第六章_冲刷计算

1、第第 6 6 章章 桥下河床冲刷计算桥下河床冲刷计算 （Bridge Pier Scour Calculation） 为了保证桥梁的安全和顺利宣泄洪水，桥梁不但为了保证桥梁的安全和顺利宣泄洪水，桥梁不但 要有足够的桥孔长度和桥梁高度，而且，墩台基础还要有足够的桥孔长度和桥梁高度，而且，墩台基础还 要有足够的埋置深度，以免遭受洪水冲刷破坏。因此，要有足够的埋置深度，以免遭受洪水冲刷破坏。因此， 设计桥梁时，还必须合理的预计桥梁使用期内河床的设计桥梁时，还必须合理的预计桥梁使用期内河床的 演变和墩台的冲刷，为确定墩台基础的埋置深度提供演变和墩台的冲刷，为确定墩台基础的埋置深度提供 依据。依据。 天

2、然河床由泥、土、沙、石等组成，统称为天然河床由泥、土、沙、石等组成，统称为河流河流 泥沙泥沙（river sediment）。）。 河道中的水流和泥沙总是在不停的运动着，床面河道中的水流和泥沙总是在不停的运动着，床面 上的泥沙被水流冲起带走，使床面下切，形成河床的上的泥沙被水流冲起带走，使床面下切，形成河床的 冲刷；水流所挟带的泥沙沉积下来，使床面淤高，形冲刷；水流所挟带的泥沙沉积下来，使床面淤高，形 成河床淤积。在水流和泥沙的相互作用下，河床总是成河床淤积。在水流和泥沙的相互作用下，河床总是 在不停地冲淤变化，构成了河床的在不停地冲淤变化，构成了河床的自然演变自然演变。 建桥后，除了河床的自

3、然演变外，还有桥梁墩台建桥后，除了河床的自然演变外，还有桥梁墩台 对水流和泥沙运动的干扰而引起河床的冲刷，它们交对水流和泥沙运动的干扰而引起河床的冲刷，它们交 织在一起，同时进行，所以桥下冲刷过程十分复杂。织在一起，同时进行，所以桥下冲刷过程十分复杂。 桥梁墩台周围河床的最大冲刷深度，是设计桥梁墩台周围河床的最大冲刷深度，是设计桥桥 梁墩台基础埋置深度的依据。梁墩台基础埋置深度的依据。 最大冲刷深度最大冲刷深度是各种因素综合作用的结果，十分是各种因素综合作用的结果，十分 复杂。为了便于研究和计算，桥涵水文中把这一复杂复杂。为了便于研究和计算，桥涵水文中把这一复杂 的冲刷过程简化为独立的三部分的

4、冲刷过程简化为独立的三部分自然冲刷、一般自然冲刷、一般 冲刷、局部冲刷，冲刷、局部冲刷，并假定它们相继发生，可以分别计并假定它们相继发生，可以分别计 算，然后叠加，作为墩台的最大冲刷深度算，然后叠加，作为墩台的最大冲刷深度，并据以确，并据以确 定墩台基础的埋置深度。定墩台基础的埋置深度。 自然冲刷、一般冲刷、局部冲刷形成的原因各自然冲刷、一般冲刷、局部冲刷形成的原因各 不相同。不相同。 bPs hhhh 自然冲刷地确定方法：自然冲刷地确定方法： 由于影响河床演变的因素非常多，而且错综复杂，由于影响河床演变的因素非常多，而且错综复杂， 难以得到可靠的计算结果。目前在实际工作中，主要难以得到可靠的

5、计算结果。目前在实际工作中，主要 通过实地调查或参考类似河流的观测资料，结合河段通过实地调查或参考类似河流的观测资料，结合河段 的特点和整治规划，估计建桥以后可能发生的河床演的特点和整治规划，估计建桥以后可能发生的河床演 变，作为变，作为设计设计桥梁墩台的自然冲刷深度。桥梁墩台的自然冲刷深度。 在实际工作中，一般在实际工作中，一般可根据桥位河段的类型，可根据桥位河段的类型， 通过通过选择选择“计算断面计算断面”的方法来确定自然冲刷深度。的方法来确定自然冲刷深度。 h max h 计算断面选择：计算断面选择： 平原顺直型河段：平原顺直型河段：桥位上游附近最大水深断面桥位上游附近最大水深断面 :.

6、 :. :. :. :. :. :. :. :. :. :. :. 最大水最大水 深断面深断面 h max h 平原弯曲型河段：平原弯曲型河段：桥位上游附近河湾半径最小的河桥位上游附近河湾半径最小的河 湾顶点断面湾顶点断面 max h 游荡型和变迁型河段：游荡型和变迁型河段：在桥位断面上、下游桥位河在桥位断面上、下游桥位河 段内取若干河床断面重叠后的外包线。段内取若干河床断面重叠后的外包线。 桥位桥位 h 在河床演变不甚激烈的桥位河段，一般可用桥在河床演变不甚激烈的桥位河段，一般可用桥 位断面作为计算断面，同时，考虑桥位上游最大水位断面作为计算断面，同时，考虑桥位上游最大水 深可能下移，实际工

7、作中常采用深可能下移，实际工作中常采用桥位上游附近桥位上游附近实测实测 或调查的最大水深作为计算断面的最大水深。或调查的最大水深作为计算断面的最大水深。 山区河段：山区河段： 桥位断面桥位断面 桥梁墩台冲刷计算中桥梁墩台冲刷计算中 如何简化复杂的冲刷如何简化复杂的冲刷 过程？过程？ 6.1 桥下一般冲刷计算桥下一般冲刷计算 （general scour of bridge pier） 建桥以后，桥孔压缩水流，桥下流速增大，引起建桥以后，桥孔压缩水流，桥下流速增大，引起 整个桥下断面河床的冲刷，称为整个桥下断面河床的冲刷，称为一般冲刷一般冲刷。 建桥以后，桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流建桥以后

8、，桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流 挟沙能力随之增大，引起整个桥下断面河床的冲刷，挟沙能力随之增大，引起整个桥下断面河床的冲刷， 称为称为一般冲刷一般冲刷。 随着一般冲刷的发随着一般冲刷的发 展，河床不断刷深，桥展，河床不断刷深，桥 下断面逐渐扩大，过水下断面逐渐扩大，过水 断面面积不断增大。断面面积不断增大。 随着桥下断面的扩大，流速相应降低，水流挟沙随着桥下断面的扩大，流速相应降低，水流挟沙 能力也随之降低。当流速降低到不能继续冲刷河床时，能力也随之降低。当流速降低到不能继续冲刷河床时， 冲刷即趋于停止了。此时，桥下过水断面最大，一般冲刷即趋于停止了。此时，桥下过水断面最大，一般 冲刷的深

9、度也达到最大。冲刷的深度也达到最大。 ZS 垂线垂线 hP 通常用一般冲刷通常用一般冲刷 停止时桥下的垂线水停止时桥下的垂线水 深表示该垂线处的一深表示该垂线处的一 般冲刷深度，以般冲刷深度，以hP表表 示。桥下一般冲刷停示。桥下一般冲刷停 止时的垂线平均流速，止时的垂线平均流速， 称为称为冲止流速，冲止流速，以以Vs表示，表示，m/s。 Vs 表示方法：表示方法： ZS 6.1.1 非粘性土河床一般冲刷计算非粘性土河床一般冲刷计算 （non-cohesive soil river bed general scour calculation） 1 1、64-164-1修正式（按冲止流速建立的公

10、式）修正式（按冲止流速建立的公式） 垂线 hP 建立的概念：建立的概念： 任一垂线，在一般冲任一垂线，在一般冲 刷的过程中，当断面扩大刷的过程中，当断面扩大 使垂线的平均流速降到该使垂线的平均流速降到该 垂线的冲止流速时，冲刷垂线的冲止流速时，冲刷 就停止了，一般冲刷深度就停止了，一般冲刷深度 达到最大，并且桥下所有垂线的冲刷都停止时，整个达到最大，并且桥下所有垂线的冲刷都停止时，整个 桥下断面的一般冲刷就停止了。桥下断面的一般冲刷就停止了。 Vs 取桥下断面为计算断面：取桥下断面为计算断面： 按水力学的连续方程，单宽流量：按水力学的连续方程，单宽流量： VhqVQ 对任一条垂线：对任一条垂线

11、： V q h 取最大水深垂线：当取最大水深垂线：当V=Vs时，时，h=hP， ， q=qs。 。 )16( s s P V q h qs为一般冲刷停止时桥下最大单宽流量。为一般冲刷停止时桥下最大单宽流量。 V q h 求刚建桥，冲刷前的求刚建桥，冲刷前的最大单宽流量最大单宽流量 qmax。先求。先求平均平均 单宽流量：单宽流量： j P L Q q 式中，式中，Lj为桥孔净长；为桥孔净长；为侧收缩系数（压缩系数）。为侧收缩系数（压缩系数）。 由谢才由谢才-曼宁公式：曼宁公式： 2 1 3 5 2 1 3 2 2 1 3 2 Jh n B Jh n hB JR n QP 2 1 3 5 2 1

12、 3 5 maxmax 11 Jh n qJh n q 3 5 3 5 )()( max max maxmax h h qq h h q q 将将 代入代入qmax，得：，得： j P L Q q )26()( 3 5 max max h h L Q q j P （1）河槽部分）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冲刷停止后最大单宽流量与冲刷前最大单宽流量 的关系：的关系： )36( max Aqqs A称为称为单宽流量集中系数单宽流量集中系数。 )46()( 15. 015. 0 H B A 稳定河段：稳定河段：A=1.01.2；次稳定河段：次稳定河段：A=1.31.4；不不

13、 稳定河段：稳定河段：A=1.51.7，最大不超过，最大不超过1.8。 冲止流速：冲止流速： )56( 3 2 6 1 Ps hdEV 式中，式中， 为河槽泥沙平均粒径，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为经验系数，与历年汛期最大月平均含沙量的 平均值平均值Spj有关。有关。当当Spj 10.0kg/m3，E=0.86。 d 将式（将式（6-3）（）（6-5）代入（）代入（6-1）： )66()( max 5 3 max 6 1 5 3 3 5 6 1 h h dEL AQ h h dEL AQ h j P j P P QP为设计流量；为设计流量； Lj为桥

14、孔净长。为桥孔净长。 适用条件：适用条件：桥下全部为河槽（单式断面）或桥下河桥下全部为河槽（单式断面）或桥下河 槽部分（复式断面）。槽部分（复式断面）。 )66()( max 5 3 max 6 1 5 3 3 5 6 1 c cj cP c cj cP P h h dEL AQ h h dEL AQ h QcP为为桥下河槽部分桥下河槽部分通过的设计流量；通过的设计流量； Lcj为为桥下河槽部分桥下河槽部分的桥孔净长。的桥孔净长。 桥下河槽部分，故可改为：桥下河槽部分，故可改为： 应用说明：应用说明： 当桥下断面全为河槽，当桥下断面全为河槽，Lcj = Lj = L- - nd，QcP = Q

15、P。 当桥孔压缩部分河滩，桥下河槽不会扩宽至全当桥孔压缩部分河滩，桥下河槽不会扩宽至全 桥，则：桥，则： L Lc Qc ZS Zmin )86( P tc c cP Q QQ Q Q )76( )( 1 Pn i i ii c cc cP Q hC hC Q t Q左 左 t Q右 右 dnLL ccj c cc hC , 为冲刷前为冲刷前桥下桥下河槽部分的过水面积、谢才河槽部分的过水面积、谢才 系数、平均水深。系数、平均水深。 为冲刷前为冲刷前桥下桥下各部分（包括河槽、河滩部各部分（包括河槽、河滩部 分）的过水面积、谢才系数、平均水深。分）的过水面积、谢才系数、平均水深。 i ii hC

16、, ttt QQQ 右右左左 式中，式中，Lcj为为桥下桥下河槽部分桥孔净长；河槽部分桥孔净长； QcP为为桥下桥下河槽通过的设计流量；河槽通过的设计流量； Qc、 分别为天然状态下分别为天然状态下桥下桥下河槽、河滩通过的河槽、河滩通过的 流量。流量。 t Q 当桥孔压缩部分河滩，桥下河槽会扩宽至全桥，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，则认为桥下全部为河槽，Lcj = Lj = L- -nd，QcP=QP， 不变。不变。 ch 值的确定：通常按桥位上游附近枯水位或中值的确定：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低水位实测过

17、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。实测桥位断面图求得。 ch h max c c c L h mS ZZh max 当桥下河床由多层成分不同的土质组成，分层土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。河床的冲刷可采用逐层渐进试算方法进行。 （1） ，先按，先按 计算，若计算计算，若计算hP位于位于 层，即层，即 为所求；若计算为所求；若计算hP位于位于 层，改用层，改用 计算，若结果位计算，若结果位 于于 层，即为所求，若位于层，即为所求，若位于 层，取两层交界面为冲层，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。刷线标

18、高，或取按第一层粒径的计算结果。 hP ZS 河底河底 21dd 1d 2d 1d1d 2d 2d 2d1 d hP ZS 河底河底 1d 2d 2d （2） ，先按，先按 计算，若结果位于计算，若结果位于 层，即层，即 为所求；若位于为所求；若位于 层，改按层，改按 计算。计算。 21dd 1d1d 2d 多层粒径不同的河床，处理方法相同，逐层渐进试算。多层粒径不同的河床，处理方法相同，逐层渐进试算。 （2）河滩部分）河滩部分 st st P V q h 3 5 )( t mt tj tP st h h L Q q 5 1 1PHst hVV 式中，式中，VH1为河滩水深为为河滩水深为1m时

19、非粘性土容许不冲刷流时非粘性土容许不冲刷流 速，与河滩泥沙组成有关，可查表速，与河滩泥沙组成有关，可查表6-1。 )96()( 6 5 3 5 1 t mt Htj tP P h h VL Q h )106( P tc t tP Q QQ Q Q )106( )( 1 Pn i i ii t tt tP Q hC hC Q 式中，式中，Ltj为为桥下河滩部分桥下河滩部分桥孔净长；桥孔净长； QtP为为桥下河滩桥下河滩部分部分通过的设计流量；通过的设计流量； 河滩泥沙分层处理方法与河槽相同。河滩泥沙分层处理方法与河槽相同。 Qc、 分别为天然状态下分别为天然状态下桥下桥下河槽、河滩通过的流河槽、

20、河滩通过的流 量。量。 t tt hC , 为冲刷前为冲刷前桥下桥下河滩部分的过水面积、谢才河滩部分的过水面积、谢才 系数、平均水深。系数、平均水深。 i ii hC , 为冲刷前为冲刷前桥下桥下各部分（包括河槽、河滩部各部分（包括河槽、河滩部 分）的过水面积、谢才系数、平均水深。分）的过水面积、谢才系数、平均水深。 ttt QQQ 右右左左 t Q 2 2、64-264-2简化式（按输沙平衡建立的公式）简化式（按输沙平衡建立的公式） Q1 h1 B1Qb1B2 Qb2Q2 h2=hP 建立的概念：建立的概念： 记记计算断面计算断面来沙来沙Qb1， 桥下排沙为桥下排沙为Qb2。 建桥后，由于桥

21、孔压缩水流，桥下流速增大，水流挟建桥后，由于桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流挟 沙能力加大，沙能力加大，Qb1 V0，根据式（，根据式（6-21）：）： m94. 4 （2）65-2公公式式 河床泥沙颗粒影响系数：河床泥沙颗粒影响系数： 59. 049. 6375. 0 49. 6 0023. 0 375. 0 0023. 0 24. 0 2 . 2 24. 0 2 . 22 d d K smdV/75. 0)7 . 049. 6(28. 0)7 . 0(28. 0 5 . 05 . 0 0 smdV/35. 0)5 . 049. 6(12. 0)5 . 0(12. 0 55. 055. 0

22、0 514. 0) 23. 4 75. 0 ()( 49. 6lg19. 023. 0lg19. 023. 0 0 2 d V V n m V VV hBKKh n Pb 19. 5) 75. 0 35. 023. 4 (18.1079. 359. 02 . 1 )( 514. 015. 06 . 0 0 0 15. 06 . 0 2 2 因因V V0 ： 取取65-2公式计算结果公式计算结果5.19m。 （3）桥下河槽桥墩基底埋置高程）桥下河槽桥墩基底埋置高程 总冲刷深度：总冲刷深度：hs=h + hP + hb = 0+10.18+5.19 = 15.37m 基底埋深安全值基底埋深安全值c

23、=2.5m，桥墩基底埋置高程：，桥墩基底埋置高程： mhZZ cssjd 31.755 . 237.1518.93 2、河滩桥墩局部冲刷深度和桥墩基底埋深计算、河滩桥墩局部冲刷深度和桥墩基底埋深计算 （1）左滩）左滩 左河滩一般冲刷深度在第二层，左河滩一般冲刷深度在第二层，VH1=0.34m/s， hP=9.69m，墩前行近流速（，墩前行近流速（冲止流速冲止流速）：）： smhVV PH /54. 069. 934. 0 5 1 5 1 1 桥墩计算宽度：桥墩计算宽度： mB75. 3 69. 9 )49.8370.87(6 . 4)70.8718.93(1 . 3 起冲流速：起冲流速： smV B d V/58. 021. 1) 75. 3 49. 6 (462. 0)(462. 0 06. 0 0 06. 0 0 sm d h d d h V PP /21. 1 49. 6 69. 910 49. 6332) 49. 6 69. 9 (0246. 0 10 332)(0246. 0 72. 0