第7章桥梁墩台冲刷计算

1、第第7章桥梁墩台冲刷计算章桥梁墩台冲刷计算 桥梁墩台冲刷计算的目的是确定桥下最大冲刷深度，并确定桥梁墩台冲刷计算的目的是确定桥下最大冲刷深度，并确定桥梁墩台基础最小埋置深度桥梁墩台基础最小埋置深度.。 桥梁墩台的冲刷，除河床自然演变冲刷外，还有桥孔压缩水桥梁墩台的冲刷，除河床自然演变冲刷外，还有桥孔压缩水流和墩台阻水所引起的冲刷变形，这一过程是复杂的，现阶段流和墩台阻水所引起的冲刷变形，这一过程是复杂的，现阶段我们采用的计算方法只能将这复杂的过程给出特定条件，分解我们采用的计算方法只能将这复杂的过程给出特定条件，分解为河床的自然演变冲刷、桥下一般冲刷、墩台局部冲刷三个独为河床的自然演变冲刷、桥

2、下一般冲刷、墩台局部冲刷三个独立的部分，并假定这三部分冲刷先后进行，可以分别计算，然立的部分，并假定这三部分冲刷先后进行，可以分别计算，然后叠加，作为桥梁墩台的最大冲刷深度，从而确定墩台基础埋后叠加，作为桥梁墩台的最大冲刷深度，从而确定墩台基础埋置深度。置深度。 河床的自然演变冲刷包括河床的自然演变冲刷包括4种类型：种类型：（1）河流发育成长过程中河床纵断面的变形，如河源段的逐年）河流发育成长过程中河床纵断面的变形，如河源段的逐年下切、河口段的逐年淤积。下切、河口段的逐年淤积。（2）河流横向移动引起的变形，如边滩下移、河湾发展、移动）河流横向移动引起的变形，如边滩下移、河湾发展、移动和裁弯取直

3、等。和裁弯取直等。（3）河段中泓线摆动引起的冲刷变形。）河段中泓线摆动引起的冲刷变形。（4）在一个水文周期内，河槽随水位、流量变化而发生的周期）在一个水文周期内，河槽随水位、流量变化而发生的周期性变形。性变形。 如何选取造床流量？如何选取造床流量？ 一般是选取一个较长的河段作为依据，在某一流量下，若各一般是选取一个较长的河段作为依据，在某一流量下，若各断面的水位基本上与该河段的河滩齐平时，此流量即为造床流断面的水位基本上与该河段的河滩齐平时，此流量即为造床流量。因为，此时的水流恰好充满河槽，对河槽形态的塑造作用量。因为，此时的水流恰好充满河槽，对河槽形态的塑造作用最大，水位再升高，则水流漫过河

4、滩，造床作用反而削弱。最大，水位再升高，则水流漫过河滩，造床作用反而削弱。1.桥下一般冲刷的计算桥下一般冲刷的计算 河上建桥后，由于桥梁压缩水流，致使桥下流速增大，水流挟沙河上建桥后，由于桥梁压缩水流，致使桥下流速增大，水流挟沙能力增强，在桥下断面产生冲刷，随着冲刷的发展，桥下河床不断能力增强，在桥下断面产生冲刷，随着冲刷的发展，桥下河床不断加深，过水面积加大，流速逐渐下降；待达到新的输沙平衡状态，加深，过水面积加大，流速逐渐下降；待达到新的输沙平衡状态，或桥下流速降低到河床的允许不冲流速时，冲刷即停止。这种由于或桥下流速降低到河床的允许不冲流速时，冲刷即停止。这种由于建桥后压缩水流而在桥下河

5、床全断面内发生的普遍冲刷，称为一般建桥后压缩水流而在桥下河床全断面内发生的普遍冲刷，称为一般冲刷。冲刷。 一般冲刷深度一般冲刷深度hP是指桥下河床在一般冲刷完成后从设计水位是指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。算起的某一垂线水深。 当一般冲刷停止时，垂线平均流速为当一般冲刷停止时，垂线平均流速为Vz(m/s)，即冲止流速；流，即冲止流速；流速降低到冲止流速时，水深达到最大一般冲刷垂线水深速降低到冲止流速时，水深达到最大一般冲刷垂线水深hp(m)，即一般冲刷深度。即一般冲刷深度。 （1）非粘性土河床的一般冲刷）非粘性土河床的一般冲刷1）河槽部分（用）河槽部分（用64-1修正式

6、或修正式或64-2简化式）简化式）64-1修正式（见修正式（见P146147的推导）：的推导）： maxpzqhVmaxpzqhV5/3 1/2maxmax1qhin5/3 1/21qhinQQPPjqLL5/35/3Q()()maxmaxPmaxjhhqqhLhdmaxmaxqA qz0.15dz()BAH1/62/3zpVEdhp5/3maxdjmaxp1/6zQ()hALhqhVEdh2/3pp5/3maxdj3/5p1/6Q()hALhhEd （64-1修正式）修正式） 64-2简化式简化式 （自己看（自己看P147的推导）的推导）5/3ccmdcjc3/5p1/6Q()hABhhEd

7、41111 11sGgBVBc11 1QVB h4c1111 1Q()GBB h4222222(1)(1)sGgBVBdc222Q(1- )AVB h4c22222Q(1- )dAGBB h44cc11221 12pQQ()(1- )dABBB hB h1/43/4c21p11c2Q()()Q(1)dBhAhB （64-2简化式）简化式） 0.900.66cpc mccgQ1.04()Q(1)cdBhAhB2）河滩部分河滩部分 非粘性土河滩的一般冲刷深度可采用下式计算：非粘性土河滩的一般冲刷深度可采用下式计算： 5/3ttmtjtq5/6PH1Q()hBhhV.（2）粘性土河床的一般冲刷）粘性

8、土河床的一般冲刷 0p0pLLpP-WWWWIW -WI粘性土的液性指数粘性土的液性指数1）河槽部分）河槽部分3/5zpL10.33()VhIp5/3maxdj5/8pLQ()10.33()hALhhI 2）河滩部分）河滩部分 1/6pL10.33()zVhI5/3ttmtjtq6/7PLQ()10.33()hBhhI（3）建桥后桥下流量）建桥后桥下流量 通常在缓流河段建桥以后，桥梁构筑物及桥梁两端的引道会压通常在缓流河段建桥以后，桥梁构筑物及桥梁两端的引道会压缩一部分河道，使桥下流量产生再分配，河床断面形态的勘测工缩一部分河道，使桥下流量产生再分配，河床断面形态的勘测工作、桥梁及桥前引道的设

9、计工作大多做在建桥之前，而桥下冲刷作、桥梁及桥前引道的设计工作大多做在建桥之前，而桥下冲刷却主要发生在桥梁使用期间（如建桥期间也发生特大洪水），建却主要发生在桥梁使用期间（如建桥期间也发生特大洪水），建桥河段的水流及泥沙运动状态会因桥梁的修建而发生改变，因桥河段的水流及泥沙运动状态会因桥梁的修建而发生改变，因此，在冲刷计算的过程中，应采用再分配后的流量。建桥前后的此，在冲刷计算的过程中，应采用再分配后的流量。建桥前后的流量再分配形式如下图所示。流量再分配形式如下图所示。cpQQ tQ0 ccpctQQ =QQ +Q当建桥之后桥下河槽不能扩宽时：当建桥之后桥下河槽不能扩宽时：ttpctQQ =Q

10、Q +Q建桥后桥下河槽通过的设计流量建桥后桥下河槽通过的设计流量 建桥后桥下河滩通过的设计流量建桥后桥下河滩通过的设计流量 建桥前桥下河滩通过的设计流量建桥前桥下河滩通过的设计流量 建桥前桥下河槽通过的设计流量建桥前桥下河槽通过的设计流量 当建桥之后桥下河槽可以扩宽至全桥时：当建桥之后桥下河槽可以扩宽至全桥时： 2.桥墩的局部冲刷计算桥墩的局部冲刷计算 （1）桥墩冲刷机理）桥墩冲刷机理 流向桥墩的水流受到桥墩的阻挡，使桥墩周围的水流发生急剧流向桥墩的水流受到桥墩的阻挡，使桥墩周围的水流发生急剧变化。桥墩周围的水流结构主要包括墩前向下水流、墩前水面涌变化。桥墩周围的水流结构主要包括墩前向下水流、

11、墩前水面涌波和尺度很大的螺旋形旋涡体系。旋涡体系是一种综合水流结构，波和尺度很大的螺旋形旋涡体系。旋涡体系是一种综合水流结构，其中包括在墩前冲刷坑边缘形成的绕桥墩两侧流向下游的螺旋形其中包括在墩前冲刷坑边缘形成的绕桥墩两侧流向下游的螺旋形旋涡、桥墩两侧水流分离引起的尾流旋涡。旋涡体系在墩后及两旋涡、桥墩两侧水流分离引起的尾流旋涡。旋涡体系在墩后及两侧还不断地由床面附近释放出小旋涡，向水面发展。墩前水流流侧还不断地由床面附近释放出小旋涡，向水面发展。墩前水流流线接近桥墩头部发生急剧变化，剧烈淘刷桥墩周围，特别是迎水线接近桥墩头部发生急剧变化，剧烈淘刷桥墩周围，特别是迎水面的河床泥沙，开始产生桥墩

12、头部的局部冲刷坑。随着冲刷坑的面的河床泥沙，开始产生桥墩头部的局部冲刷坑。随着冲刷坑的不断加深和扩大，水流流速减小，挟沙能力也随之降低。与此同不断加深和扩大，水流流速减小，挟沙能力也随之降低。与此同时，冲刷坑内发生了土壤粗化现象，留下了粗粒土壤覆盖在冲刷时，冲刷坑内发生了土壤粗化现象，留下了粗粒土壤覆盖在冲刷坑表面上，增大了土壤的抗冲能力和坑底的粗糙度，一直到水流坑表面上，增大了土壤的抗冲能力和坑底的粗糙度，一直到水流对河床泥沙的冲刷作用与河床泥沙抗冲作用达到平衡时，冲刷则对河床泥沙的冲刷作用与河床泥沙抗冲作用达到平衡时，冲刷则停止。冲刷坑外缘与坑底的最大高差，称作最大局部冲刷深度。停止。冲刷

13、坑外缘与坑底的最大高差，称作最大局部冲刷深度。见下图：见下图： 右图为根据模型试验和实测右图为根据模型试验和实测 资料绘出的冲刷深度与墩前行资料绘出的冲刷深度与墩前行 近流速的关系曲线。从图中可近流速的关系曲线。从图中可 以看出，在清水冲刷以看出，在清水冲刷 （ ） 阶段，冲刷深度阶段，冲刷深度hb随行近流速随行近流速V 直线增加；在动床冲刷阶段直线增加；在动床冲刷阶段 （V V0）阶段，冲刷深度）阶段，冲刷深度hb 随行近流速随行近流速V呈下凹曲线形式增加；在呈下凹曲线形式增加；在V=V0处，这两种状处，这两种状 态是连续的。态是连续的。00VVV 冲刷坑的深度和大小与很多因素有关，除墩前行

14、近流速冲刷坑的深度和大小与很多因素有关，除墩前行近流速V外外，主要的还有桥墩宽度、墩形、水深、床沙粒径等。主要的还有桥墩宽度、墩形、水深、床沙粒径等。 （2）非粘性土河床桥墩局部冲刷计算）非粘性土河床桥墩局部冲刷计算 公路工程水文勘测设计规范公路工程水文勘测设计规范（JTG C302002）推荐使用）推荐使用65-2和和65-1修正式：修正式：1）65-2式式0VV0.60.150b21p0()VVhK KBhV当当时：时： 当当VV0时：时： 2n0.60.150b21p0()VVhK KBhV0.2422.20.00230.375Kdd0.500.28(0.7)Vd0.5500.12(0.

15、5)Vd0.23 0.19102n()gdVV 2）65-1修正式修正式当当0VV时：时： 0.6b110()hK K BVV当当VV0时：时： 1n0.60b110000()()VVhK K BVVVVpp0.1400.72100.0246()332hhVddd0.060010.462()dVVB10.450.15110.8()Kdd0.190.2501()dVnV3）一般冲刷后墩前行近流速）一般冲刷后墩前行近流速V的计算的计算对于非粘性土河槽：对于非粘性土河槽： 按按64-1修正式计算一般冲刷深度修正式计算一般冲刷深度hp时：时： 1/62/3pVEdh按按64-2简化式计算一般冲刷深度简

16、化式计算一般冲刷深度hp 时：时：42/3cccmcccgcQ() ()1.04 Q(1)dABhVVBh对于非粘性土河滩，按对于非粘性土河滩，按64-1修正式计算一般冲刷深度修正式计算一般冲刷深度hp时：时：1/5H1pVV h对于粘性土河槽，按式（对于粘性土河槽，按式（7.24)计算一般冲刷深度计算一般冲刷深度hp时：时：3/5zpL10.33()VhI对于粘性土河滩，按式（对于粘性土河滩，按式（7.26)计算一般冲刷深度计算一般冲刷深度hp时：时：1/6zpL10.33()VhI 3.桥台冲刷计算桥台冲刷计算 （1）桥台的冲刷机理）桥台的冲刷机理 桥台附近的水流由于主流

17、区（无旋流动），下游回流区（有旋桥台附近的水流由于主流区（无旋流动），下游回流区（有旋流动）和上游滞流区（有旋流动）三部分组成。被束窄的主流导流动）和上游滞流区（有旋流动）三部分组成。被束窄的主流导致上游壅水和河道的一般冲刷。急速绕过桥台的水流，在桥台上致上游壅水和河道的一般冲刷。急速绕过桥台的水流，在桥台上游边缘与壁面边界层分离，形成强烈的竖轴旋涡体系，并不断地游边缘与壁面边界层分离，形成强烈的竖轴旋涡体系，并不断地向下游扩散，形成回流区。旋涡中心形成负压，吸起床面泥沙，向下游扩散，形成回流区。旋涡中心形成负压，吸起床面泥沙，卷向下游回流区沉淀下来，形成桥台冲刷和回流区淤积，如下两图卷向下游

18、回流区沉淀下来，形成桥台冲刷和回流区淤积，如下两图所示。桥台前缘上游侧，水流与桥台壁面分离处，不断生成旋涡。所示。桥台前缘上游侧，水流与桥台壁面分离处，不断生成旋涡。涡心床面泥沙压强较无旋涡处的压强减小。这里流速最大，床面压涡心床面泥沙压强较无旋涡处的压强减小。这里流速最大，床面压强最小，冲刷最深。强最小，冲刷最深。 （2）非粘性土河床桥台冲刷计算公式）非粘性土河床桥台冲刷计算公式 1）95-1公式公式0.200.50srzA1.95hFAC Co90o90桥轴与水流斜交，两岸桥台桥轴与水流斜交，两岸桥台a不同，一岸不同，一岸，另，另一岸一岸，如下图，如下图所示：所示： 0.15o()90aa

19、C 2）美国联邦公路局（）美国联邦公路局（FHWA）推荐公式）推荐公式125ah0.400.33s1112.15()rhaFhh（3）粘性土河床桥台的冲刷计算公式）粘性土河床桥台的冲刷计算公式125ah0.33s114rhFh1.975/8L3(1.05)1sAhqIeC C（4）桥梁墩台基底最小埋深）桥梁墩台基底最小埋深 在洪水的冲刷过程中，河床在洪水的冲刷过程中，河床的自然演变冲刷、一般冲刷和的自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷三种冲刷是交织在一局部冲刷三种冲刷是交织在一起进行的，但是为了便于分析起进行的，但是为了便于分析和计算，假定局部冲刷在一般和计算，假定局部冲刷在一般冲刷的基础上进行，

20、将三种冲冲刷的基础上进行，将三种冲刷分别计算，然后叠加。刷分别计算，然后叠加。mPpb()ZZhhh 桥下河床通常由一层层不同物理力学性质的土质组成，不同土桥下河床通常由一层层不同物理力学性质的土质组成，不同土层的抗冲刷能力也不相同，因此就产生了多层土壤构成的河床上层的抗冲刷能力也不相同，因此就产生了多层土壤构成的河床上冲刷的计算问题。分层土河床的冲刷可采用逐层渐近计算法进行，冲刷的计算问题。分层土河床的冲刷可采用逐层渐近计算法进行，以两层不同的土壤构成的河床为例说明：以两层不同的土壤构成的河床为例说明： 当第二层土壤具有比第一层土壤更大的抗冲刷能力时，如果采当第二层土壤具有比第一层土壤更大的

21、抗冲刷能力时，如果采用第一层土壤的特征计算的冲刷线位于第一层内时，此冲刷线可用第一层土壤的特征计算的冲刷线位于第一层内时，此冲刷线可以作为冲刷线的采用值；如果采用第一层土壤的特征计算的冲刷以作为冲刷线的采用值；如果采用第一层土壤的特征计算的冲刷线位于第二层内并使用第二层的土壤特征计算的冲刷线位于第一线位于第二层内并使用第二层的土壤特征计算的冲刷线位于第一层内时，取一二层的交界处作为冲刷线的采用值。层内时，取一二层的交界处作为冲刷线的采用值。 当当第二层土壤的抗冲刷能力比第一层土壤小时，如果采用第一第二层土壤的抗冲刷能力比第一层土壤小时，如果采用第一层土壤的特征计算的冲刷线位于第一层内，此时冲刷

22、线到本层底层土壤的特征计算的冲刷线位于第一层内，此时冲刷线到本层底面应留有一定的安全值面应留有一定的安全值B，对挟沙的河槽要求达到，对挟沙的河槽要求达到B0.17hP，对，对不挟沙的河滩水流要求达到不挟沙的河滩水流要求达到B0.147hP，满足上述要求时，计算，满足上述要求时，计算冲刷线即为采用冲刷线；当安全值冲刷线即为采用冲刷线；当安全值B不能满足上述要求时，应采不能满足上述要求时，应采用第二层土壤特征计算的冲刷线，如果其仍位于第一层内，此计用第二层土壤特征计算的冲刷线，如果其仍位于第一层内，此计算值可作为冲刷线的采用值，如果计算冲刷线仍位于第二层内，算值可作为冲刷线的采用值，如果计算冲刷线

23、仍位于第二层内，应按上述方法考虑第三层土壤的冲刷可能性。应按上述方法考虑第三层土壤的冲刷可能性。 如上图所示，对于天然地基上的浅基础（埋置深度如上图所示，对于天然地基上的浅基础（埋置深度5m时），在确定墩台基础的基底标高时，需要考虑的因素很时），在确定墩台基础的基底标高时，需要考虑的因素很多，如地基的地质条件、当地的地形条件、桥梁的形式、当多，如地基的地质条件、当地的地形条件、桥梁的形式、当地的冻结深度（寒冷地区）、地基的承载能力、河流的冲刷地的冻结深度（寒冷地区）、地基的承载能力、河流的冲刷深度等。实际设计时，为了确保基础的稳定和安全，多个因深度等。实际设计时，为了确保基础的稳定和安全，多个

24、因素往往需要综合考虑，以确定墩台基础的基底标高。素往往需要综合考虑，以确定墩台基础的基底标高。 位于非岩性地基上的浅基础，对于有冲刷的河流，为了防位于非岩性地基上的浅基础，对于有冲刷的河流，为了防止桥梁墩台基础四周和基底下的土层被水流淘空冲走，不致止桥梁墩台基础四周和基底下的土层被水流淘空冲走，不致使墩台基础失去支持而倒塌，基础必须埋置在设计洪水的最使墩台基础失去支持而倒塌，基础必须埋置在设计洪水的最大冲刷线以下一定的深度，以保证基础的稳定性。在一般情大冲刷线以下一定的深度，以保证基础的稳定性。在一般情 况下，小桥涵基础底面应设置在设计洪水冲刷以下不小于况下，小桥涵基础底面应设置在设计洪水冲刷以下不小