桥墩和桥台一般及局部冲刷原理及计算公式

桥墩和桥桥台一般般及局部部冲刷原原理及计计算公式式第一节泥泥沙运动动第二节河河床演变变和河相相关系第三节一一般冲刷刷第四节局局部冲刷刷第五节桥桥台冲刷刷第六节最最低冲刷刷线高程程第一节泥泥沙运动动要研究泥泥沙运动动规律，，首先应应了解泥泥沙的基基本特性性，它包包括：1.几何特性性：泥沙颗粒粒的形状状、大小小及群群体泥沙沙的组合合特性2.重力特性性：泥沙颗粒粒的容重重与淤积积泥沙的的干容重重3.水力特性性：泥沙颗粒粒的沉降降速度泥沙类型型悬移质推移质床沙泥沙运动动泥沙运动动一、泥泥沙沙的主要要特性1几何特性性粒径d粒径级配配曲线平均粒径径d和中值粒粒径d用等容粒粒径表示示50粒配曲线线：表示天然然沙颗粒粒组成的的曲线.绘制过程程：取样样→烘干干→筛分分→称重重→点线线→求各各种特征征值.曲线坐标标：半对对数坐标标2重力特性性用容重表表示3水力特性性用沉速表表示单颗粒泥沙在静止的无限大的清水水体中匀速下沉沉的速度(cm/s)。二、泥泥沙沙的运动动泥沙的起起动—在水流推推动下，，床面泥泥沙颗粒粒由静止止开始运运动。起动流速速---床面泥沙沙颗粒在在各种外外力作用用下，失失去平衡衡，泥沙开始运运动时的的水流垂垂线上的的平均流流速。。费玉清起起动流速速公式：：重力项粘粒项流速换算算项张瑞瑾起起动流速速公式：：流速换算算项重力项粘粒项当d≥2mm时，该式变变为：张瑞瑾公式式和费玉清清公式在计计算起动流流速时的差差别三沙波波运动沙质河床的的床面泥沙沙在水流作作用下，泥泥沙起动后后出现推移移质运动，形成床床面沙波。。当Fr很小时，仅仅出现沙纹纹；当Fr增大到一定程度，沙沙纹成长为为沙垄；水水流强度再再增大，则则变为沙丘丘。裸露的黄河河河床—沙纹沙波运动是是水流强度度达到一定定强度后，，推移质运运动的集体体形式此时，床面面起伏不平平的波浪形形态，是推推移质运动动的主要形形态。四推移移质输沙率率沙波运动是是推移质运运动的主要要形式，而而推移质输输沙率的大大小则反映映推移质运运动的强烈烈程度。推移质输沙沙率是单位位时间内在在过水断面面单位河槽槽宽度上，，通过的推推移质的质质量，用表表示，单单位是kg/s.m窦国仁德推推移质输沙沙率公式式中---系数，一般般取0.01---谢才系数，，无量纲，，---起动流速---泥沙沉速---水和泥沙的的容重五含含沙量和挟挟砂能力六河河床的粗粗化含沙量—单位体积内内水流中所所含悬移质质的质量，，kg/m在一定条件件和边界条条件下，单单位体积的的水流能够够挟带泥沙沙的最大数数量或质量量(包括推移质质和悬移质质)，称为水流流的挟砂率率。3在冲刷河段段内，床沙沙中的细颗颗粒被水流流冲走，上上游来沙中中的粗颗粒粒泥沙慢慢慢沉下来，，这样，河河床表面层层的泥沙粒粒径逐渐增增大，形成成自然铺砌砌的现象，，称为河床床的粗化。。第二节河河床演演化和河相相关系一副副流由于过水断断面形状的的改变或河河槽的影响响，伴随着着主流，在在水流内部部形成一种种尺度较大大的旋转流流动，这种种从属于主主流而存在在的旋转流流动称为副副流。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：水流与河床床长期相互互作用使河河流朝着平平衡的方向向发展，当当其处于平衡或或准平衡状状态时，河河床形态与与流域来水水、来沙条条件和河床边界界条件之间间存在着的的密切关系系。二河床床演变的基基本概念河床演变是是水流与河河床不断相互作作用的过程程，在这一过程程中，泥沙沙运动是纽带。。任一河段段在特定水流条条件下有一一定挟沙能力。。河床演变是是指：河道在天然然情况下或或受人工因素素的影响下下所发生的变变化。当上游来沙沙量与水流流挟沙能力力互相适应应时,水流处于输沙平平衡状态,河床保持相相对稳定；；如上游来沙量与水水流挟沙能能力不适应应,水流输沙不不平衡,河床就产生生相应冲淤淤变化。河河床变化反反过来又会改变水流流条件，从从而引起水水流挟沙能能力的变化，变化的的趋势是尽尽量使上游游来沙量与与水流挟沙沙能力相适应应，使河床床保持相对对平衡。河流存在两两个反馈系系统：(1)水流挟带泥泥沙，泥沙沙的存在又又影响水流流结构；(2)水流作用于于河床，使使河床发生生变化，河河床形态反反过来又影影响流速分分布。它们相互依依存，相互互影响，又又相互制约约。水流与河床床的相互作作用是通过过河流中泥泥沙的冲刷刷、搬运和和堆积而实实现的，泥泥沙在其中中起着纽带带作用。当流速增加加，组成河河床的泥沙沙遭到冲刷刷，使河床床降低或拓拓宽；当流速减小小，水中挟挟带的泥沙沙沉积于河河床上，使使河床抬高高或束窄，，河床就会会发牛相应应的变化。。河床演变是是水流、泥泥沙与河床床相互作用用的反映。。山区河流河河床演变特特性1、山区河流流常具有宽宽窄相间的的外形，洪洪水期峡谷谷进口、悬悬移质在上上游宽阔段段内大量落落淤。非汛汛期宽阔段段“走沙””时冲刷外外移的泥沙沙，在进入入下游峡谷谷段时，由由于水深流流缓，大部部分在峡谷谷段淤积。。（例：澜沧沧江）2、弯曲型河河流，由于于两岸受山山崖阶地的的钳制，自自由活动的的余地较小小，河床蠕蠕动只能顺顺着河谷方方向平移。。3、分汊河流流的江心州州和心滩位位置较固定定，以两汊汊居多。4、河床卵石石运动在时时间分布上上具有明显显的不连续续性。同时时，卵石的的输沙率有有很大的波波动。5、沿程有不不少溪沟入入汇，在沟沟口发育形形成冲积扇扇，其伸人人干流部分分成为溪口口滩（例），既影响河河床的演变变又影响航航运。澜沧江阿达达箐滩平原河流的的河床演变变主要表现：：多呈现周周期性的往往复变形、、平面上的的摆动，冲冲淤变形速速度快、幅幅度大都天庙凹冲冲凸淤，且且速度均快快和畅洲头冲冲尾淤，江江心洲不断断下移，但但头冲快而而尾淤慢主流线不断断左移引起起凹岸冲刷刷，下移引引起和畅洲洲头崩坍后后退影响河床演演化的因素素1上游来水条条件，即流流量的大小小和变化流量大，冲冲击力强，，对河床冲冲刷严重，，变形快；；雨季和旱旱季的变化化，河床也也出现周期期性变化。。2上游来沙条条件，即上上游来沙量量及其粒径径的变化流量大，挟挟砂能力强强，泥沙颗颗粒也大，，对河床冲冲刷严重，，变形快。。3河床地质、、土质条件件、河床比比降为河床床演变提供供边界条件件。三河河相关系造床流量—河床形态是是在无数次次洪水过程程中、水沙沙相互作用用下连续演变的的结果。为为研究河相相关系，人人们引入““一个与多多年连续造床作用相相当的某个个流量数值值”。在桥梁工程程中，取与与河滩水位位齐平时的的河槽流量量作为造床床流量。特点：造床床作用最大大不是最大流流量，因为为其历时短短不是最小流流量，因为为其流量及及动量小是流量较大大历时较长长的某级流流量基本河宽公公式河槽宽度与与水深的关关系B---平摊水位(造床流量)时的河槽宽宽度H---平摊水位(造床流量)时的河槽平平均水深---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，桥渡冲刷刷学术会议为为了制定桥渡渡局部冲刷公公式，假定：：清水冲刷冲冲刷刷深度h随行近流速直直线增增加；动床冲冲刷冲刷深度h随行近流速呈呈下下凹曲线形式式增大；在处这两种状态态是连续的。。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，见见表6-4-1---计算墩宽---一般冲刷后水水深---起动流速起冲流速------行近流速系数---序号墩形示意图墩形系数墩形计算宽度度B1B1=d11.0B1=d234657891012112.65-2修正公式---起冲流速，清水冲刷桥墩迎水面两两侧泥沙起冲流速计算算如下：n---指数动床冲刷三.粘性土河床桥桥墩局部冲刷刷公式二式的适应范范围介介于0.16~~1.48四.行近流速和行行近水深假定局部冲刷刷是在一般冲冲刷完成后进进行的，应取取一般冲刷后后最大水深作作为行近水深深和一般冲刷刷后垂线平