第十三章 桥梁墩台冲刷计算

1、叶镇国 彭文波 编箸 水力学与桥涵水文水力学与桥涵水文 1 第十三章 桥梁墩台冲刷计算 p13-1 河流的泥沙运动与河床演变 p13-2 墩台冲刷类型 p13-3 桥下断面一般冲刷深度 p13-4 墩台局部冲刷深度 p13-5 桥下河槽最低冲刷线 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 2 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 o 泥沙分类 n 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 。 n 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。 n 床沙下沉到河床床面静止不动的泥沙 。 o 泥沙的主要特性 n 几何特性 o 一般用泥沙颗粒的直径（粒径d）、粒径级配

2、曲线、 平均粒径或中值粒径（d50）来表示。 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 3 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 o 粒径与泥沙颗粒同体积的球体直径，即等容直径。 n测量方法：筛分法、水析法、直接量测长短轴 o 粒径级配曲线：表明沙样颗粒的大小和均匀程度。 （图 9-16） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 4 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 o 平均粒径 o 中值粒径大于和小于该粒径的泥沙质量（或重量） 各占一半。 n重力特性 o 泥沙颗粒实体的单位体积的重力，即重度。 o 一般平均为26kN/m 。 n水力特性 o 沉降速度泥沙颗粒在静止的清水中均匀下沉的速度。 i ii

3、 P Pd d （9-20） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 5 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 o 泥沙的起动 n 泥沙的起动：在水流推动下，床面泥沙颗粒由 静止开始运动。 n 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 0.5 0.14 7 0 0.72 10 17.66.05 10 s hh vd dd （图9-21） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 6 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 n沙波运 动形式 示意图 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 7 13-1 河流的泥沙运动与河床演变

4、 n 天然河流中的沙波 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 8 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 n 输沙率、含沙量与挟沙力 o 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。 o 反映推移质运动的强烈程度。 o 窦国仁公式 o 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。 g v vv C k g s s b 3 0 2 0 0 )( 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 9 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 n 含沙量单位体积内水流中所含悬移质的重 量。 n 挟沙力在一定

5、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。 n 桥孔净长Lj桥长扣除全部桥墩宽度后的长度。 n 河床的粗化 o 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。 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 10 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 o 河床演变 n 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。 n 河床演变的基本原理 o 水流输沙不平衡引起河床演变 o 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。 o 副流的存在是河床冲淤变形的直接原因。 n 影响河床演变的

6、主要自然因素 o 上游来水条件，即流量的大小和变化。 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 11 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 o 上游来沙条件，即上游来沙量及其粒径组成。 o 河床地质、土质条件、河床比降。 o 河相关系 n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。 n造床流量与多年连续造床作用相当的某个流量数 值。 n稳定河宽公式 2 . 0 5 . 0 i Q B （9-25） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 12 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 n 河槽宽度与水深的关系 n

7、单宽流量集中系数 h B （9-24） 0.15 0.15 B H （13-3） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 13 13-2 墩台冲刷类型 o 概述 n 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。 n 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 n 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。 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 14 13-2 墩台冲刷类型 n 规范C30的一般规定： 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 15 13-2 墩台冲刷类型 o

8、 河床自然演变冲刷 n 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。 n 规范C30条文 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 16 13-2 墩台冲刷类型 o 桥下断面一般冲刷 n 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） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 17 13-2 墩台冲刷类型 o 墩台局部冲刷 n 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。 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 18 13-3 桥下断面一般冲刷深度

9、o 一般冲刷深度hp n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。 o 64-1公式（冲止流速公式） n冲止流速vz桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速。 n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。 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 19 13-3 桥下断面一般冲刷深度 n 连续性方程 （12-17） z p v q h max 对宽浅式河渠，水力半径约等于平均水深 3 5 6 1 ) 1 ()(h n iL RiR

10、n hLRiACQ j jP 3 5 h n i L Q q j P 3 5 maxmax h n i L Q q j P 3 5 max 3 5 max max )()( h h L Q h h qq j P 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 20 13-3 桥下断面一般冲刷深度 n 冲止流速 o 非黏性土河槽 （13-2） 考虑单宽流量向深槽集中的趋势 5 3 max max cP j Qh q Lh 0.15 B H （13-3） 21 36 zp vEd h （13-4） 一般冲刷深度 3 5 max 1 6 cP p j Qh h h L Ed （13-5） 叶镇国 彭文波 编著

11、水力学与桥涵水文 21 13-3 桥下断面一般冲刷深度 o 非黏性土河滩 1 5 max1Htp vv h （13-7） max max v q h t tp 3 5 max max )( t t tj tP t h h L Q q （13-6） 一般冲刷深度 5 5 6 3 max 1 . tPt tjt tp H Qh Lh h v （13-8） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 22 13-3 桥下断面一般冲刷深度 n 粘性土河床 o 塑限Wp：粘性土由半固态向可塑态过渡时的含水量。 o 流限WL：由可塑态向流态过渡时的含水量。 o 塑性指数Ip：流限与塑限之差。 o 液性指数IL：

12、天然含水量与塑限的差值与塑性指数 的比值。 PLP IWW 0P L P WW I I （13-9） 1 z L v I 1 z v e 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 23 13-3 桥下断面一般冲刷深度 o 冲止流速经验公式 o 一般冲刷深度 河槽： 5 3 1 33. 0 p L z h I v 河滩： 6 1 1 33. 0 p L z h eI v 5 5 8 3 max 1 0.33 cP j p L Qh Lh h I 6 5 7 3 max 1 0.33 cPt t j tp L Qh Lh h Ie 河槽： 河滩： （13-14） （13-13） 叶镇国 彭文波 编著水

13、力学与桥涵水文 24 13-3 桥下断面一般冲刷深度 o 64-2公式（输沙平衡公式） n 输沙平衡理论 o 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。 o 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。 o 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。 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 25 13-3 桥下断面一般冲刷深度 n 计算式 4 4 1 11111 111 1 1 s Q GB gBvB B h 4 4 2 22222222 2 2 jsj j Q GB gB vB B h

14、令G1G2， ，得： 2 p hh 22 1 j BB 3 1 4 4 221 1 112 1 p QB hh QB 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 26 13-3 桥下断面一般冲刷深度 n 考虑单宽流量的分布不均匀、河床的特征和实 测的资料，得 1 1 3 4 21 max 12 max 1 1 0.02lg m m p QB hKh QB H K Hd （13-20） 64-2式： max 66. 0 2 1 90. 0 1 2 )1 ( 04. 1h B B Q Q Ahp 64-2简化式： 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 27 13-3 桥下断面一般冲刷深度 o 包氏公式

15、n 包氏理论 o 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。 n 计算式 o 均质河床： o 非均质河床，易冲土壤部分： o 无导流堤时桥台偏斜冲刷深度： p hPh 2 1 q p PAA h A max max p h hPhhh h （13-21） （13-23） （13-22） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 28 13-4 墩台局部冲刷深度 o 墩台局部冲刷深度hb冲刷坑外缘与冲刷 坑底的最大深度。 o 决定冲刷坑深度的主要因素 n 水深 o 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。 n

16、墩前水流的行进流速 o 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。 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 29 13-4 墩台局部冲刷深度 n 桥墩宽度和形状（计算宽度和墩形系数） n 河床质粒径和组成（平均粒径、颗粒影响系数） n 墩周的起冲流速，泥沙的起动流速 o 桥墩局部冲刷深度计算式 n 65-1修正式（非粘性土河床） 清水冲刷： 0.6 100b hK K Bvv （13-24） 动床冲刷： 1 0.6 0 100 00 n b vv hK K Bvv vv （13-25） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 30 13-4 墩台局部冲刷深度 10

17、.450.15 11 0.8K dd （13-26） 0.50.14 00.72 10 0.0246332 pp hh vd d d 0.06 00 0 0.462 d vv B 0.19 0.25 0 1 d v n v （13-27） （13-28） （13-29） 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 31 13-4 墩台局部冲刷深度 n 65-2公式（非粘性土河床） 2 0.60.15 0 20 0 n bp vv hK K Bh v 0.24 22.2 0.0023 0.375Kd d 0.5 0 0.55 0 0.280.7 0.120.5 vd vd 2 1n 2 0.23 0.19lg 0 1 d n v v （13-30） （13-31） （13-32） 清水冲刷： 动床冲刷： 叶镇国 彭文波 编著水力学与桥涵水文 32 13-4 墩台局部冲刷深度 n 粘性土河床（ C30 规范） 5 . 2 1 B hp 0.61.25 0 0.83 bL hK BIv 5 . 2 1 B hp 0.60.