橋涵水文課件5橋梁墩臺沖刷計算

1、橋涵水文學(xué)橋涵水文學(xué)橋梁墩臺沖刷計算橋梁與結(jié)構(gòu)教研室: 李 林教學(xué)目的和任務(wù)1.了解描述流體運動的兩種方法；2.理解描述流體流動的一些基本概念，如恒定流與非恒定流、流線與 跡線、流管、流束與總流、過水?dāng)嗝?、流量及斷面平均流速等?.掌握連續(xù)性方程、伯努利方程、動量方程，并能熟練應(yīng)用于求解工 程實際問題動量方程的應(yīng)用。重點與難點重點：流體流動中的基本概念，連續(xù)性方程、伯努利方程、動量方程 及其應(yīng)用。難點：連續(xù)性方程、伯努利方程以及與動量方程的聯(lián)立應(yīng)用。主要內(nèi)容：橋梁墩臺沖刷類型橋下河床一般沖刷橋梁墩臺局部沖刷橋下河槽最低沖刷線第五章 橋梁墩臺沖刷計算橋梁墩臺沖刷類型大中橋水力計算的內(nèi)容： 橋孔長

2、度、橋面標(biāo)高、墩臺基礎(chǔ)最小埋置深度。墩臺基礎(chǔ)最小埋置深度：河床沖刷深度橋臺局部沖刷橋墩局部沖刷橋臺總沖刷橋墩總沖刷一般沖刷1.河床自然演變沖刷河床自然演變沖刷：河床在水力作用及泥沙運動等因素影響下，自 然發(fā)育過程中造成的沖刷現(xiàn)象。即河段在不修 建跨河建筑物情況下僅在自然力作用下引起的 河床天然沖刷。河床自然演變沖刷的類型： 1）河流發(fā)育成長過程中，河床縱斷面的變形。如河源段的逐年下 切，河口段的逐年淤積。 2）河槽橫向移動所引起的變形。如邊灘下移、河灣發(fā)展、移動和 裁彎取直等。 3）河段深泓線擺動引起的沖刷變形。 4）河槽周期性變形。即在一個水文周期內(nèi)河槽隨水位、流量變化 而發(fā)生的變形。河床自

3、然演變沖刷目前尚無成熟的計算方法，橋位設(shè)計時一般通過調(diào)查或利用橋位上、下游水文站歷年實測斷面資料統(tǒng)計分析確定。2.橋下河床的一般沖刷一般沖刷：橋下河床全斷面發(fā)生的沖刷現(xiàn)象。一般沖刷深度hp ：一般沖刷停止時的橋下最大鉛垂水深（從設(shè)計 水位起）。一般沖刷深度是設(shè)計水位至一般沖 刷線的最大深度。建橋后，由于橋孔壓縮河床，橋下過水面積減小，引起橋下流速增大，水流挾沙能力也隨之增大，使橋下河床斷面不斷擴大，但過水?dāng)嗝嬖龃髮?dǎo)致流速不斷減小，使橋下河床的沖刷產(chǎn)生新的平衡，一般沖刷隨之停止。21ph3.橋梁墩臺局部沖刷墩臺局部沖刷：水流受墩臺阻擋，在墩臺附近發(fā)生的沖刷現(xiàn)象。局部沖刷深度hb：沖刷坑外緣與沖

4、刷坑底的最大高差。局部沖 刷深度為一般沖刷深度線至沖刷坑底的最大 深度。流向橋墩的水流受墩身的影響，水流繞流，橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生發(fā)生急劇變化，形成復(fù)雜的漩渦體系，劇烈沖刷橋墩迎水面和周圍的泥沙，形成局部沖刷坑，坑內(nèi)泥沙不斷被帶走，沖刷坑不斷加大、加深，隨著沖刷坑的擴大加深，坑底流速又隨之減小，水流挾沙能力下降，而坑內(nèi)泥沙漸趨粗化，抗沖刷能力加強，產(chǎn)生新的沖淤平衡。立 面平 面橋下河床一般沖刷1.非粘性土河床一般沖刷深度計算橋下斷面內(nèi)任意垂線在一般沖刷過程中垂線平均流速降低到該垂線的沖止流速vz時，沖刷即停止。此時達(dá)到最大一般沖刷水深hP。沖止流速：橋下一般沖刷停止時的垂線平均流速。641修

5、正式是根據(jù)沖止流速建立的公式。1 62 3zpvEdh3 55 31 62cmCjcqpdAhQBhhEd1）河槽部分641修正式0.15zzdBHA 12cpctQQQQQphzzBH、2QpQcQ1tQ橋下河槽一般沖刷深度（m）； 單寬流量集中系數(shù)，山前變遷、游蕩、寬灘河段Ad1.8，取Ad=1.8 ； 平灘水位時河槽寬度和平均水深（m）；橋下河槽部分通過的設(shè)計流量，河槽能擴寬至全橋時Q2=Qp（m /s） 頻率為P%時的設(shè)計流量（ m /s ）；天然狀態(tài)下河槽部分設(shè)計流量（m /s）天然狀態(tài)下橋下河灘部分設(shè)計流量（m/s）。dAcmhcqhEd橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)，查表； 河槽部分橋孔凈

6、長，河槽能擴寬至全橋時為橋孔凈長 ； 河槽最大水深（m）；橋下河槽平均水深（m） 與汛期含沙量有關(guān)的系數(shù)，查表；河槽泥沙平均粒徑（mm）cjB1 62 3zpvEdh3 55 31 62cmCjcqpdAhQBhhEd0.15zzdBHA 12cpctQQQQQ橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)4540353025201613101.001.001.001.001.001.001.001.001.00101-101.8，取Ad=1.8 ； 平灘水位時河槽寬度和平均水深（m）；橋下河槽部分通過的設(shè)計流量，河槽能擴寬至全橋時Q2=Qp（m /s） 頻率為P%時的設(shè)計流量（ m /s ）；天然狀態(tài)下河槽部分的設(shè)計

7、流量（m /s）天然狀態(tài)下橋下河灘部分的設(shè)計流量（m/s）。dAcmh橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)，查表； 橋長范圍內(nèi)的河槽寬度（ m ）， 河槽能擴寬至全橋時為橋孔長度 ；橋位斷面天然河槽寬度（ m ），河槽最大水深（m）；設(shè)計水位下，在Bcg寬度范圍內(nèi)，橋墩阻水總面積與過水面積之比；cgBcB0.660.9021.041cpdcmccgBQhAhQB0.15zzdBHA 12cpctQQQQQ橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)4540353025201613101.001.001.001.001.001.001.001.001.006.004.706.003.604.7010205.0010.002.005.0

8、01.201.500.901.200.600.90漂石大中小800大400800中200400小d1HVd1HV水深1m時非粘性土不沖流速公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范JTGC30-2002規(guī)定公式：2. 粘性土河床一般沖刷深度計算粘性土：粒徑小于0.05mm的泥沙。粘性土隨含水量的增大，由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)（泥漿），粘結(jié)力隨之接近消失，抗沖刷能力也因此不存在。1）河槽部分5 85 3210.33cmdcjcqpLhQABhhI3 510.33zpLvhI00ppLpLpWWWWIIWW5 85 3210.33cmdcjcqpLhQABhhI3 510.33zpLvhI00ppLpLpWWWWIIWWph

9、2QpQcQ1tQ橋下河槽一般沖刷深度（m）； 單寬流量集中系數(shù)，取Ad=1.01.2 ； 橋下河槽部分通過的設(shè)計流量，河槽能擴寬至全橋時Q2=Qp（m /s） 頻率為P%時的設(shè)計流量（ m /s ）；天然狀態(tài)下河槽部分的設(shè)計流量（m /s）天然狀態(tài)下橋下河灘部分的設(shè)計流量（m/s）。dAcmhcqhLI橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)，查表； 河槽部分橋孔凈長，河槽能擴寬至全橋時為橋孔凈長 ； 河槽最大水深（m）；橋下河槽平均水深（m） 沖刷坑范圍內(nèi)粘性土液性指數(shù)，適用范圍為0.161.19；cjB12cpctQQQQQ橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)4540353025201613101.001.001.001.

10、001.001.001.001.001.0010.990.990.990.990.990.990.980.970.961.00.990.990.980.980.980.970.970.960.961.50.980.980.980.980.970.970.950.940.932.00.960.960.970.970.850.870.890.90單孔凈跨徑L0(m)0.880.900.910.930.910.920.930.940.930.940.950.960.940.950.960.960.970.960.9540.970.970.963.50.980.970.963.00.980.980.9

11、72.5設(shè)計流速Vs (m/s)00045 ,1 0.375;200 ,1.0;sVLmLmL 注：2. 粘性土河床一般沖刷深度計算2）河灘部分6 75 3110.33tmtjtqpLhQBhhI1 610.33zpLvhI00ppLpLpWWWWIIWW111tpctQQQQQphpQcQ1 tQ橋下河灘一般沖刷深度（m）； 橋下河槽部分通過的設(shè)計流量（m /s） ； 頻率為P%時的設(shè)計流量（ m /s ）；天然狀態(tài)下河槽部分的設(shè)計流量（m /s）天然狀態(tài)下橋下河灘部分的設(shè)計流量（m/s）。1QtmhtqhLI橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)，查表； 河灘部分橋孔凈長 （m）； 橋下河灘最大水深（m）；

12、橋下河灘平均水深（m） 沖刷坑范圍內(nèi)粘性土液性指數(shù)，適用范圍為0.161.19；tjB6 75 3110.33tmtjtqpLhQBhhI1 610.33zpLvhI00ppLpLpWWWWIIWW橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)4540353025201613101.001.001.001.001.001.001.001.001.0010.990.990.990.990.990.990.980.970.961.00.990.990.980.980.980.970.970.960.961.50.980.980.980.980.970.970.950.940.932.00.960.960.970.970.8

13、50.870.890.90單孔凈跨徑L0(m)0.880.900.910.930.910.920.930.940.930.940.950.960.940.950.960.960.970.960.9540.970.970.963.50.980.970.963.00.980.980.972.5設(shè)計流速Vs (m/s)00045 ,1 0.375;200 ,1.0;sVLmLmL 注：橋梁墩臺局部沖刷橋墩上游行近流速增大到一定數(shù)值時，橋墩迎水面兩側(cè)的泥沙首先被水流沖走，此時涌向橋墩的流速為起沖流速，但低于起動流速，故床面無泥沙運動，沖刷坑內(nèi)無上游來泥沙補給（清水沖刷）；行近流速超過床沙起動流速，床面

14、泥沙處于運動狀態(tài)，上游泥沙落入坑中，坑內(nèi)泥沙得到補給（動床沖刷）。行近流速：指橋墩上游不遠(yuǎn)處，未受繞流影響的墩前天然流速。 由于局部沖刷是假定在一般沖刷完成后進(jìn)行的，故 取一般沖刷終止后的墩前流速作為墩前行近流速。v起沖流速：當(dāng)流速增大到一定數(shù)值時，橋墩迎水面兩側(cè)的泥沙 首先被水流沖走，床面開始產(chǎn)生局部沖刷，此時涌 向橋墩的流速（垂線平均流速）。v0起動流速：床面泥沙顆粒在各種外力作用下，失去平衡，泥沙 開始運動時的水流垂線平均流速。 v0起動流速起沖流速沖刷深度與行近流速的關(guān)系一般沖刷后墩前行近流速20.340.10.1321.041dccmcccgcABhQvvQBh0.660.9021.

15、041cpdcmccgBQhAhQB1）采用64-2簡化式計算非粘性土河槽hp：hc河槽平均水深（m）；vc河槽平均流速（m/s）；1 62 3pvEdh2）采用64-1修正式計算非粘性土河槽hp：3 55 321 6cmdCjcqphQABhhEd3）采用公式計算非粘性土河灘hp：5 65 311tmtjtqpHhQBhhv1 51Hpvv h一般沖刷后墩前行近流速4）采用公式計算粘性土河槽hp：5 85 3210.33cmdcjcqpLhQABhhI3 510.33pLvhI5）采用公式計算粘性土河灘hp：6 75 3110.33tmtjtqpLhQBhhI1 610.33pLvhI1.

16、非粘性土河床橋墩局部沖刷深度計算1）65-1修正公式0.600110bvvhK K Bvv10.600011000nbvvvvhK K Bvvvv0.190.2501dvnv10.450.15110.8Kdd河床顆粒影響系數(shù)：0.1400.72100.0246332pphhvddd河床泥沙起動流速：0.060010.462dvvB墩前泥沙起沖流速：bh1K1Bv橋墩局部沖刷深度（m）； 墩形系數(shù)，查表 ； 河床顆粒影響系數(shù)；橋墩計算寬度（m） ，查表 ；一般沖刷后墩前行近流速，按規(guī)定計算（m/s）；K0v1ndph河床泥沙起動流速（m/s）； 墩前泥沙起沖流速（m/s）； 指數(shù)；河床泥沙平均粒

17、徑（mm）； 一般沖刷深度（m）；0v10.6001100.600011000bnbvvhK K BvvvvvvhK K Bvvvv0.1910.450.150.1400.720.060010.2501110.8100.02463320.462ppdKddhhvddddvvBvnv墩形系數(shù)墩形系數(shù)一般沖刷后墩前行近流速20.340.10.1321.041dccmcccgcABhQvvQBh0.660.9021.041cpdcmccgBQhAhQB1）采用64-2簡化式計算非粘性土河槽hp：hc河槽平均水深（m）；vc河槽平均流速（m/s）；1 62 3pvEdh2）采用64-1修正式計算非粘性

18、土河槽hp：3 55 321 6cmdCjcqphQABhhEd3）采用公式計算非粘性土河灘hp：5 65 311tmtjtqpHhQBhhv1 51Hpvv h1. 非粘性土河床橋墩局部沖刷深度計算2）65-2公式20.600.1500210nbpvvvvhK K Bhv0.600.1500210bpvvvvhK K Bhv0.23 0.19lg02dvnv0.2422.20.00230.375Kdd河床顆粒影響系數(shù)：0.500.280.7vd河床泥沙起動流速：0.5500.120.5vd 河床泥沙起動流速：bh2K1Bv橋墩局部沖刷深度（m）； 墩形系數(shù)，查表 ； 河床顆粒影響系數(shù)；橋墩計

19、算寬度（m） ，查表 ；一般沖刷后墩前行近流速，按規(guī)定計算（m/s）；K0v2ndph河床泥沙起動流速（m/s）； 墩前泥沙起沖流速（m/s）； 指數(shù)；河床泥沙平均粒徑（mm）； 一般沖刷深度（m）；0v20.600.15002100.600.1500210bpnbpvvvvhK K BhvvvvvhK K Bhv0.2422.20.500.5500.23 0.19lg020.00230.3750.2dKddvdvdvnv 一般沖刷后墩前行近流速20.340.10.1321.041dccmcccgcABhQvvQBh0.660.9021.041cpdcmccgBQhAhQB1）采用64-2簡化式計算非粘