桥涵水文-第七章-桥墩桥台冲刷计算

1、桥涵水文,六安市舒城县七里河大桥水毁隐患,第七章 桥墩和桥台冲刷,长安大学,引 言,2020/10/2,2,为了使设计洪水在桥下安全通过，不但要有足够的桥孔长度和桥梁高度，而且桥梁墩台基础还必须有足够的埋置深度。在考虑基础埋置深度时，必须考虑到桥梁墩台的冲刷问题。 桥梁墩台冲刷是一个综合冲刷过程，可分为三部分：桥位河段因河床自然演变而引起河床的自然演变冲刷；因建桥压缩水流而引起桥下整个河床断面普遍存在的一般冲刷；由于桥墩台（结构物）阻水而引起的河床局部冲刷。 桥梁墩台冲刷是受多种因素同时交叉影响产生的，但是为了便于研究和计算，我们把墩台周围总的冲刷深度，假定为这三种冲刷先后进行，分别计算，然后

2、叠加。,长安大学,引 言,2020/10/2,3,长安大学,主要内容,2020/10/2,4,长安大学,7.1 泥沙运动,天然河床是由大小不同，形状各异的泥沙颗粒组成的。根据泥沙在河槽内运动的状态，分为悬移质和推移质两类。 悬移质：悬浮于水中向下游运动，一般颗粒比较细； 推移质：颗粒稍大的泥沙，在床面上滚动、滑动或跳跃着间歇性地向下游移动，前进的速度远小于水流的流速。 床 沙：比推移质颗粒更大的泥沙，则下沉到河床床面静止不动。 悬移质、推移质和床沙之间颗粒大小的分界是相对的，是随水流流速大小而变化的,对桥梁上下游，因水流急剧变化，引起河床变形和桥墩附近的冲刷，起主要作用的是推移质和床沙。,20

3、20/10/2,5,长安大学,7.1 泥沙运动,一、泥沙主要特性,1. 几何特性,2020/10/2,6,长安大学,7.1 泥沙运动,一、泥沙主要特性,2. 重力特性,泥沙重力特性用泥沙颗粒实体的单位体积的重力来表示，称为容重s（或重度）。,3. 水力特性 泥沙的水力特性，用泥沙颗粒在静止的清水中均匀下沉的速度来表示，称为沉速，符号为（cm/s）。,2020/10/2,7,长安大学,7.1 泥沙运动,二、泥沙的起动,在水流推动下，床面泥沙颗粒由静止开始运动，称为泥沙的起动。泥沙起动是泥沙运动和河床变形开始的临界状态。 泥沙颗粒的起动，是床面泥沙颗粒受到的驱动力和抗拒力以及这些力产生的力矩失去平

4、衡的结果。泥沙颗粒周围的水流和受力状态如图所示。,2020/10/2,8,长安大学,7.1 泥沙运动,二、泥沙的起动,泥沙起动条件可用起动流速v0和起动床面切应力0两种形式来表示。我国桥梁冲刷计算中，采用起动流速作为判别床面泥沙运动状态的标准。 起动流速就是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平均流速（m/s）。,2020/10/2,9,长安大学,7.1 泥沙运动,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。沙波的形态与水流强度密切相关，当弗汝德数很小时，床面出现沙波，当弗汝德数增大到一定程度后，沙波成长为沙垄；水流强度再增

5、大，则沙垄成长为沙丘。 沙波沙谷对基础埋深的影响。,2020/10/2,10,长安大学,7.1 泥沙运动,四、推移质输沙率,起动流速是推移质运动产生的条件，而推移质运动的强烈程度则用推移质输沙率来表示； 推移质输沙率是单位时间内在过水断面单位河槽宽度上，通过的推栘质的质量，单位是kgs.m。我国一般采用以流速为主要参数的推栘质输沙率公式。,式（7-15）表明，推移质输沙率gb与流速4次方成正比，表明推移质输沙率对流速十分敏感。因此，大多数推移质集中在流速最大的主流区内，而且一年中推移质的很大部分是在几次大洪水过程中通过的。 桥梁墩台和丁坝等建筑物附近的冲刷，主要与推移质运动有关。,2020/1

6、0/2,11,长安大学,7.1 泥沙运动,五、含沙量和携沙能力,含沙量(g)是单位体积内水流中所含悬移质的质量，单位是kg/m3。 在一定的水力条件和边界条件下，单位体积的水流，能够挟带泥沙的最大数量(质量)，包括悬移质和推移质的全部泥沙数量，称为水流的挟沙能力。对于颗粒很细的平原区河流，悬栘质占绝大部分，挟沙能力可近似地用最大含沙量来表示。,2020/10/2,12,长安大学,7.1 泥沙运动,六、河床粗化,在冲刷河段内，床沙中的细颗粒泥沙被水流冲走，上游来沙中的粗颗粒泥沙慢慢沉下来，这样，河床表面层的泥沙粒径逐渐增大，形成自然铺砌的现象，称为河床床面的粗化。水库下游、桥梁上下游等冲刷河段的

7、床面都有床面粗化现象。,2020/10/2,13,长安大学,7.2 河床演变和河相关系,河床演变：在天然状况或人类活动的干扰后，河床形态逐渐发生变化的过程和现象。 河床演变是水流与河床的相互作用的结果。,2020/10/2,14,长安大学,7.2 河床演变和河相关系,一、副流,副流：河床中，水流内部从属于主流而存在的尺度较大的旋转流动。 副流与漩涡流不同，它是一种位置和旋转中心相对稳定的、明显的、大尺度的高速漩涡或环流。副流的存在是河床冲淤变形的直接原因，对于河床中建筑物（桥涵、堤坝、涵闸等）引起的各种副流，必须密切注意。,2020/10/2,15,长安大学,7.2 河床演变和河相关系,立轴副

8、流,形成于桥台前缘、丁坝头部或河槽宽度突变处；水流在此扰流，产生边界层分离，在分离点靠近边界一侧形成高速旋转的立轴漩涡，漩涡不停地向下游传播和扩展，形成下游的回流区。 其结果使分离点床面形成冲刷坑，下游回流区产生淤积。,2020/10/2,16,长安大学,7.2 河床演变和河相关系,平轴副流,形成与急流与缓流衔接处，水面产生面滚，水底产生底滚。 多发生在小桥涵出口处，底滚造成垂裙冲刷，引起小桥涵的水毁。,2020/10/2,17,长安大学,7.2 河床演变和河相关系,通过弯道的水流在重力和离心力的共同作用下，面流流向凹岸，底流流向凸岸，形成向前流动的螺旋流。河湾螺旋流的旋转轴方向与主流流向一致

9、，称为顺轴副流。 螺旋流在横断面上的投影，称为断面横向环流，使凹岸冲刷，凸岸淤积；凹岸冲刷在弯道出口断面附近冲刷最深。,凹岸超高：,顺轴副流,2020/10/2,18,长安大学,7.2 河床演变和河相关系,二、河床演变,河流断面形态的变化。,河床演变是水流与泥沙长期相互作用的结果，并通过泥沙运动来实现；,2020/10/2,19,长安大学,7.2 河床演变和河相关系,二、河床演变,河道输沙不平衡是河床演变的根本原因。 当上游来沙量大于本河段的水流挟沙能力时，产生淤积，河床升高。 当上游来沙量小于本河段的水流挟沙能力时，产生冲刷，河床下降。 当上游来沙量等于本河段的水流挟沙能力时，达到输沙平衡，

10、河床基本稳定。 河道输沙不平衡包括纵向输沙不平衡和横向输沙不平衡，分别影响河道纵断面和横断面的演变形态。,2020/10/2,20,长安大学,7.2 河床演变和河相关系,二、河床演变,纵向变形,河流纵向输沙不平衡引起河床沿水流方向高程的变化，亦即河流纵断面的变化称为纵向变形；,横向变形,河流横向输沙不平衡导致河湾发展，河槽拓宽、分汊、改道、裁弯等河床平面形状的变化，称为,2020/10/2,21,长安大学,7.2 河床演变和河相关系,二、河床演变,桥墩、桥台、丁坝等建筑物周围，高速旋转的绕流旋涡卷起床面泥沙，带往下游，形成局部冲刷。 河槽中床面泥沙处于运动之中，桥墩局部冲刷停止的条件为单位时间

11、内上游落入冲刷坑内的泥沙量与旋涡卷走的泥沙量相等，即达到输沙平衡时，冲刷就停止； 河滩水深小，床面糙率大，流速小(一般河滩流速小于床面起动流速)，床面泥沙处于静止状态，墩台周围泥沙被绕流旋涡带走而形成的冲刷坑内，没有来沙的补给，随冲刷深度增大，绕流流速逐渐减小，当流速降低到坑内泥沙起动流速时，冲刷就停止。 习惯上，河槽中墩台的冲刷称为动床冲刷，河滩中墩台的冲刷称为清水冲刷。,2020/10/2,22,长安大学,7.2 河床演变和河相关系,二、河床演变,当河床因外界条件变化面出现冲刷后，过水断面逐渐增大，流速逐渐减小，挟沙能力减弱，同时床面粗化，抗冲能力增强，冲刷过程逐渐减缓，冲刷趋向停止；对于

12、淤积河段，也有这种使河床变形逐渐减缓，使变形趋向停止的现象。冲积河流水沙相互作用，产生河床变形，然后又使其趋于停止的现象，称为冲积河流的自动调整现象。,2020/10/2,23,长安大学,7.2 河床演变和河相关系,二、河床演变,影响河床演变的因素是非常复杂的，但对于任何一个河段，影响水流与河床相互作用的主要因素有如下几个方面： （1）上游河段的来水量及其变化过程； （2）上游河段的来沙量、来沙组成及其变化过程； （3）河段的河道比降及其变化过程； （4）河段的河床形态及地质情况。,2020/10/2,24,长安大学,7.2 河床演变和河相关系,三、河相关系,冲积河床在水沙长期相互作用下，逐渐

13、形成一种均衡的河床形态。 描述这些河床均衡形态的几何因素(河宽B、平均水深h、比降i、弯道半径R等)与来水，来沙条件(Q、d等)存在一定的对应关系，称为河相关系，又称均衡关系。,2020/10/2,25,长安大学,7.2 河床演变和河相关系,三、河相关系,造床流量：在为了研究河相关系，引用一个与多年连续综合造床作用相当的某个流量数值作为代表流量，称为造床流量； 最大洪水流量对河床作用强烈，但历时短，造床作用不是最大；枯水流量历时长，但流量小，造床作用也不是最大，因而，造床流量应该是一个比较大，而历时比较长的某一级洪水流量。 桥位设计中，通常采用与平滩水位相应的流量作为造床流量。因为水位升高、漫

14、滩时，水流分散，造床作用降低；水位低于滩面时，流速较小，造床作用也不是最强。 对于河滩河槽难以划分的游荡性、变迁性河段，可用多年平均的最大洪水流量作为造床流量,2020/10/2,26,长安大学,7.2 河床演变和河相关系,三、河相关系,我国公路桥孔长度的确定和桥墩冲刷计算，都应用了河相关系式。 1.基本河宽公式,2. 河槽宽度和水深的关系,单宽流量集中系数,2020/10/2,27,长安大学,7.3 桥下河床断面的自然冲刷,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

15、发生的河床演变，作为设计桥梁墩台的自然冲刷深度。 在实际工作中，一般可根据桥位河段的类型，通过选择“计算断面”的方法来确定自然冲刷深度。,2020/10/2,28,长安大学,7.3 桥下河床断面的自然冲刷,平原顺直型河段：桥位上游附近最大水深断面,2020/10/2,29,平原弯曲型河段：桥位上游附近河湾半径最小的河 湾顶点断面,游荡型和变迁型河段：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。,长安大学,7.3 桥下河床断面的一般冲刷,基本概念： 一般冲刷：由于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。 一般冲刷深度hP ：指桥下河床在一般冲刷完成后从设计水

16、位算起的某一垂线水深。,2020/10/2,30,长安大学,7.3 桥下河床断面的一般冲刷,河槽一般冲刷hP的计算公式有以下三类： 第一类是按桥下河槽输沙平衡原理建立的642简化公式和按垂线冲止流速建立的64-1修正公式，此类公式用于非粘性土河床的一般冲刷计算； 第二类是粘性土河槽一般冲刷公式； 第三类是包尔达柯夫公式。,2020/10/2,31,长安大学,7.3 桥下河床断面的一般冲刷,一、64-2简化公式输沙平衡原理,原理：桥下河槽断面的上游来沙量小于桥下断面的水流挟沙能力，则发生冲刷。随着冲刷的发生，桥下断面增大，流速和挟沙能力逐渐减小。当上游来沙量和桥下排沙量趋于平衡，冲刷趋于停止，达

17、到最大冲刷深度。,上游断面来沙量G1=下游段面输沙G2,2020/10/2,32,长安大学,7.3 桥下河床断面的一般冲刷,一、64-2简化公式输沙平衡原理,1964年“全国桥渡冲刷学术会议”推荐由交通部科学研究院甘城道研究员导出的公式为全国试用公式，即,64-2简化公式（1984-1990）,用于砂性土河床的一般冲刷计算,2020/10/2,33,长安大学,7.3 桥下河床断面的一般冲刷,一、64-2简化公式输沙平衡原理,2020/10/2,34,长安大学,7.3 桥下河床断面的一般冲刷,二、根据冲止流速建立的公式,冲止流速：桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速，以vz(m/s)表示。 桥下断面

18、内任意垂线在一般冲刷过程中垂线平均流速降低到该垂线的冲止流速时，冲刷即停止，此时达到最大一般冲刷垂线水深hP。,2020/10/2,35,长安大学,7.3 桥下河床断面的一般冲刷,一般冲刷后最大水深,桥下平均单宽流量,桥下最大单宽流量,冲止流速,称为64-1公式,沙性土河槽一般冲刷,二、根据冲止流速建立的公式,2020/10/2,36,长安大学,7.3 桥下河床断面的一般冲刷,一般冲刷深度,冲止流速,沙性土河滩的一般冲刷,二、根据冲止流速建立的公式,2020/10/2,37,长安大学,7.3 桥下河床断面的一般冲刷,二、根据冲止流速建立的公式,粘性土河床的桥下断面的一般冲刷,2020/10/2

19、,38,长安大学,7.3 桥下河床断面的一般冲刷,二、根据冲止流速建立的公式,粘性土河床的桥下断面的一般冲刷,2020/10/2,39,长安大学,7.3 桥下河床断面的一般冲刷,三、包尔达柯夫公式,根据别列柳伯斯基假定：认为桥下流速达到天然河槽平均流速时，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。 1、河槽土质均匀时： 2、河槽土质不均匀时：,2020/10/2,40,长安大学,7.4 桥墩局部冲刷,一、桥墩局部冲刷机理, 桥墩周围水流 流向桥墩的水流受到桥墩阻挡，桥墩周围的水流结构发生急剧变化，水流的绕流使流线严重弯曲，床面附近形成螺旋形水流，剧烈淘刷桥墩周围，特别是

20、迎水面的河床泥沙，形成冲刷坑的现象，称为局部冲刷。引起局部冲刷的水流结构如图所示。,桥前水面涌波 桥墩迎水面的下降水流 漩涡体系,负压 吸起床沙,2020/10/2,41,长安大学,7.4 桥墩局部冲刷,2020/10/2,42,长安大学,7.4 桥墩局部冲刷,2020/10/2,43,长安大学,7.4 桥墩局部冲刷,一、桥墩局部冲刷机理,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。当流速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，产生冲刷，这时涌向桥墩的垂线平均流速称为墩前床沙的起冲流速V0。当V继续增大时，冲刷坑逐渐加深和扩大，冲刷坑深度hb与涌向桥墩的

21、流速V近似呈直线关系。流速V增大到河床泥沙的起动流速V0时，床面泥沙大量起动，上游来的泥沙有些将滞留在冲刷坑内，因此，当VV0时，冲刷坑的发展因有大量泥沙补给而减缓，冲刷坑的深度hb与流速呈曲线关系（图7-4-4、5）。, 桥墩周围水流,2020/10/2,44,长安大学,7.4 桥墩局部冲刷,一、桥墩局部冲刷机理,与此同时，冲刷坑内发生了土壤粗化现象，留下粗粒泥沙，覆盖在冲刷坑表面上，增大了抗冲能力和粗糙度，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，冲刷就停止了。这时冲刷坑外缘与坑底的最大高差，就是这一次水流最大局部冲刷深度。, 桥墩周围水流,2020/10/2,45,长安

22、大学,7.4 桥墩局部冲刷,一、桥墩局部冲刷机理,起冲流速v0：桥墩迎水面两侧的泥沙开始被冲走，产生冲刷时涌向桥墩的垂线平均流速。 起动流速v0:床沙起动时的流速。 行近流速：桥墩上游不远处，未受绕流影响的墩前天然流速（一般冲刷停止后的流速）。 最大局部冲刷深度：局部冲刷停止时冲刷坑外缘与坑底的最大高差。, 几个概念,2020/10/2,46,长安大学,7.4 桥墩局部冲刷,一、桥墩局部冲刷机理,影响局部冲刷的主要因素有流速、墩形、墩宽、水深和床沙粒径等。局部冲刷深度hb通常是以一般冲刷hp完成后的标高起算，所表示的是桥墩垂线上的冲刷坑深度。 现行规范对桥墩局部冲刷计算有两类计算公式：一类是用

23、于非粘土河床的65-2公式和65-1修正式；另一类是粘性土河床的桥墩局部冲刷公式。,2020/10/2,47,长安大学,7.4 桥墩局部冲刷,二、 65-2公式和65-2修正式,1. 65-2公式,2020/10/2,48,长安大学,7.4 桥墩局部冲刷,二、 65-2公式和65-2修正式,2020/10/2,49,长安大学,7.4 桥墩局部冲刷,二、 65-2公式和65-2修正式,2. 65-2修正公式,2020/10/2,50,长安大学,7.4 桥墩局部冲刷,二、 65-2公式和65-2修正式,2. 65-2修正公式,65-2修正公式为公路桥位勘测设计规范（JTJ062-91)的首选公式,2020/10/2,51,长安大学,7.4 桥墩局部冲刷,二、 65-2公式和65-2修正式,3. 桥墩局部冲刷深度的预测计算公式,王亚玲、高东光（实测资料的多元回归分析）：,65-2修正公式,2020/10/2,52,长安大学,7.4 桥墩局部冲刷,三、 粘性土河床桥墩局部冲刷公式,2020/10/2,53,长安大学,7.4 桥墩局部冲刷,四、行近水深和行近流速,假定局部冲刷是在一般冲刷完成后进行的，应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。计算桥墩局部冲刷时，应根据所采用的一般冲刷公式选用其对应的行近流速公式。,1按输