面的河床泥沙，形成沖刷坑的現(xiàn)象，稱為特別是迎水面的河床泥沙，形成沖刷坑的現(xiàn)象，稱為局部沖刷局部

30、沖刷。引起局部沖。引起局部沖刷的水流結(jié)構(gòu)如圖所示。刷的水流結(jié)構(gòu)如圖所示。u橋前水面涌波u橋墩迎水面的下降水流u漩渦體系負(fù)壓吸起床沙2021-9-241橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.4 7.4 橋墩局部沖刷橋墩局部沖刷2021-9-242橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.4 7.4 橋墩局部沖刷橋墩局部沖刷2021-9-243橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.4 7.4 橋墩局部沖刷橋墩局部沖刷一、橋墩局部沖刷機(jī)理一、橋墩局部沖刷機(jī)理 根據(jù)模型試驗(yàn)和觀測(cè)資料可知，根據(jù)模型試驗(yàn)和觀測(cè)資料可知，橋墩局部沖刷深度橋墩局部沖刷深度與與涌向橋墩的流速涌向橋墩的流速V V有關(guān)。當(dāng)流速有關(guān)。當(dāng)流速V V逐漸增大到一定數(shù)值時(shí)，橋墩逐漸增大到一定數(shù)值

31、時(shí)，橋墩迎水面兩側(cè)的泥沙開始被沖走迎水面兩側(cè)的泥沙開始被沖走，產(chǎn)生沖刷，這時(shí)產(chǎn)生沖刷，這時(shí)涌向橋墩的垂線平均流速涌向橋墩的垂線平均流速稱為墩前床沙的稱為墩前床沙的起沖流速起沖流速V V0 0。當(dāng)。當(dāng)V V繼續(xù)增大時(shí)，沖刷坑逐漸加深和擴(kuò)大，沖刷坑深度繼續(xù)增大時(shí)，沖刷坑逐漸加深和擴(kuò)大，沖刷坑深度h hb b與涌向橋墩的流速與涌向橋墩的流速V V近近似呈直線關(guān)系。流速似呈直線關(guān)系。流速V V增大到河床泥沙的增大到河床泥沙的起動(dòng)流速起動(dòng)流速V V0 0時(shí)，床面泥沙大量起動(dòng)，時(shí)，床面泥沙大量起動(dòng)，上游來(lái)的泥沙有些將滯留在沖刷坑內(nèi)，因此，當(dāng)上游來(lái)的泥沙有些將滯留在沖刷坑內(nèi)，因此，當(dāng)VVVV0 0時(shí)，沖刷坑

32、的發(fā)展因有時(shí)，沖刷坑的發(fā)展因有大量泥沙補(bǔ)給而減緩，沖刷坑的深度大量泥沙補(bǔ)給而減緩，沖刷坑的深度h hb b與流速呈曲線關(guān)系（圖與流速呈曲線關(guān)系（圖7-4-47-4-4、5 5）。）。 橋墩周圍水流橋墩周圍水流2021-9-244橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.4 7.4 橋墩局部沖刷橋墩局部沖刷一、橋墩局部沖刷機(jī)理一、橋墩局部沖刷機(jī)理 與此同時(shí)，沖刷坑內(nèi)發(fā)生了土壤粗化現(xiàn)象，留下粗粒泥沙，覆蓋在沖刷與此同時(shí)，沖刷坑內(nèi)發(fā)生了土壤粗化現(xiàn)象，留下粗粒泥沙，覆蓋在沖刷坑表面上，增大了抗沖能力和粗糙度，一直到水流對(duì)河床泥沙的沖刷作用與坑表面上，增大了抗沖能力和粗糙度，一直到水流對(duì)河床泥沙的沖刷作用與河床泥沙抗沖作用達(dá)

33、到平衡時(shí)，沖刷就停止了。這時(shí)河床泥沙抗沖作用達(dá)到平衡時(shí)，沖刷就停止了。這時(shí)沖刷坑外緣沖刷坑外緣與與坑底坑底的最的最大高差，就是這一次水流大高差，就是這一次水流最大局部沖刷深度最大局部沖刷深度。 橋墩周圍水流橋墩周圍水流2021-9-245橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.4 7.4 橋墩局部沖刷橋墩局部沖刷一、橋墩局部沖刷機(jī)理一、橋墩局部沖刷機(jī)理起沖流速起沖流速v v0 0：橋墩迎水面兩側(cè)的泥沙開始被沖走，產(chǎn)生沖刷時(shí)涌向橋：橋墩迎水面兩側(cè)的泥沙開始被沖走，產(chǎn)生沖刷時(shí)涌向橋墩的垂線平均流速。墩的垂線平均流速。起動(dòng)流速起動(dòng)流速v v0 0: :床沙起動(dòng)時(shí)的流速。床沙起動(dòng)時(shí)的流速。行近流速行近流速：橋墩上游不遠(yuǎn)處

34、，未受繞流影響的墩前天然流速（一般沖刷：橋墩上游不遠(yuǎn)處，未受繞流影響的墩前天然流速（一般沖刷停止后的流速）。停止后的流速）。最大局部沖刷深度最大局部沖刷深度：局部沖刷停止時(shí)：局部沖刷停止時(shí)沖刷坑外緣沖刷坑外緣與與坑底坑底的最大高差。的最大高差。 幾個(gè)概念幾個(gè)概念2021-9-246橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.4 7.4 橋墩局部沖刷橋墩局部沖刷一、橋墩局部沖刷機(jī)理一、橋墩局部沖刷機(jī)理 影響局部沖刷的主要因素有影響局部沖刷的主要因素有流速、墩形、墩寬、水深和床流速、墩形、墩寬、水深和床沙粒徑沙粒徑等。局部沖刷深度等。局部沖刷深度h hb b通常是以一般沖刷通常是以一般沖刷h hp p完成后的標(biāo)高完成后的

35、標(biāo)高起算，所表示的是橋墩垂線上的沖刷坑深度起算，所表示的是橋墩垂線上的沖刷坑深度。 現(xiàn)行規(guī)范對(duì)橋墩局部沖刷計(jì)算有兩類計(jì)算公式：一類是用現(xiàn)行規(guī)范對(duì)橋墩局部沖刷計(jì)算有兩類計(jì)算公式：一類是用于于非粘土河床的非粘土河床的65-265-2公式和公式和65-165-1修正式修正式；另一類是；另一類是粘性土河床粘性土河床的橋墩局部沖刷公式的橋墩局部沖刷公式。2021-9-247橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.4 7.4 橋墩局部沖刷橋墩局部沖刷二、二、 65-265-2公式和公式和65-265-2修正式修正式 1. 65-21. 65-2公式公式65-2公式公式0vv 0015. 060. 012vvvhBKKhbnb

36、vvvhBKKh0015. 060. 0120vv 2021-9-248橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.4 7.4 橋墩局部沖刷橋墩局部沖刷二、二、 65-265-2公式和公式和65-265-2修正式修正式2021-9-249橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.4 7.4 橋墩局部沖刷橋墩局部沖刷二、二、 65-265-2公式和公式和65-265-2修正式修正式 2. 65-22. 65-2修正公式修正公式nbvvvvhBKKh00015. 060. 01246. 02021-9-250橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.4 7.4 橋墩局部沖刷橋墩局部沖刷二、二、 65-265-2公式和公式和65-265-2修正式修正式 2. 65-

37、22. 65-2修正公式修正公式其中其中2/172. 014. 001000000605. 029dhddhv0053. 010645. 0vBdvdvvnlg23. 235. 90nbvvvvhBKKh00015. 060. 01246. 065-265-2修正公式為修正公式為公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ062-91)JTJ062-91)的首選的首選公式公式2021-9-251橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.4 7.4 橋墩局部沖刷橋墩局部沖刷二、二、 65-265-2公式和公式和65-265-2修正式修正式 3. 3. 橋墩局部沖刷深度的預(yù)測(cè)計(jì)算公式橋墩局部沖刷深度的預(yù)測(cè)計(jì)算公式6

38、1. 013. 053. 0129. 030. 0vdBhKhb王亞玲、高東光（實(shí)測(cè)資料的多元回歸分析）：nbvvvvhBKKh00015. 060. 01246. 065-265-2修正公式修正公式2021-9-252橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.4 7.4 橋墩局部沖刷橋墩局部沖刷三、三、 粘性土河床橋墩局部沖刷公式粘性土河床橋墩局部沖刷公式vIBKKhLb25. 160. 01283. 015 . 2 BhpvIhBKKhLpb1 . 060. 01255. 015 . 2 Bhp2021-9-253橋涵水文長(zhǎng)安大學(xué)7.4 7.4 橋墩局部沖刷橋墩局部沖刷四、四、行近水深和行近流速行近水深和行近流速 假定局部沖刷是在一般沖刷完成后進(jìn)行的，應(yīng)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。計(jì)算橋墩局部沖刷時(shí)，應(yīng)根據(jù)所采用的一般沖刷公式選用其對(duì)應(yīng)的行近流速公式。1按輸沙平衡原理公