第第6章章 桥梁墩台冲刷计算桥梁墩台冲刷计算p6.1 建桥后的河床演变建桥后的河床演变 p6.2 河床的自然演变冲刷河床的自然演变冲刷 p6.3 桥下断面的一般冲刷计算桥下断面的一般冲刷计算 p6.4 桥墩的局部冲刷计算桥墩的局部冲刷计算p6.5 桥台冲刷计算桥台冲刷计算 p6.6 桥梁墩台基底最小埋深桥梁墩台基底最小埋深 6.1 建桥后的河床演变建桥后的河床演变 一、建桥后河床演变的基本组成及计算假定一、建桥后河床演变的基本组成及计算假定p冲刷组成冲刷组成自然演变冲刷自然演变冲刷 一般冲刷一般冲刷 局部冲刷局部冲刷p计算假定计算假定相继进行，分别计算，叠加汇总。相继进行，分别计算，叠加汇总。二、冲刷计算断面的确定二、冲刷计算断面的确定p平原顺直型平原顺直型河段取桥位上游附近河段取桥位上游附近最大水深断面最大水深断面p平原弯曲型平原弯曲型河段取桥位上游附近河段取桥位上游附近河湾半径最小河湾半径最小的的河湾顶点断面河湾顶点断面p游荡型和变迁型游荡型和变迁型河段取桥位附近河段取桥位附近若干河床断面重若干河床断面重叠后叠后的的外包线外包线p山区河段山区河段取取桥位断面桥位断面6.2 河床的自然演变冲刷河床的自然演变冲刷 p河床自然演变冲刷的四种类型：河床自然演变冲刷的四种类型： 1) 河流发育成长过程中河床河流发育成长过程中河床纵断面纵断面的变形；的变形； 2) 河槽河槽横向横向移动所引起的变形；移动所引起的变形； 3) 河段河段深泓线摆动深泓线摆动引起的冲刷变形；引起的冲刷变形； 4) 河槽河槽周期性变形周期性变形6.3 桥下断面的一般冲刷计算桥下断面的一般冲刷计算 p一般冲刷的基本概念：一般冲刷的基本概念： 建桥后，由于桥孔压缩河床，桥下过水面积减小，建桥后，由于桥孔压缩河床，桥下过水面积减小，从而引起桥下流速的增大，水流挟沙能力也随之从而引起桥下流速的增大，水流挟沙能力也随之增大，造成整个断面的河床冲刷。这一冲刷过程，增大，造成整个断面的河床冲刷。这一冲刷过程，称为称为桥下断面的一般冲刷桥下断面的一般冲刷。p随着一般冲刷的发展，桥下过水断面逐渐增大，随着一般冲刷的发展，桥下过水断面逐渐增大，流速逐渐降低，冲刷速率逐渐减小。流速逐渐降低，冲刷速率逐渐减小。p当桥下河槽各点泥沙的冲刷及淤积达到平衡时，当桥下河槽各点泥沙的冲刷及淤积达到平衡时，一般冲刷趋于停止，一般冲刷的深度达到最大。一般冲刷趋于停止，一般冲刷的深度达到最大。目前在工程界，一般冲刷目前在工程界，一般冲刷后最大水深后最大水深用用hp表示。表示。php表示当一般冲刷完成后，从表示当一般冲刷完成后，从设计水位设计水位算起的算起的计计算垂线处水深算垂线处水深（也即为计算垂线处天然水深与一（也即为计算垂线处天然水深与一般冲刷完成后河底被冲刷深度之和）。般冲刷完成后河底被冲刷深度之和）。一、桥下断面一般冲刷的基本理论一、桥下断面一般冲刷的基本理论p(一一)别列柳伯斯基理论别列柳伯斯基理论 “桥下水流断面面积增大到桥下水流断面面积增大到桥下流速桥下流速等于等于河槽天然流速河槽天然流速时，冲刷就停止了。时，冲刷就停止了。”p(二二)包尔达柯夫理论包尔达柯夫理论 桥下流速桥下流速达到达到天然河槽流速天然河槽流速时，桥下冲刷被停止，而且时，桥下冲刷被停止，而且同一垂线处，同一垂线处，冲刷后的水深冲刷后的水深与与冲刷前冲刷前的水深的水深成正比成正比p(三三)冲止流速理论冲止流速理论 桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速称为桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速称为冲止流速冲止流速。当。当垂线平均流速降低至该垂线的冲止流速时，该垂线处冲垂线平均流速降低至该垂线的冲止流速时，该垂线处冲刷停止，一般冲刷达到最大；当桥下所有垂线的流速都刷停止，一般冲刷达到最大；当桥下所有垂线的流速都降低至冲止流速时，桥下断面的一般冲刷即完全停止降低至冲止流速时，桥下断面的一般冲刷即完全停止p(四四)输沙平衡理论输沙平衡理论 建桥后，建桥后，上游来沙量上游来沙量和和桥下排沙量桥下排沙量逐渐接近以至相等，逐渐接近以至相等，桥下河槽断面达到输沙平衡，冲刷随之停止，一般冲刷桥下河槽断面达到输沙平衡，冲刷随之停止，一般冲刷深度达到最大。深度达到最大。二、非粘性土河床的一般冲刷二、非粘性土河床的一般冲刷1. 河槽部分河槽部分 1）641修正式修正式宽浅式河渠：宽浅式河渠：又因为：又因为：qs 冲刷停止后最大单宽流量；冲刷停止后最大单宽流量；qmax 冲刷前最大单宽流量。冲刷前最大单宽流量。非粘性土河床冲止流速：非粘性土河床冲止流速：64-1修正式：修正式：2）64-2简化式简化式桥下淤积桥下淤积p原理：原理：输沙平衡原理输沙平衡原理；p适用性：有适用性：有推移质运动推移质运动的的非粘性土河床非粘性土河床。pG1上游天然河道的来沙量，上游天然河道的来沙量， G2桥下河槽断面的排沙量。桥下河槽断面的排沙量。桥下冲刷桥下冲刷桥下冲淤平衡桥下冲淤平衡p推移质的推移质的输沙率输沙率gs：单位时间单位河宽通过推移：单位时间单位河宽通过推移质的质量质的质量【kg/(ms)】p上游天然河道的来沙量：上游天然河道的来沙量：p桥下断面的排沙量：桥下断面的排沙量：p令令64-2简化式：简化式：2. 河滩部分河滩部分三、粘性土河床的一般冲刷三、粘性土河床的一般冲刷粘性土：粘性土：三、粘性土河床的一般冲刷三、粘性土河床的一般冲刷1. 河槽部分河槽部分三、粘性土河床的一般冲刷三、粘性土河床的一般冲刷2. 河滩部分河滩部分6.4 桥墩的局部冲刷计算桥墩的局部冲刷计算 修建在河床内的桥墩，经受着桥位河段及桥下修建在河床内的桥墩，经受着桥位河段及桥下断面的一般冲刷，同时，桥墩阻挡水流，水流在桥断面的一般冲刷，同时，桥墩阻挡水流，水流在桥墩两侧绕流，形成十分复杂的、以墩两侧绕流，形成十分复杂的、以绕流漩涡体系为绕流漩涡体系为主主的绕流结构，引起桥墩周围急剧的泥沙运动，形的绕流结构，引起桥墩周围急剧的泥沙运动，形成桥墩周围局部冲刷坑。成桥墩周围局部冲刷坑。 为了便于分析计算，假定桥墩局部冲刷是在为了便于分析计算，假定桥墩局部冲刷是在一一般冲刷完成后般冲刷完成后的基础上进行的。桥墩计算公式中的的基础上进行的。桥墩计算公式中的墩前水深和流速都是采用一般冲刷后的水深和流速。墩前水深和流速都是采用一般冲刷后的水深和流速。一、桥墩局部冲刷的机理一、桥墩局部冲刷的机理 1. 桥墩周围的水流桥墩周围的水流桥墩周围的水流结构桥墩周围的水流结构1.墩前向下水流墩前向下水流2.墩前水面涌波墩前水面涌波3.尺度很大的漩涡体系尺度很大的漩涡体系漩涡体系漩涡体系1.两侧绕流漩涡两侧绕流漩涡2.墩前向下水流在床面附近形成的墩前向下水流在床面附近形成的马蹄形漩涡马蹄形漩涡3.桥墩两侧边界层分离形成的桥墩两侧边界层分离形成的尾流漩涡尾流漩涡4.床面附近形成的小漩涡床面附近形成的小漩涡 每个急速旋转并向下游移动漩涡的中心形成负每个急速旋转并向下游移动漩涡的中心形成负压，吸起床沙，带往下游。伴随漩涡的生成和移动，压，吸起床沙，带往下游。伴随漩涡的生成和移动，引起床面静止的泥沙呈阵发性、突然的随机运动状引起床面静止的泥沙呈阵发性、突然的随机运动状态。在桥墩下游两侧漩涡相汇，泥沙沉积，形成很态。在桥墩下游两侧漩涡相汇，泥沙沉积，形成很长的沙脊。当行近流速较小时，在桥墩下游约长的沙脊。当行近流速较小时，在桥墩下游约8倍倍墩宽（墩径）处，漩涡逐渐消失。墩宽（墩径）处，漩涡逐渐消失。 2. 几个名词几个名词 行近流速：行近流速：v，指桥墩上游不远处，未受绕流，指桥墩上游不远处，未受绕流 影响的墩前天然流速。影响的墩前天然流速。 始冲流速：始冲流速：v0(0.40.6)v0 起动流速：起动流速：v0 清水冲刷清水冲刷：v0 vv0，床面泥沙运动，上游泥沙落入，床面泥沙运动，上游泥沙落入冲刷坑，坑内泥沙得到补给，称为动床冲刷。冲刷坑，坑内泥沙得到补给，称为动床冲刷。 3. 影响桥墩周边局部冲刷的主要因素影响桥墩周边局部冲刷的主要因素 涌向桥墩的水流流速、流向涌向桥墩的水流流速、流向 桥墩宽度桥墩宽度 桥墩型式桥墩型式 墩前水深墩前水深 床沙粒径床沙粒径二、非粘性土河床桥墩局部冲刷计算二、非粘性土河床桥墩局部冲刷计算 推荐使用公式推荐使用公式65-2式式65-1修正式修正式 1. 65-2式式当当VV0， 当当V V0， K 墩形系数，墩形系数，查表表6-3hp 一般冲刷后的最大水深一般冲刷后的最大水深(m)V 一般冲刷后墩前行近流速一般冲刷后墩前行近流速(m/s) 式中：式中：hb 桥墩局部冲刷深度墩局部冲刷深度(m)B1 桥墩墩计算算宽度度，查表查表6-3V0墩前泥沙始冲流速墩前泥沙始冲流速(m/s)，n2指数，指数，河床泥沙平均粒径河床泥沙平均粒径(mm)； 式中：式中：V0河床泥沙起河床泥沙起动流速流速(m/s)K 2河床河床颗粒的影响系数粒的影响系数，2. 65-1修正式修正式当当VV0， 当当V V0， K 1河床河床颗粒的影响系数粒的影响系数，V0墩前泥沙始冲流速墩前泥沙始冲流速(m/s)，n1指数，指数，河床泥沙平均粒径河床泥沙平均粒径(mm)； 式中：式中：V0河床泥沙起河床泥沙起动流速流速(m/s)3. 一般冲刷后墩前行近流速一般冲刷后墩前行近流速V的计算的计算三、粘性土河床桥墩局部冲刷深度计算三、粘性土河床桥墩局部冲刷深度计算 当当时， 当当时， 式中：式中：IL冲刷坑范冲刷坑范围内粘性土液性指数，适用范内粘性土液性指数，适用范 围为0.161.48。6.5 桥台冲刷计算桥台冲刷计算 一、桥台的冲刷机理一、桥台的冲刷机理 6.5 桥台冲刷计算桥台冲刷计算 二、非粘性土河床桥台冲刷计算公式二、非粘性土河床桥台冲刷计算公式 1. 交通部科技攻关公式（交通部科技攻关公式（95-1公式）公式）2. 美国联邦公路局（美国联邦公路局（FHWA）推荐公式）推荐公式当当时，时，当当6.5 桥台冲刷计算桥台冲刷计算 三、粘性土河床桥台的冲刷计算公式三、粘性土河床桥台的冲刷计算公式 式中：式中： 天然状天然状态下河床下河床单宽流量，流量，m3/(sm)IL 粘性土液性指数，适用范粘性土液性指数，适用范围为0.161.19 桥台路堤阻水比台路堤阻水比L LD D 路堤阻水路堤阻水长度；度；B B 天然水面天然水面宽度。度。6.6 桥梁墩台基底最小埋深桥梁墩台基底最小埋深 桥墩的最低冲刷墩的最低冲刷线高程高程h h 桥台所在位置台所在位置（河（河滩或河槽）的平均或河槽）的平均水深水深(m)h hs s 桥台冲刷深度。台冲刷深度。桥台的最低冲刷台的最低冲刷线高程高程设计所需基础埋置深度设计所需基础埋置深度h由由桥梁基础桥梁基础课程所述课程所述方法确定；方法确定； 基底埋置安全深度基底埋置安全深度h查表确定。查表确定。 二二墩台基础最小埋深的确定原则：墩台基础最小埋深的确定原则：p根据桥位河段具体情况，取河床自然演变冲刷根据桥位河段具体情况，取河床自然演变冲刷一般冲刷和局部冲刷的不利组合，作为确定墩台一般冲刷和局部冲刷的不利组合，作为确定墩台基础埋深的依据。基础埋深的依据。p1.岩性河床墩台基础埋深岩性河床墩台基础埋深p2.桥台基底埋深桥台基底埋深p3.桥台锥体坡面防护桥台锥体坡面防护