桥墩和桥台一般及局部冲刷原理及计算公式

桥墩和桥台一般及局部冲刷原理及计算公式第一节泥沙运动第二节河床演变和河相关系第三节一般冲刷第四节局部冲刷第五节桥台冲刷第六节最低冲刷线高程第一节泥沙运动要研究泥沙运动规律，首先应了解泥沙的基本特性，它包括：1.几何特性：泥沙颗粒的形状、大小及群体泥沙的组合特性2.重力特性：泥沙颗粒的容重与淤积泥沙的干容重3.水力特性：泥沙颗粒的沉降速度泥沙类型悬移质推移质床沙泥沙运动泥沙运动一、泥沙的主要特性1几何特性粒径d粒径级配曲线平均粒径d和中值粒径d用等容粒径表示50粒配曲线：表示天然沙颗粒组成的曲线.绘制过程：取样→烘干→筛分→称重→点线→求各种特征值.曲线坐标：半对数坐标2重力特性用容重表示3水力特性用沉速表示单颗粒泥沙在静止的无限大的清水水体中匀速下沉的速度(cm/s)。二、泥沙的运动泥沙的起动—在水流推动下，床面泥沙颗粒由静止开始运动。起动流速---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上的平均流速。费玉清起动流速公式：重力项粘粒项流速换算项张瑞瑾起动流速公式：流速换算项重力项粘粒项当d≥2mm时，该式变为：张瑞瑾公式和费玉清公式在计算起动流速时的差别三沙波运动沙质河床的床面泥沙在水流作用下，泥沙起动后出现推移质运动，形成床面沙波。当Fr很小时，仅出现沙纹；当Fr增大到一定程度，沙纹成长为沙垄；水流强度再增大，则变为沙丘。裸露的黄河河床—沙纹

沙波运动是水流强度达到一定强度后，推移质运动的集体形式此时，床面起伏不平的波浪形态，是推移质运动的主要形态。四推移质质输沙率沙波运动是推推移质运动的的主要形式，，而推移质输输沙率的大小小则反映推移移质运动的强强烈程度。推移质输沙率率是单位时间间内在过水断断面单位河槽槽宽度上，通通过的推移质质的质量，用用表表示，单位位是kg/s.m窦国仁德推移移质输沙率公公式式中---系数，一般取取0.01---谢才系数，无无量纲，---起动流速---泥沙沉速---水和泥沙的容容重五含沙沙量和挟砂能能力六河河床的粗化含沙量—单位体积内水水流中所含悬悬移质的质量量，kg/m在一定条件和和边界条件下下，单位体积积的水流能够够挟带泥沙的的最大数量或或质量(包括推移质和和悬移质)，称为水流的的挟砂率。3在冲刷河段内内，床沙中的的细颗粒被水水流冲走，上上游来沙中的的粗颗粒泥沙沙慢慢沉下来来，这样，河河床表面层的的泥沙粒径逐逐渐增大，形形成自然铺砌砌的现象，称称为河床的粗粗化。第二节河河床演化和和河相关系一副副流由于过水断面面形状的改变变或河槽的影影响，伴随着着主流，在水水流内部形成成一种尺度较较大的旋转流流动，这种从从属于主流而而存在的旋转转流动称为副副流。副流立轴副流(回流)平轴副流(滚流)顺轴副流(螺旋流)河相关系：水流与河床长长期相互作用用使河流朝着着平衡的方向向发展，当其其处于平衡或准准平衡状态时时，河床形态态与流域来水水、来沙条件件和河床边界条条件之间存在在着的密切关关系。二河床演演变的基本概概念河床演变是水水流与河床不断相互作用用的过程，在这一过程中中，泥沙运动是纽带。任任一河段在特定水流条件件下有一定挟沙能力。河床演变是指指：河道在天然情情况下或受人工因素的的影响下所发生的变化化。当上游来沙量量与水流挟沙沙能力互相适适应时,水流处于输沙平衡衡状态,河床保持相对对稳定；如上上游来沙量与水流流挟沙能力不不适应,水流输沙不平平衡,河床就产生相相应冲淤变化化。河床变化化反过来又会改变水流条条件，从而引引起水流挟沙沙能力的变化，变化的趋趋势是尽量使使上游来沙量量与水流挟沙沙能力相适应，，使河床保持持相对平衡。。河流存在两个个反馈系统：(1)水流挟带泥沙沙，泥沙的存存在又影响水水流结构；(2)水流作用于河河床，使河床床发生变化，，河床形态反反过来又影响响流速分布。。它们相互依存存，相互影响响，又相互制制约。水流与河床的的相互作用是是通过河流中中泥沙的冲刷刷、搬运和堆堆积而实现的的，泥沙在其其中起着纽带带作用。当流速增加，，组成河床的的泥沙遭到冲冲刷，使河床床降低或拓宽宽；当流速减小，，水中挟带的的泥沙沉积于于河床上，使使河床抬高或或束窄，河床床就会发牛相相应的变化。。河床演变是水水流、泥沙与与河床相互作作用的反映。。山区河流河床床演变特性1、山区河流常常具有宽窄相相间的外形，，洪水期峡谷谷进口、悬移移质在上游宽宽阔段内大量量落淤。非汛汛期宽阔段““走沙”时冲冲刷外移的泥泥沙，在进入入下游峡谷段段时，由于水水深流缓，大大部分在峡谷谷段淤积。（例：澜沧江江）2、弯曲型河流流，由于两岸岸受山崖阶地地的钳制，自自由活动的余余地较小，河河床蠕动只能能顺着河谷方方向平移。3、分汊河流的的江心州和心心滩位置较固固定，以两汊汊居多。4、河床卵石运运动在时间分分布上具有明明显的不连续续性。同时，，卵石的输沙沙率有很大的的波动。5、沿程有不少少溪沟入汇，，在沟口发育育形成冲积扇扇，其伸人干干流部分成为为溪口滩（例），既影响河床床的演变又影影响航运。澜沧江阿达箐箐滩平原河流的河河床演变主要表现：多多呈现周期性性的往复变形形、平面上的的摆动，冲淤淤变形速度快快、幅度大都天庙凹冲凸凸淤，且速度度均快和畅洲头冲尾尾淤，江心洲洲不断下移，，但头冲快而而尾淤慢主流线不断左左移引起凹岸岸冲刷，下移移引起和畅洲洲头崩坍后退退影响河床演化化的因素1上游来水条件件，即流量的的大小和变化化流量大大，冲冲击力力强，，对河河床冲冲刷严严重，，变形形快；；雨季季和旱旱季的的变化化，河河床也也出现现周期期性变变化。。2上游来来沙条条件，，即上上游来来沙量量及其其粒径径的变变化流量大大，挟挟砂能能力强强，泥泥沙颗颗粒也也大，，对河河床冲冲刷严严重，，变形形快。。3河床地地质、、土质质条件件、河河床比比降为为河床床演变变提供供边界界条件件。三河河相关关系造床流流量—河床形形态是是在无无数次次洪水水过程程中、、水沙沙相互互作用用下连续演演变的的结果果。为为研究究河相相关系系，人人们引引入““一个个与多多年连连续造床作作用相相当的的某个个流量量数值值”。。在桥梁梁工程程中，，取与与河滩滩水位位齐平平时的的河槽槽流量量作为为造床床流量量。特点：：造床床作用用最大大不是最最大流流量，，因为为其历历时短短不是最最小流流量，，因为为其流流量及及动量量小是流量量较大大历时时较长长的某某级流流量基本河河宽公公式河槽宽宽度与与水深深的关关系B---平摊水水位(造床流流量)时的河河槽宽宽度H---平摊水水位(造床流流量)时的河河槽平平均水水深---断面河相系系数单宽流量集集中系数A第三节桥桥下河河床断面的的一般冲刷刷桥下河床冲冲刷计算，，是确定墩墩台基础埋埋深的重要要依据。河床变形分分为三类：：1.河道自然变变化引起，，称为自然然冲刷；2.桥渡束狭水水流，增加加单宽流量量所引起的的全断面冲冲刷，称一一般冲刷，，用h表示；3.由桥墩阻水水使水流结结构变化，，在桥墩周周围发生的的冲刷，称称局部冲刷刷，用h表示。bp一般冲刷冲刷停止时时桥下的垂线水深深表示该垂线处的的一般冲刷深度。。桥墩前水流流形态发生生的变化桥墩前的局局部冲刷一、根据输输沙平衡原原理建立的的公式根据输沙平平衡原理，，应该是该该断面推移移质输沙量量G的输沙平衡衡。上游天然断断面桥下断面GG12即---上游天然断断面河槽宽宽度---桥下河槽宽宽度，一般般砂性土河河床建桥后后，桥下河槽可扩展展到整个桥桥孔，B=L;否则，B=B22cq---上游天然断断面单宽输输沙率---桥下断面单单宽输沙率率式中将上式带入入输沙率公公式得：见表6-3-11964年甘城道将将上式改写写成：---系数---桥下河槽最最大水深---造床流量时时的最大水水深和平均均水深---单宽流量集集中系数---系数，一般般取0.216~~0.2431984~1990进一步简化化为---桥下河槽通通过的流量量---计算断面的的天然河槽槽流量Q---天然状态下下，桥下河河滩部分通通过的流量量---该式被称为为64-2简化公式，，用于沙质质河床c二、根据冲冲止流速建建立的公式式1、砂性土河河槽的一般般冲刷公式式一般冲刷停停止时桥下下的垂线平平均流速，，称为冲止止流速。冲止流速一般冲刷深深度桥下平均单单宽流量桥下最大单单宽流量该式又被称称为64-1公式E-可查表6-3-22、砂性土河河滩的一般般冲刷公式式----河滩部分的的冲止流速速---桥下河滩部部分通过的的部分设计计流量---河滩水深1m时，非粘性性土的不冲冲刷流速，，可查表6-3-3---天然状态下下河滩部分分通过的流流量3、粘性土河河床的桥下下断面一般般冲刷公式式平均粒径小小于0.005mm的泥沙，称称为粘性土土。土力学中反反映粘土粘粘结力大小小的指标为为液性指数数I和孔隙率e。I和e越小，粘土土的粘结力力越大，抗抗冲能力越越强，冲止止流速也就就越大。LL冲止流速桥下河槽桥下河滩三、根据别别列柳伯斯斯基假设建建立的公式式E.B.包尔达克夫夫根据别氏氏假设认为为：桥下流流速达到天天然河槽平均流速时时，桥下冲冲刷即停止止，而且同同一垂线处处、冲刷后后的水深与冲刷刷前的水深深成正比，，又称为包包尔达克夫夫公式，适适应于稳定性河河段的河槽槽。1、河槽土质质均匀时---冲刷前的面面积2、河槽土质质不均匀时时---河床易冲刷刷部分冲后后水深---冲刷前桥下下毛过水断断面面积---冲刷前易冲冲刷部分毛毛过水断面面面积---冲刷后不易易冲刷（表表层土壤被被冲走后））的毛过水水断面面积积第四节桥桥墩的的局部冲刷刷1.桥墩局部冲冲刷的机理理桥墩周围的的水流：墩前水面涌涌波墩前迎水面面的向下水水流漩涡体系2.冲刷深度和和行近流速速行近流速是指桥墩上上游不远处处，未受绕流影影响的墩前前天然流速速。取一般冲刷刷终止后的的墩前流速速作为墩前行行近流速，，相应的墩墩前水深也是取取一般冲刷刷后的最大大水深hp来计算。1964年，桥渡冲冲刷学术会会议为了制制定桥渡局局部冲刷公公式，假定定：清水冲刷冲冲刷刷深度h随行近流速速直直线增加；；动床冲刷刷冲刷深度h随行近流速速呈呈下凹曲曲线形式增增大；在处这两种状状态是连续续的。bb起冲流速起动流速二.65-2公式和65-2修正公式1.65-2公式---墩形系数，，见表6-4-1---计算墩宽---一般冲刷后后水深---起动流速起冲流速------行近流速系数---序号墩形示意图图墩形系数墩形计算宽宽度B1B1=d11.0B1=d234657891012112.65-2修正公式---起冲流速，，清水冲刷桥墩迎水面面两侧泥沙沙起冲流速计计算如下：：n---指数动床冲刷三.粘性土河床床桥墩局部部冲刷公式式二式的适应应范围介介于于0.16~~1.48四.行近流速和和行近水深深假定局部冲冲刷是在一一般冲刷完完成后进行行的，应取取一般冲刷刷后最大水水深作为行行近水深和和一般冲刷刷后垂线平平均流速作作为行近流流速。按输沙平衡衡原理计算算一般冲刷刷时，行近近流速的计计算可近似似采用下式式：第五节桥桥台冲刷一