第十三章橋梁墩臺沖刷計算演示文稿

第十三章橋梁墩臺沖刷計算演示文稿當前第1頁\共有34頁\編于星期五\10點1第十三章橋梁墩臺沖刷計算當前第2頁\共有34頁\編于星期五\10點213-1河流的泥沙運動與河床演變泥沙分類懸移質——顆粒較細的泥沙被水流帶起，懸浮于水中向下游運動。推移質——顆粒稍大的泥沙，在床面上滾動、滑動或跳躍著間歇性地向下游移動。床沙——下沉到河床床面靜止不動的泥沙。泥沙的主要特性幾何特性一般用泥沙顆粒的直徑（粒徑d）、粒徑級配曲線、平均粒徑或中值粒徑（d50）來表示。當前第3頁\共有34頁\編于星期五\10點313-1河流的泥沙運動與河床演變粒徑——與泥沙顆粒同體積的球體直徑，即等容直徑。測量方法：篩分法、水析法、直接量測長短軸粒徑級配曲線：表明沙樣顆粒的大小和均勻程度。（圖9-16）當前第4頁\共有34頁\編于星期五\10點413-1河流的泥沙運動與河床演變平均粒徑中值粒徑——大于和小于該粒徑的泥沙質量（或重量）各占一半。重力特性泥沙顆粒實體的單位體積的重力，即重度。一般平均為26kN/m3。水力特性沉降速度——泥沙顆粒在靜止的清水中均勻下沉的速度。（9-20）

當前第5頁\共有34頁\編于星期五\10點513-1河流的泥沙運動與河床演變泥沙的起動泥沙的起動：在水流推動下，床面泥沙顆粒由靜止開始運動。泥沙起動的受力分析起動流速v0：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。張瑞瑾公式（圖9-21）當前第6頁\共有34頁\編于星期五\10點613-1河流的泥沙運動與河床演變沙波運動形式示意圖當前第7頁\共有34頁\編于星期五\10點713-1河流的泥沙運動與河床演變天然河流中的沙波當前第8頁\共有34頁\編于星期五\10點813-1河流的泥沙運動與河床演變輸沙率、含沙量與挾沙力推移質輸沙率——單位時間內在過水斷面單位河槽寬度上，通過的推移質的重量。反映推移質運動的強烈程度。竇國仁公式推移質輸沙率與流速4次方成正比，因此，大多數推移質集中在流速最大的主流區(qū)內，而且一年中推移質的很大部分是在幾次大洪水過程中通過的。當前第9頁\共有34頁\編于星期五\10點913-1河流的泥沙運動與河床演變含沙量——單位體積內水流中所含懸移質的重量。挾沙力——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重量。橋孔凈長Lj——橋長扣除全部橋墩寬度后的長度。河床的粗化在沖刷河段內，床沙中的細顆粒泥沙被水流沖走，粗顆粒泥沙慢慢沉下來，河床表面層的泥沙粒徑逐漸增大，形成自然鋪砌的現象。當前第10頁\共有34頁\編于星期五\10點1013-1河流的泥沙運動與河床演變河床演變河床演變——在天然狀況下或人類活動的干擾后，河床形態(tài)逐漸的變化。河床演變的基本原理水流輸沙不平衡引起河床演變水流通過泥沙運動塑造河床形態(tài)，是最活躍的因素，起主導作用。副流的存在是河床沖淤變形的直接原因。影響河床演變的主要自然因素上游來水條件，即流量的大小和變化。當前第11頁\共有34頁\編于星期五\10點1113-1河流的泥沙運動與河床演變上游來沙條件，即上游來沙量及其粒徑組成。河床地質、土質條件、河床比降。河相關系河相關系——描述河床均衡形態(tài)的幾何因素（河寬B、平均水深h、比降i、彎道半徑R等）與來水、來沙條件（Q、d等）存在的對應關系。造床流量——與多年連續(xù)造床作用相當的某個流量數值。穩(wěn)定河寬公式（9-25）當前第12頁\共有34頁\編于星期五\10點1213-1河流的泥沙運動與河床演變河槽寬度與水深的關系單寬流量集中系數（9-24）（13-3）當前第13頁\共有34頁\編于星期五\10點1313-2墩臺沖刷類型概述河道中水流驅使床面泥沙運動，泥沙運動后的床面形態(tài)又影響水流結構，水沙運動相互依存，相互影響，永恒變化。橋梁設計中，必須合理地預估橋梁使用期間墩臺周邊的沖刷，為確定墩臺基礎最小埋置深度提供依據橋梁墩臺沖刷是橋梁水毀的直接原因，對橋梁安全的危害極大。當前第14頁\共有34頁\編于星期五\10點1413-2墩臺沖刷類型規(guī)范C30的一般規(guī)定：當前第15頁\共有34頁\編于星期五\10點1513-2墩臺沖刷類型河床自然演變沖刷定義：河床在水力作用及泥沙運動等因素影響下自然發(fā)育過程造成的沖刷現象。規(guī)范C30條文當前第16頁\共有34頁\編于星期五\10點1613-2墩臺沖刷類型橋下斷面一般沖刷定義：橋下河床全斷面發(fā)生的沖刷現象。一般沖刷原理建橋后，由于斷面壓縮使過水斷面變小，流速加快，水流夾沙能力增強，從而產生的沖刷。（圖13-1）當前第17頁\共有34頁\編于星期五\10點1713-2墩臺沖刷類型墩臺局部沖刷定義：水流受墩臺阻擋，在墩臺附近局部范圍內發(fā)生的沖刷現象。當前第18頁\共有34頁\編于星期五\10點1813-3橋下斷面一般沖刷深度一般沖刷深度hp定義：一般沖刷完成后從設計水位算起的橋下最大鉛垂水深。64-1公式（沖止流速公式）沖止流速vz——橋下一般沖刷停止時的垂線平均流速。沖止流速理論：橋下斷面內的任一垂線流速都會由于橋梁墩臺對河床的壓縮而提高，此時將發(fā)生一般沖刷。隨著沖刷的發(fā)展，垂線深度加大，垂線平均流速降低。當垂線平均速度降低到該垂線的沖止流速時，一般沖刷停止。當前第19頁\共有34頁\編于星期五\10點1913-3橋下斷面一般沖刷深度連續(xù)性方程（12-17）

對寬淺式河渠，水力半徑約等于平均水深當前第20頁\共有34頁\編于星期五\10點2013-3橋下斷面一般沖刷深度沖止流速非黏性土河槽（13-2）

考慮單寬流量向深槽集中的趨勢（13-3）

（13-4）

一般沖刷深度（13-5）

當前第21頁\共有34頁\編于星期五\10點2113-3橋下斷面一般沖刷深度非黏性土河灘（13-7）

（13-6）

一般沖刷深度（13-8）

當前第22頁\共有34頁\編于星期五\10點2213-3橋下斷面一般沖刷深度粘性土河床塑限Wp：粘性土由半固態(tài)向可塑態(tài)過渡時的含水量。流限WL：由可塑態(tài)向流態(tài)過渡時的含水量。塑性指數Ip：流限與塑限之差。液性指數IL：天然含水量與塑限的差值與塑性指數的比值。（13-9）

當前第23頁\共有34頁\編于星期五\10點2313-3橋下斷面一般沖刷深度沖止流速經驗公式一般沖刷深度河槽：河灘：河槽：河灘：（13-14）

（13-13）

當前第24頁\共有34頁\編于星期五\10點2413-3橋下斷面一般沖刷深度64-2公式（輸沙平衡公式）輸沙平衡理論當上游天然河道的來沙量大于橋下河槽斷面的排沙量時，橋下斷面出現淤積。當上游天然河道的來沙量小于橋下河槽斷面的排沙量時，橋下斷面出現沖刷。當上游天然河道的來沙量等于橋下河槽斷面的排沙量時，橋下斷面出現沖淤平衡，一般沖刷達到最大值。當前第25頁\共有34頁\編于星期五\10點2513-3橋下斷面一般沖刷深度計算式令G1＝G2，，得：當前第26頁\共有34頁\編于星期五\10點2613-3橋下斷面一般沖刷深度考慮單寬流量的分布不均勻、河床的特征和實測的資料，得（13-20）

64-2式：64-2簡化式：當前第27頁\共有34頁\編于星期五\10點2713-3橋下斷面一般沖刷深度包氏公式包氏理論當橋下流速達到天然河槽流速時，橋下沖刷即停止，而且在同一垂線處，沖刷后的深度與沖刷前的深度成正比。計算式均質河床：非均質河床，易沖土壤部分：無導流堤時橋臺偏斜沖刷深度：（13-21）

（13-23）

（13-22）

當前第28頁\共有34頁\編于星期五\10點2813-4墩臺局部沖刷深度墩臺局部沖刷深度hb——沖刷坑外緣與沖刷坑底的最大深度。決定沖刷坑深度的主要因素水深假定局部沖刷是在一般沖刷完成后進行的，應取一般沖刷深度作為行近水深。墩前水流的行進流速計算橋墩局部沖刷時，應根據所采用的一般沖刷公式，選用其對應的行近流速公式。當前第29頁\共有34頁\編于星期五\10點2913-4墩臺局部沖刷深度橋墩寬度和形狀（計算寬度和墩形系數）河床質粒徑和組成（平均粒徑、顆粒影響系數）墩周的起沖流速，泥沙的起動流速橋墩局部沖刷深度計算式65-1修正式（非粘性土河床）清水沖刷：（13-24）

動床沖刷：（13-25）

當前第30頁\共有34頁\編于星期五\10點3013-4墩臺局部沖刷深度

（13-26）

（13-27）

（13-28）

（13-29）

當前第31頁\共有34頁\編于星期五\10點3113-4墩臺局部沖刷深度65-2公式（非粘性土河床）