桥梁设计之桥下河床冲刷过程预计算

桥梁设计计之桥下下河床冲冲刷过程程预计算算（BridgePierScourCalculation）为了保证证桥梁的的安全和和顺利宣宣泄洪水水，桥梁梁不但要要有足够够的桥孔孔长度和和桥梁高高度，而而且，墩墩台基础础还要有有足够的的埋置深深度，以以免遭受受洪水冲冲刷破坏坏。因此此，设计计桥梁时时，还必必须合理理的预计计桥梁使使用期内内河床的的演变和和墩台的的冲刷，，为确定定墩台基基础的埋埋置深度度提供依依据。天然河床床由泥、、土、沙沙、石等等组成，，统称为为河流泥沙沙（riversediment）。河道中的的水流和和泥沙总总是在不不停的运运动着，，床面上上的泥沙沙被水流流冲起带带走，使使床面下下切，形形成河床床的冲刷刷；水流流所挟带带的泥沙沙沉积下下来，使使床面淤淤高，形形成河床床淤积。。在水流流和泥沙沙的相互互作用下下，河床床总是在在不停地地冲淤变变化，构构成了河河床的自然演变变。建桥后，，除了河河床的自自然演变变外，还还有桥梁梁墩台对对水流和和泥沙运运动的干干扰而引引起河床床的冲刷刷，它们们交织在在一起，，同时进进行，所所以桥下下冲刷过过程十分分复杂。。桥梁墩台台周围河河床的最最大冲刷刷深度，，是设计计桥梁墩台台基础埋埋置深度度的依据据。最大冲刷刷深度是各种因因素综合合作用的的结果，，十分复复杂。为为了便于于研究和和计算，，桥涵水水文中把把这一复复杂的冲冲刷过程程简化为为独立的的三部分分——自然冲刷刷、一般般冲刷、、局部冲冲刷，并假定它它们相继继发生，，可以分分别计算算，然后后叠加，，作为墩墩台的最最大冲刷刷深度，并据以以确定墩墩台基础础的埋置置深度。。自然冲刷刷、一般般冲刷、、局部冲冲刷形成成的原因因各不相相同。自然冲刷刷地确定定方法：：由于影响响河床演演变的因因素非常常多，而而且错综综复杂，，难以得得到可靠靠的计算算结果。。目前在在实际工工作中，，主要通通过实地地调查或或参考类类似河流流的观测测资料，，结合河河段的特特点和整整治规划划，估计计建桥以以后可能能发生的的河床演演变，作作为设计桥梁墩台台的自然然冲刷深深度。在实际工工作中，，一般可根据桥桥位河段段的类型型，通过过选择“计算断面面”的方法来来确定自自然冲刷刷深度。。计算断面面选择：：平原顺直直型河段段：桥位上游游附近最最大水深深断面:.·:.·:.·:.·:.·:.·:.·:.·:.·:.·:.·:.·最大水深断面平原弯曲曲型河段段：桥位上游游附近河河湾半径径最小的的河湾顶点断断面游荡型和和变迁型型河段：：在桥位断断面上、、下游桥桥位河段内取若若干河床床断面重重叠后的的外包线线。桥位在河床演演变不甚甚激烈的的桥位河河段，一一般可用用桥位断断面作为为计算断断面，同同时，考考虑桥位位上游最最大水深深可能下下移，实实际工作作中常采采用桥位上游游附近实测或调调查的最最大水深深作为计计算断面面的最大大水深。。山区河段段：桥位断面面桥梁墩台台冲刷计计算中如如何简化化复杂的的冲刷过过程？§6.1桥下一般般冲刷计计算（generalscourofbridgepier）建桥以后后，桥孔孔压缩水水流，桥桥下流速速增大，，引起整整个桥下下断面河河床的冲冲刷，称称为一般冲刷刷。建桥以后后，桥孔孔压缩水水流，桥桥下流速速增大，，水流挟挟沙能力力随之增增大，引引起整个个桥下断断面河床床的冲刷刷，称为一般冲刷刷。随着一般般冲刷的的发展，，河床不不断刷深深，桥下下断面逐逐渐扩大大，过水水断面面面积不断断增大。。随着桥下下断面的的扩大，，流速相相应降低低，水流流挟沙能能力也随随之降低低。当流流速降低低到不能能继续冲冲刷河床床时，冲冲刷即趋趋于停止止了。此此时，桥桥下过水水断面最最大，一一般冲刷刷的深度度也达到到最大。。ZS垂线hP通常用一般冲冲刷停止时桥桥下的垂线水水深表示该垂垂线处的一般般冲刷深度，，以hP表示。桥下一一般冲刷停止止时的垂线平平均流速，称为冲止流速，以Vs表示，m/s。Vs表示方法：ZS6.1.1非粘性土河床床一般冲刷计计算（non-cohesivesoilriverbedgeneralscourcalculation）1、64-1修正式（按冲冲止流速建立立的公式）垂线hP建立的概念：：任一垂线，在在一般冲刷的的过程中，当当断面扩大使使垂线的平均均流速降到该该垂线的冲止止流速时，冲冲刷就停止了了，一般冲刷刷深度达到最大，并并且桥下所有有垂线的冲刷刷都停止时，，整个桥下断断面的一般冲冲刷就停止了了。Vs取桥下断面为为计算断面：：按水力学的连连续方程，单单宽流量：对任一条垂线：取最大水深垂垂线：当V=Vs时，h=hP，q=qs。qs为一般冲刷停停止时桥下最最大单宽流量量。求刚建桥，冲冲刷前的最大单宽流量量qmax。先求平均单宽流量量：式中，Lj为桥孔净长；；μ为侧收缩系数数（压缩系数数）。由谢才-曼宁公式：将代入qmax，得：（1）河槽部分冲刷停止后最大单宽流量与冲刷前最大单宽流量的关系：A称为单宽流量集中系数。稳定河段：A=1.0~1.2；次稳定河段：：A=1.3~1.4；不稳定河段：：A=1.5~1.7，最大不超过过1.8。冲止流速：式中，为河槽泥沙平均粒径，mm；

E为经验系数，与历年汛期最大月平均含沙量的平均值Spj有关。当Spj

<1.0kg/m3，E=0.46；当Spj=1.0~10.0kg/m3，E=0.66；当Spj>10.0kg/m3，E=0.86。将式（6-3）（6-5）代入（6-1）：QP为设计流量；；Lj为桥孔净长。。适用条件：桥下全部为河河槽（单式断断面）或桥下下河槽部分（（复式断面））。QcP为桥下河槽部分分通过的设计流流量；Lcj为桥下河槽部分分的桥孔净长。。桥下河槽部分分，故可改为为：应用说明：①当桥下断断面全为河槽槽，Lcj=Lj=L-nd，QcP=QP。②当桥孔压缩部部分河滩，桥桥下河槽不会会扩宽至全桥，则：LLcQcZSZmin为冲刷前桥下河槽部分的过过水面积、谢谢才系数、平平均水深。为冲刷前桥下各部分（包括括河槽、河滩滩部分）的过过水面积、谢谢才系数、平平均水深。式中，Lcj为桥下河槽部分桥孔净长；

QcP为桥下河槽通过的设计流量；

Qc、

分别为天然状态下桥下河槽、河滩通过的流量。③当桥孔压缩部分河滩，桥下河槽会扩宽至全桥，则认为桥下全部为河槽，Lcj=Lj=L-nd，QcP=QP，不变。④值的确定：通常按桥位上游附近枯水位或中低水位实测过水断面图求得；也可利用设计水位时的实测桥位断面图求得。⑤当桥下河床由多层成分不同的土质组成，分层土河床的冲刷可采用逐层渐进试算方法进行。（1），先按计算，若计算hP位于层，即为所求；若计算hP位于层，改用计算，若结果位于层，即为所求，若位于层，取两层交界面为冲刷线标高，或取按第一层粒径的计算结果。hPZS河底hPZS河底（2），先按计算，若结果位于层，即为所求；若位于层，改按计算。多层粒径不同同的河床，处处理方法相同同，逐层渐进进试算。（2）河滩部分式中，VH1为河滩水深为为1m时非粘性土容容许不冲刷流流速，与河滩滩泥沙组成有有关，可查表表6-1。式中，Ltj为桥下河滩部分分桥孔净长；QtP为桥下河滩部分通过的设计流流量；河滩泥沙分层层处理方法与与河槽相同。。Qc、分别为天然状态下桥下河槽、河滩通过的流量。为冲刷前桥下河滩部分的过水面积、谢才系数、平均水深。为冲刷前桥下各部分（包括河槽、河滩部分）的过水面积、谢才系数、平均水深。2、64-2简化式（按输输沙平衡建立立的公式）Q1h1B1Qb1B2Qb2Q2h2=hP建立的概念：：记计算断面来沙Qb1，桥下排沙为为Qb2。建桥后，由于于桥孔压缩水水流，桥下流流速增大，水水流挟沙能力力加大，Qb1<Qb2，桥下发生冲冲刷。随着冲冲刷的发展，，桥下断面不不断扩大，桥桥下流速随之之降低，水流流挟沙能力也也随着降低。。当断面扩大大到使流速降降到Qb2≈Qb1，输沙平衡，桥下一般冲冲刷就停止了了，此时，桥桥下过水断面面最大，水深深也达到最大大。计算断面桥位断面来沙：单宽输沙率：断面输沙率：排沙：单宽输沙率：断面输沙率：当输沙平衡，，令Qb1=Qb2，整理得：①输沙率公式不不同，系数指指数不同；②断面平均均流速代替垂垂线平均流速速需修正；③Q1=Qc，B1=Bc；④h1hmax，h2hP；⑤需要考虑虑单宽流量集集中系数A。适用条件：沙质（非粘性性土）河槽。。桥下全部为为河槽或桥下河河槽部分。应用说明：①当桥下断面全为河槽，Q2=QP，B2=Bc。②当桥孔压缩部分河滩，桥下河槽不会扩宽至全桥，则：式中，Lc建桥后桥下河河槽宽度。LLcQcZSZmin③当桥孔压缩部部分河滩，桥桥下河槽会扩扩宽至全桥，，则认为桥下下全部为河槽槽：6.1.1粘性土河床一一般冲刷计算算（cohesivesoilriverbedgeneralscourcalculation）平均粒径小于于0.05mm的泥沙称为粘粘性土。粘性土颗粒粒很细，在其其表面形成很很薄且结合紧紧密的薄膜水水，使颗粒之之间具有一定定的粘性力。。土力学中，，用液性指数IL表示粘性土粘粘结力大小的的指标。液性指数：式中，IL为粘性土的液液性指数；W0为粘性土的天天然含水量Wp为粘性土的塑塑限含水量WL为粘性土的流流限含水量。。Ip=WL-Wp为粘性土的塑塑性指数。液性指数越小小，粘性土的的粘结力越大大，抗冲能力力越大，冲止止流速也越大大。1、河槽部分式中，A为单宽流量集集中系数，A=1.0~1.2；IL为粘性土液性性指数，本公式适用范范围:IL=0.16~1.19。QcP为桥下河槽部分通过的设计流量；Lcj

为桥下河槽部分的桥孔净长。Qc、分别为天然状态下桥下河槽、河滩通过的流量。2、河滩部分式中，Ltj为桥下河滩部部分桥孔净长长；QtP为桥下河滩通通过的设计流流量；Qc、分别为天然状状态下桥下河河槽、河滩通通过的流量。。6.1.3桥台偏斜水流流的一般冲刷刷当河滩被压缩缩较多，且桥桥前无导流堤堤时，河滩水水流在桥台附附近集中，形形成偏斜冲刷刷。ZShhPhmax冲刷前冲刷后桥台桥台(bridgeabutment)可用以下公式式估算：式中，为为冲刷后后桥台处的水水深；h为冲刷前桥台台处的水深；；hmax为冲刷前桥下下河槽的最大大水深；P为冲刷系数。。【例6-1】已知桥位断面面图。QP=6000m3/s,设计水位ZS=93.18m，相应过水面面积2797m2。平滩水位90.88m，天然情况下下河槽流速Vc=2.92m/s，汛期含沙量量Spj=5kg/m3。桥梁与河道道正交，采用用24孔单跨32m的钢筋预应力力混凝土梁桥桥，墩宽1.875m。其它有关地地质资料及断断面计算数据据见表6-2和表6-3。假定建桥后后桥下河滩不不会变为河槽槽，试确定一一般冲刷深度度。图6-1桥址断面图河滩左滩：右滩：河槽+左滩+右滩=4905+714+383=6002m3/s或：根据谢才公式式：得水面比降：：天然状态下河河滩流速：天然状态下桥桥下河滩通过过的流量：桥下河槽、河河滩通过的设设计流量：1、64-1公式假定冲刷深度度至第二层，，按第二层粒粒径计算：冲刷线标高=93.18-13.20=79.98m，冲刷已深入入第三层，改改按第三层粒粒径计算：冲刷线标高=93.18-9.75=83.43m，冲刷线位于于第二层，说说明冲刷线位位于第二、三三层交界面。。故认为冲刷刷至第二层底底，一般冲刷刷深度为：2、64-2公式河槽不可能扩扩宽，只计算算河槽一般冲冲刷深度：Qc=ωcVc=1260××2.92=3680m3/s，Bc=363mQ2=QcP=4905m3/s，B2=Lc=Bc=363m冲刷线标高=93.18-10.93=82.25m，冲刷线位于于第三层，但但在第二、三三层交界面下下方附近。综合分析上述述两种结果，，河槽一般冲冲刷深度取10.18m。（三）河滩一一般冲刷深度度计算左滩：先按粘性土计计算冲刷线标高=93.18-6.35=86.83m，位于第二层层，故重新按按非粘性土计计算。由第二二层泥沙粒径径，查得对应应容许不冲刷刷流速VH1=0.34m/s。冲刷线标高=93.18-9.69=83.49m，位于第二层层。右滩：先按粘性土计计算冲刷线标高=93.18-3.29=89.89m，位于第一层层粘性土层内内。（四）桥台偏偏斜冲刷计算算取冲刷系数P=1.2，冲刷前左桥桥台水深1.7m，右桥台水深深1.5m。两桥台偏斜斜冲刷深度分分别为：左桥台：偏斜冲刷线标标高=93.18-3.44=89.74m，位于第一层层粘性土层内内，比左滩冲冲刷线高，取取左滩冲刷线线标高83.49m。右桥台：偏斜冲刷线标标高=93.18-3.10=90.08m，位于第一层层粘性土层内内，比右滩冲冲刷线高，取取右滩冲刷线线标高89.89m。说明偏斜冲刷刷不大，可以以忽略不计。。1、一般冲刷形成成的原因是什什么？2、建立64-1公式的概念是是什么？3、建立64-2公式的概念是是什么？§6.2桥墩局局部冲冲刷（Localscourofbridgepier）形成原因：流向桥墩的水流受到墩身的阻挡，桥墩周围的水流结构发生急剧的变化。水流的绕流使流线弯曲，床面附近形成漩涡，剧烈地淘刷桥墩迎水端和周围的泥沙，形成局部冲刷坑。6.2.1局部冲冲刷现现象一般冲刷后床面局部冲刷坑随着冲冲刷坑坑的不不断加加深和和扩大大，坑坑底流流速逐逐渐降降低，，水流流挟沙沙能力力随之之减弱弱；同时，，冲刷刷坑坑坑底的的泥沙沙逐渐渐粗化，抗冲冲能力力增强强，使使床沙沙的抗抗hV冲能力力和水水流的的冲刷刷能力力逐渐渐趋于于平衡衡。当当上游游进入入冲刷刷坑的的泥沙沙与水水流冲冲走的的泥沙沙趋于于平衡衡，冲刷就就停止止了，，局部部冲刷刷坑达达到最最深。。把冲刷刷坑外外缘与与桥墩墩前端端（迎迎水端端）坑坑底的的最大大高差差，称称为局部冲冲刷深深度，记为为hb。hVhb模型试试验：桥墩局局部冲冲刷深深度与与冲向向桥墩墩的水水流流流速（以以垂线线平均均流速速表示示）有有关。。

当冲向桥墩的流速增大到一定程度时，桥墩迎水面及两侧的泥沙开始被水流冲走，床面开始冲刷。此时，把冲向桥墩的流速称为床沙的起冲流速，（theapproachvelocityduringinitialscourofpier）。hbVV0当V大于并继续增大时，河床继续冲刷，冲刷坑继续加深扩大，冲刷深度hb与流速V呈直线关系增长。

当流速V增大到床沙的起动流速V0（thresholdvelocity）时，床面泥沙大量起动，上游泥沙进入冲刷坑，冲刷坑冲刷的深度因来沙的补偿而减缓。因此，当V大于V0并继续增大时，局部冲刷深度hb与流速呈曲线关系。hbVV0模型试试验表表明：：局部部冲刷刷深度度最大大只能能达到到墩宽宽的二二倍。。6.2.2非粘性性土河河床局局部冲冲刷计计算1、65-1修正式式式中，，Kξ为墩形形系数数，查查表6-4；B为桥墩墩计算算宽度度，m，按表6-4；Kη1为河床床泥沙沙颗粒粒影响响系数数，V0为床沙沙起动动流速速，m/s，

为墩前泥沙起冲流速，m/s，V为一般冲刷结束后墩前行近（冲止）流速，m/s；hP为一般冲刷结束后的水深，m；n1为指数；为河床泥沙平均粒径，mm。2、65-2公式式中，，Kξ为墩形形系数数，查查表6-4；B为桥墩墩计算算宽度度，m，查表6-4；Kη2为河床床泥沙沙颗粒粒影响响系数数，V0为床沙沙起动动流速速，m/s，

为墩前泥沙起冲流速，m/s，V为一般冲刷结束后墩前行近（冲止）流速，m/s；hP为一般冲刷结束后的水深，m；n2为指数；为河床泥沙平均粒径，mm。6.2.3粘性土土河床床局部部冲刷刷计算算式中，，IL为冲刷刷坑范范围内内粘性性土液液性指指数，，适用用范围围为0.16~1.48。其它符符号同同前。。6.2.4一般冲冲刷结结束后后墩前前行近近流速速（冲止流流速）计算算1、非粘粘性土土河床床（1）河床床①64-1修正式式②64-2简化式式式中，，Vc为天然然河槽槽平均均流速速。2、粘性土河床（1）河槽（2）河滩（2）河滩64-1修正式6.2.5墩台基基底最最小埋埋置深深度计计算ZShmaxhPhbhs基底高高程Zjd天然河河底桥墩ΔcΔh

hP

hb总冲刷深度hs：墩台基基底埋埋置高高程：：式中，，Δc为基底底埋深深安全全值，，查表表6-5、6-6。应用说说明：1、建立立64-1、64-2公式时时所依依据的的实测测资料料已包包含河河床自自然冲冲刷，，所以以用这这两个个公式式计算算的结结果中中已包包括了了自然然冲刷刷深度度。2、在确确定桥桥梁墩墩台基基础埋埋置深深度时时，应应根据据桥位位河段段的具具体情情况，，取河河床自自然冲冲刷、、一般般冲刷刷和局局部冲冲刷的的不利利组合合，作作为确确定墩墩台基基础埋埋深的的依据据。3、对稳定定河段段，河槽槽稳定定，不不会扩扩宽，，河槽槽部分分和河河滩部部分的的桥墩墩，可可分别别采用用各自自的冲冲刷深深度确确定埋埋置高高程。。对不稳稳定河河段，河槽槽有可可能扩扩宽，，河滩滩上所所有桥桥墩基基底高高程均均采用用河槽槽桥墩墩基底底高程程值。。4、位于河河槽的的桥台台，当其其最大大冲刷刷深度度小于于桥墩墩总冲冲刷深深度时时，桥桥台基基底埋埋深应应与桥桥墩基基底高高程相相同；；位于河河滩的的桥台，对河河槽摆摆动的的不稳定定河流流，桥台台基底底高程程应与与桥墩墩相同同；在在稳定河河流上，桥桥台基基底高高程可可按照照桥台台冲刷刷计算算的结结果确确定。。5、桥台锥锥体护护坡基基脚埋埋置深深度，应考考虑冲冲刷的的影响响，当当位于于稳定、、次稳稳定河河段的的河滩滩上，基脚脚底面面应在在一般般冲刷刷线以以下至至少0.5m；当桥桥台位位于不稳定定河流流的河河滩上时，，基脚脚底面面应在在一般般冲刷刷线以以下至至少1m。【例6-2】根据例例6-1所给的的资料料和计计算结结果，，采用用圆端端形桥桥墩，，宽3.10m，横向向宽9.10m，基础础为沉沉井，，尺寸寸4.6m×10.6m，沉井