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第六章桥墩和桥台冲刷 武汉理工大学交通学院 第三节桥下河床断面的一般冲刷 河上建桥后 桥下过水断面受压缩减少 桥下流速增大 水流挟沙能力相应增强 桥下河床全断面内发生的普遍冲刷 称为一般冲刷 随着一般冲刷的发展 桥下过水断面逐渐加大 流速又将逐渐下降 当达到新的输沙平衡状态 或者桥下流速降低到河床质的允许不冲刷流速时 冲刷即行停止 一般冲刷深度至此达到最大 桥下河床在一般冲刷完成后 从设计水位算起的某一垂线水深 称之该垂线处的一般冲刷深度 第三节桥下河床断面的一般冲刷 桥下一般冲刷可按下述三类公式计算 一按输沙平衡建立的公式二按冲止流速建立的公式三根据别列柳伯斯基假定建立的公式 第三节桥下河床断面的一般冲刷 一按输沙平衡原理建立的公式原理 建桥后 若上游天然河槽断面输移来的泥沙量 来沙量 较少 不足以补偿桥下河流断面被水流冲走的泥沙量 排沙量 则桥下河流断面的来沙呈小于水流挟沙能力 桥下断面发生冲刷 随着冲刷的发展 桥下河槽断面的水流挟沙能力逐渐降低 上游来沙则和桥下排沙量将逐渐接近以至相等 此时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 根据上述输沙平衡的概念可以建立一般冲刷深度计算公式 第三节桥下河床断面的一般冲刷 一按输沙平衡原理建立的公式桥下河槽的一般冲刷主要是通过推移质移动实现的 因而可根据桥下河流断面推移质输沙量的平衡条件 导出一般冲刷计算公式 第三节桥下河床断面的一般冲刷 一按输沙平衡原理建立的公式 第三节桥下河床断面的一般冲刷 一按输沙平衡原理建立的公式 第三节桥下河床断面的一般冲刷 一按输沙平衡建立的公式 1964年甘城道Bi Qi分别为上下游两天然断面的河槽宽度 流量 此公式各参数含义及其推求 第三节桥下河床断面的一般冲刷 一按输沙平衡建立的公式64 2简化公式 公路桥位勘测设计规范推荐使用本简化公式 第三节桥下河床断面的一般冲刷 二按冲止流速建立的公式原理 桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速 称为不冲刷流速 工程界常称之为冲止流速 按此概念假定当桥下河槽断面内任一垂线的平均流速达到冲止流速时 此垂线处冲刷停止 至此 一般冲刷深度达到最大 此时的最大水深即为所求一般冲刷深度 第三节桥下河床断面的一般冲刷 二按冲止流速建立的公式1 沙性土河槽的一般冲刷 第三节桥下河床断面的一般冲刷 二按冲止流速建立的公式1 沙性土河槽的一般冲刷 64 1公式 第三节桥下河床断面的一般冲刷 二按冲止流速建立的公式2 沙质河滩的一般冲刷沙质河滩内 有推移质运动 冲刷过程中又有上游来沙的补偿 随着一般冲刷的发展 桥下各垂线处的单宽流量将进行再分配 有向深水垂线集中的趋势 河槽越宽浅 越不稳定 单宽流量的集中趋势越强 第三节桥下河床断面的一般冲刷 二按冲止流速建立的公式2 沙质河滩的一般冲刷 第三节桥下河床断面的一般冲刷 二按冲止流速建立的公式2 沙质河滩的一般冲刷 第三节桥下河床断面的一般冲刷 二按冲止流速建立的公式2 沙质河滩的一般冲刷 第三节桥下河床断面的一般冲刷 二按冲止流速建立的公式3 粘性土河床的桥下断面一般冲刷我国铁路部门根据一定数量实际桥梁的资料 对粘性土河流的桥下一般冲刷进行了分析研究 于1979年提出了调查分析报告 阐述了粘性土河床冲刷的特点 认为冲止流速与粘性土的性质有直接关系 并推荐了使用公式 第三节桥下河床断面的一般冲刷 二按冲止流速建立的公式3 粘性土河床的桥下断面一般冲刷按泥沙颗粒的大小进行分类 一般认为粒径小于0 05 m的泥沙 属于粘性土 粒径小于0 005mm的颗粒称为粘粒 按粘粒的含量 所占重量百分比 不同 粘性土又分为粘砂土 砂粘上和粘土 粘性土的主要特点是颗粒很细 在颗粒表面形成很薄而且结合很牢的粘结水膜 粘滞性很大 使颗粒之间产生一定的粘结力 枯性土的抗冲能力决定于粘结力的大小 粘结力越大 抗冲能力越强 第三节桥下河床断面的一般冲刷 二按冲止流速建立的公式3 粘性土河床的桥下断面一般冲刷粘性土的物理状态及性质 与含水量有密切关系 直接影响颗粒间粘结力的大小 含水量是上中所含水重与颗粒重量的比值 以百分数表示 粘性上随着含水量的增大 可以由固态变成流态 物理力学性质也随之而变化 其变化情况如下 第三节桥下河床断面的一般冲刷 二按冲止流速建立的公式3 粘性土河床的桥下断面一般冲刷粘性土的液性指数 若粘性土的含水量极小 不足以形成粘结水膜 则颗粒分散无粘结力 若含水量过大 在分子力达到的水膜范围以外 还存在着自由水 粘结力反而减小 甚至变成流态 含水量越接近塑限 粘结力越大 抗冲能力也越强 含水量达到塑限时 则粘结力最大 抗冲能力最强 第三节桥下河床断面的一般冲刷 二按冲止流速建立的公式3 粘性土河床的桥下断面一般冲刷流限含水量与塑限含水量的差值 称为塑性指数 以IP表示 塑性指数表示粘性土的可塑性大小 能反映粘性士的性质 是粘性土分类的指标 对颗粒间的粘结力也有影响 粘性土中含有颗粒极细的粘粒越多 形成的粘结水膜也越多 粘结力就越大 而且极细颗粒的含量越多 粘性土的可塑性就越大 塑性指数也越大 因此 塑性指数也能反映粘结力的大小 塑性指数越大 表示颗粒间的粘结力越大 抗冲刷能力越强 第三节桥下河床断面的一般冲刷 二按冲止流速建立的公式3 粘性土河床的桥下断面一般冲刷粘性土的液性指数 第三节桥下河床断面的一般冲刷 二按冲止流速建立的公式3 粘性土河床的桥下断面一般冲刷1 河槽部分冲止流速 一般冲刷完成后水深 第三节桥下河床断面的一般冲刷 二按冲止流速建立的公式3 粘性土河床的桥下断面一般冲刷2 河滩部分 第三节桥下河床断面的一般冲刷 三 根据别列柳伯斯基的假定建立的公式包尔达柯夫根据别列柳伯斯基的假定 认为桥下流速达到天然河流流速时 桥下冲刷即停止 而且同一垂线处 冲刷后的水深与冲刷前的水深成正比 并于本世纪三十年代建立了计算桥下一般冲刷的经验公式 称为包尔达柯夫公式 适用于稳定性河段的河槽部分 第三节桥下河床断面的一般冲刷 三 根据别列柳伯斯基的假定建立的公式1 河槽土质均匀时可按下式计算 式巾 hp 一般冲刷后的垂线水深 m h一冲刷前相应的垂线水深 m A实 桥下实际过水面积p为冲刷系数 第三节桥下河床断面的一般冲刷 三 根据别列柳伯斯基假定建立的公式2 河槽土质不均匀时可按下式计算 1根据输沙平衡原理建立的公式2根据冲止流速建立的公式3根据别列柳伯斯基假定建立的公式 第三节小结 本节课到此结束 第四节桥墩的局部冲刷 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变化 水流的绕流使流线急剧弯曲 床面附近形成漩涡 剧烈掏刷桥墩迎水端和周围的泥沙 形成局部冲刷坑 随着冲刷坑的不断加深和扩大 坑底流速逐渐降低 水流挟沙能力随之喊弱 上游进入冲刷坑的泥沙与水流冲走的泥沙趋向平衡 同时 冲刷坑底的泥沙逐渐粗化 坑底粗糙程度增大 抗冲能力增强 使水流的冲刷作用与床沙的抗冲作用也趋向平衡 冲刷随之停止 局部冲刷坑达到最深 冲刷坑外缘与桥墩前端坑底的最大高差 就是最大局部冲刷深度 第四节桥墩的局部冲刷 一桥墩局部冲刷的机理 第四节桥墩的局部冲刷 一桥墩局部冲刷的机理 第四节桥墩的局部冲刷 冲刷深度与行近流速关系桥墩局部冲刷深度与冲向桥墩的水流速度 以垂线平均流速表示 有关 当速度V增大到一定程度时 桥墩迎水面两侧的泥沙首先被水流冲走 床面开始冲刷 此时冲向桥墩的水流行近流速 垂线平均流速 称为桥墩起冲流速v 0 桥墩起冲流速v 0一般为床沙起动流速v0的0 4 0 6倍 流速小于v0的冲刷为清水冲刷 大于v0的为动床冲刷 第四节桥墩的局部冲刷 冲刷深度与行近流速关系根据模型试验和观测资料可知 桥墩局部冲刷深度与涌向桥墩的流速V有关 当V逐渐增大到一定数值时 桥墩迎水面两侧的泥沙开始被冲走而产生冲刷 此时涌向桥墩的垂线平均流速称为墩旁床沙的起冲流速v 0 当v大于V 0 V表示河床泥沙的起动流速 并继续增大时 冲刷坑逐渐加深和扩大 局部冲刷深度与V近似呈直线关系增大 当V增大到V 时 床面泥沙大量起动 上游来的泥沙有些将潜留在冲刷坑内 因此当V V0并继续增大时 冲刷坑深度的增长因有泥沙补给而减缓 局部冲刷深度hb与V呈曲线关系 第四节桥墩的局部冲刷 冲刷深度与行近流速关系 第四节桥墩的局部冲刷 冲刷深度与行近流速关系 第四节桥墩的局部冲刷 二65 2公式和65 2修正公式当v不大于v0时 当v大于v0时 第四节桥墩的局部冲刷 65 2公式 第四节桥墩的局部冲刷 65 2公式 第四节桥墩的局部冲刷 65 2公式 第四节桥墩的局部冲刷 65 2修正公式修正公式 d为冲刷层内泥沙平均粒径桥墩起冲流速 第四节桥墩的局部冲刷 65 2修正公式 第四节桥墩的局部冲刷 65 2修正公式 第四节桥墩的局部冲刷 三粘性土河床桥墩局部冲刷公式当hp 2 5B1时 当hp 2 5B1时 第四节桥墩的局部冲刷 第四节桥墩的局部冲刷 四 行近水深和行近流速取一般冲刷后最大水深作为行近水深和一般冲刷后垂线平均流速作为行近流速 1 按输沙平衡原理公式计算一般冲刷时 2 按冲止流速公式计算一般冲刷深度时 取该公式对应的冲止流速公式计算 本节课到此结束 第五节桥台冲刷 一桥台绕流的水流结构桥台附件的水流由主流区 下游回流区和上游滞流区三部分组成 第五节桥台冲刷 一桥台绕流的水流结构 第五节桥台冲刷 一桥台绕流的水流结构 第五节桥台冲刷 一桥台绕流的水流结构桥台上下游的流速分布如下 第五节桥台冲刷 一桥台绕流的水流结构 第五节桥台冲刷 二桥台冲刷计算1沙性土河床 第五节桥台冲刷 二桥台冲刷计算1沙性土河床 第五节桥台冲刷 二桥台冲刷计算1沙性土河床 第五节桥台冲刷 二桥台冲刷计算桥台挑角系数 桥台形状系数 第五节桥台冲刷 二桥台冲刷计算1沙性土河床 引入挑角系数Ca和桥台形状系数CA 则 第五节桥台冲刷 2粘性土河床 本节课到此结束 第六节最低冲刷线高程 一最低冲刷线高程桥墩的最低冲刷线高程Hmin m 为 桥台的最低冲刷线高程Hmin m 为 上式中h为桥台所在位置的平均水深 第六节最低冲刷线高程 一最低冲刷线高程 第六节最低冲刷线高程 一最低冲刷线高程 第六节最低冲刷线高程 二习题某二级公路跨越某平原次稳定河段 基本资料如下 第六节最低冲刷线高程 二习题 接上页 第六节最低冲刷线高程 二