1 第十三章桥梁墩台冲刷计算 13 1河流的泥沙运动与河床演变13 2墩台冲刷类型13 3桥下断面一般冲刷深度13 4墩台局部冲刷深度13 5桥下河槽最低冲刷线 2 13 1河流的泥沙运动与河床演变 泥沙分类悬移质 颗粒较细的泥沙被水流带起 悬浮于水中向下游运动 推移质 颗粒稍大的泥沙 在床面上滚动 滑动或跳跃着间歇性地向下游移动 床沙 下沉到河床床面静止不动的泥沙 泥沙的主要特性几何特性一般用泥沙颗粒的直径 粒径d 粒径级配曲线 平均粒径或中值粒径 d50 来表示 3 13 1河流的泥沙运动与河床演变 粒径 与泥沙颗粒同体积的球体直径 即等容直径 测量方法 筛分法 水析法 直接量测长短轴粒径级配曲线 表明沙样颗粒的大小和均匀程度 图9 16 4 13 1河流的泥沙运动与河床演变 平均粒径中值粒径 大于和小于该粒径的泥沙质量 或重量 各占一半 重力特性泥沙颗粒实体的单位体积的重力 即重度 一般平均为26kN m 水力特性沉降速度 泥沙颗粒在静止的清水中均匀下沉的速度 9 20 5 13 1河流的泥沙运动与河床演变 泥沙的起动泥沙的起动 在水流推动下 床面泥沙颗粒由静止开始运动 泥沙起动的受力分析 起动流速v0 床面泥沙颗粒在各种外力作用下 失去平衡 泥沙开始运动时的水流垂线平均流速 张瑞瑾公式 图9 21 6 13 1河流的泥沙运动与河床演变 沙波运动形式示意图 7 13 1河流的泥沙运动与河床演变 天然河流中的沙波 8 13 1河流的泥沙运动与河床演变 输沙率 含沙量与挟沙力推移质输沙率 单位时间内在过水断面单位河槽宽度上 通过的推移质的重量 反映推移质运动的强烈程度 窦国仁公式推移质输沙率与流速4次方成正比 因此 大多数推移质集中在流速最大的主流区内 而且一年中推移质的很大部分是在几次大洪水过程中通过的 9 13 1河流的泥沙运动与河床演变 含沙量 单位体积内水流中所含悬移质的重量 挟沙力 在一定的水力条件和边界条件下 单位体积的水流能够挟带泥沙的最大重量 桥孔净长Lj 桥长扣除全部桥墩宽度后的长度 河床的粗化在冲刷河段内 床沙中的细颗粒泥沙被水流冲走 粗颗粒泥沙慢慢沉下来 河床表面层的泥沙粒径逐渐增大 形成自然铺砌的现象 10 13 1河流的泥沙运动与河床演变 河床演变河床演变 在天然状况下或人类活动的干扰后 河床形态逐渐的变化 河床演变的基本原理水流输沙不平衡引起河床演变水流通过泥沙运动塑造河床形态 是最活跃的因素 起主导作用 副流的存在是河床冲淤变形的直接原因 影响河床演变的主要自然因素上游来水条件 即流量的大小和变化 11 13 1河流的泥沙运动与河床演变 上游来沙条件 即上游来沙量及其粒径组成 河床地质 土质条件 河床比降 河相关系河相关系 描述河床均衡形态的几何因素 河宽B 平均水深h 比降i 弯道半径R等 与来水 来沙条件 Q d等 存在的对应关系 造床流量 与多年连续造床作用相当的某个流量数值 稳定河宽公式 9 25 12 13 1河流的泥沙运动与河床演变 河槽宽度与水深的关系单宽流量集中系数 9 24 13 3 13 13 2墩台冲刷类型 概述河道中水流驱使床面泥沙运动 泥沙运动后的床面形态又影响水流结构 水沙运动相互依存 相互影响 永恒变化 桥梁设计中 必须合理地预估桥梁使用期间墩台周边的冲刷 为确定墩台基础最小埋置深度提供依据桥梁墩台冲刷是桥梁水毁的直接原因 对桥梁安全的危害极大 14 13 2墩台冲刷类型 规范C30的一般规定 15 13 2墩台冲刷类型 河床自然演变冲刷定义 河床在水力作用及泥沙运动等因素影响下自然发育过程造成的冲刷现象 规范C30条文 16 13 2墩台冲刷类型 桥下断面一般冲刷定义 桥下河床全断面发生的冲刷现象 一般冲刷原理建桥后 由于断面压缩使过水断面变小 流速加快 水流夹沙能力增强 从而产生的冲刷 图13 1 17 13 2墩台冲刷类型 墩台局部冲刷定义 水流受墩台阻挡 在墩台附近局部范围内发生的冲刷现象 18 13 3桥下断面一般冲刷深度 一般冲刷深度hp定义 一般冲刷完成后从设计水位算起的桥下最大铅垂水深 64 1公式 冲止流速公式 冲止流速vz 桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速 冲止流速理论 桥下断面内的任一垂线流速都会由于桥梁墩台对河床的压缩而提高 此时将发生一般冲刷 随着冲刷的发展 垂线深度加大 垂线平均流速降低 当垂线平均速度降低到该垂线的冲止流速时 一般冲刷停止 19 13 3桥下断面一般冲刷深度 连续性方程 12 17 对宽浅式河渠 水力半径约等于平均水深 20 13 3桥下断面一般冲刷深度 冲止流速非黏性土河槽 13 2 考虑单宽流量向深槽集中的趋势 13 3 13 4 一般冲刷深度 13 5 21 13 3桥下断面一般冲刷深度 非黏性土河滩 13 7 13 6 一般冲刷深度 13 8 22 13 3桥下断面一般冲刷深度 粘性土河床塑限Wp 粘性土由半固态向可塑态过渡时的含水量 流限WL 由可塑态向流态过渡时的含水量 塑性指数Ip 流限与塑限之差 液性指数IL 天然含水量与塑限的差值与塑性指数的比值 13 9 23 13 3桥下断面一般冲刷深度 冲止流速经验公式一般冲刷深度 河槽 河滩 河槽 河滩 13 14 13 13 24 13 3桥下断面一般冲刷深度 64 2公式 输沙平衡公式 输沙平衡理论当上游天然河道的来沙量大于桥下河槽断面的排沙量时 桥下断面出现淤积 当上游天然河道的来沙量小于桥下河槽断面的排沙量时 桥下断面出现冲刷 当上游天然河道的来沙量等于桥下河槽断面的排沙量时 桥下断面出现冲淤平衡 一般冲刷达到最大值 25 13 3桥下断面一般冲刷深度 计算式 令G1 G2 得 26 13 3桥下断面一般冲刷深度 考虑单宽流量的分布不均匀 河床的特征和实测的资料 得 13 20 64 2式 64 2简化式 27 13 3桥下断面一般冲刷深度 包氏公式包氏理论当桥下流速达到天然河槽流速时 桥下冲刷即停止 而且在同一垂线处 冲刷后的深度与冲刷前的深度成正比 计算式均质河床 非均质河床 易冲土壤部分 无导流堤时桥台偏斜冲刷深度 13 21 13 23 13 22 28 13 4墩台局部冲刷深度 墩台局部冲刷深度hb 冲刷坑外缘与冲刷坑底的最大深度 决定冲刷坑深度的主要因素水深假定局部冲刷是在一般冲刷完成后进行的 应取一般冲刷深度作为行近水深 墩前水流的行进流速计算桥墩局部冲刷时 应根据所采用的一般冲刷公式 选用其对应的行近流速公式 29 13 4墩台局部冲刷深度 桥墩宽度和形状 计算宽度和墩形系数 河床质粒径和组成 平均粒径 颗粒影响系数 墩周的起冲流速 泥沙的起动流速桥墩局部冲刷深度计算式65 1修正式 非粘性土河床 清水冲刷 13 24 动床冲刷 13 25 30 13 4墩台局部冲刷深度 13 26 13 27 13 28 13 29 31 13 4墩台局部冲刷深度 65 2公式 非粘性土河床 13 30 13 31 13 32 清水冲刷 动床冲刷 32 13 4墩台局部冲刷深度 粘性土河床 C30规范 13 35 13 36 33 13 4墩台局部冲刷深度 桥台冲刷计算桥台附近水流结构示意图 34 13 5桥下河槽最低冲刷线 桥下河槽最低冲刷线 桥梁墩台处桥下河床自然演变等因素冲刷深度 一般冲刷深度 局部冲刷深度三者全部完成后的最大水深线 计算公式 13 39 35 13 5桥下河槽最低冲刷线