橋墩和橋臺一般及局部沖刷原理及計算公式

1、橋墩和橋臺一般及局部沖刷原理及計算公式第一節(jié) 泥沙運動第二節(jié) 河床演變和河相關(guān)系第三節(jié) 一般沖刷第四節(jié) 局部沖刷第五節(jié) 橋臺沖刷第六節(jié) 最低沖刷線高程第一節(jié) 泥沙運動要研究泥沙運動規(guī)律，首先應(yīng)了解泥沙的基本特性，它包括：1.幾何特性：泥沙顆粒的形狀、大 小及群體泥沙的組合特性2.重力特性：泥沙顆粒的容重與淤積泥沙的干容重3.水力特性：泥沙顆粒的沉降速度泥沙類型懸移質(zhì)推移質(zhì)床沙泥沙運動泥沙運動一、 泥沙的主要特性1 幾何特性粒徑d粒徑級配曲線平均粒徑d和中值粒徑d用等容粒徑表示50粒配曲線：表示天然沙顆粒組成的曲線.繪制過程：取樣烘干篩分稱重點線求各種特征值.曲線坐標：半對數(shù)坐標2 重力特性用容

2、重 表示3 水力特性用沉速 表示單顆粒泥沙在靜止的無限大的清水水體中勻速下沉的速度(cm/s)。二、 泥沙的運動泥沙的起動在水流推動下，床面泥沙顆粒由靜止開始運動。起動流速-床面泥沙顆粒在各種外力作用下，失去平衡，泥 沙開始運動時的水流垂線上的平均流速 。費玉清起動流速公式：重力項粘粒項流速換算項張瑞瑾起動流速公式：流速換算項重力項粘粒項當d2mm時，該式變?yōu)椋簭埲痂胶唾M玉清公式在計算起動流速時的差別三 沙波運動沙質(zhì)河床的床面泥沙在水流作用下，泥沙起動后出現(xiàn)推移質(zhì)運動，形成床面沙波。當Fr很小時，僅出現(xiàn)沙紋；當Fr增大到一定程度，沙紋成長為沙壟；水流強度再增大，則變?yōu)樯城?。裸露的黃河河床沙

3、紋 沙波運動是水流強度達到一定強度后，推移質(zhì)運動的集體形式此時，床面起伏不平的波浪形態(tài)，是推移質(zhì)運動的主要形態(tài)。四 推移質(zhì)輸沙率沙波運動是推移質(zhì)運動的主要形式，而推移質(zhì)輸沙率的大小則反映推移質(zhì)運動的強烈程度。推移質(zhì)輸沙率是單位時間內(nèi)在過水斷面單位河槽寬度上，通過的推移質(zhì)的質(zhì)量，用 表示，單位是kg/s.m竇國仁德推移質(zhì)輸沙率公式式中-系數(shù)，一般取0.01-謝才系數(shù)，無量綱，-起動流速-泥沙沉速-水和泥沙的容重五 含沙量和挾砂能力六 河床的粗化含沙量單位體積內(nèi)水流中所含懸移質(zhì)的質(zhì)量，kg/m在一定條件和邊界條件下，單位體積的水流能夠挾帶泥沙的最大數(shù)量或質(zhì)量(包括推移質(zhì)和懸移質(zhì))，稱為水流的挾砂率

4、。3在沖刷河段內(nèi)，床沙中的細顆粒被水流沖走，上游來沙中的粗顆粒泥沙慢慢沉下來，這樣，河床表面層的泥沙粒徑逐漸增大，形成自然鋪砌的現(xiàn)象，稱為河床的粗化。第二節(jié) 河床演化和河相關(guān)系一 副流由于過水斷面形狀的改變或河槽的影響，伴隨著主流，在水流內(nèi)部形成一種尺度較大的旋轉(zhuǎn)流動，這種從屬于主流而存在的旋轉(zhuǎn)流動稱為副流。副流立軸副流(回流)平軸副流(滾流)順軸副流(螺旋流)河相關(guān)系：水流與河床長期相互作用使河流朝著平衡的方向發(fā)展，當其處于平衡或準平衡狀態(tài)時，河床形態(tài)與流域來水、來沙條件和河床邊界條件之間存在著的密切關(guān)系。二 河床演變的基本概念河床演變是水流與河床不斷相互作用的過程，在這一過程中，泥沙運動是

5、紐帶。任一河段在特定水流條件下有一定挾沙能力。 河床演變是指：河道在天然情況下或受人工因素的影響下所發(fā)生的變化。當上游來沙量與水流挾沙能力互相適應(yīng)時,水流處于輸沙平衡狀態(tài),河床保持相對穩(wěn)定；如上游來沙量與水流挾沙能力不適應(yīng),水流輸沙不平衡,河床就產(chǎn)生相應(yīng)沖淤變化。河床變化反過來又會改變水流條件，從而引起水流挾沙能力的變化，變化的趨勢是盡量使上游來沙量與水流挾沙能力相適應(yīng)，使河床保持相對平衡。 河流存在兩個反饋系統(tǒng)：(1)水流挾帶泥沙，泥沙的存在又影響水流結(jié)構(gòu)；(2)水流作用于河床，使河床發(fā)生變化，河床形態(tài)反過來又影響流速分布。 它們相互依存，相互影響，又相互制約。 水流與河床的相互作用是通過河

6、流中泥沙的沖刷、搬運和堆積而實現(xiàn)的，泥沙在其中起著紐帶作用。 當流速增加，組成河床的泥沙遭到?jīng)_刷，使河床降低或拓寬； 當流速減小，水中挾帶的泥沙沉積于河床上，使河床抬高或束窄，河床就會發(fā)牛相應(yīng)的變化。 河床演變是水流、泥沙與河床相互作用的反映。山區(qū)河流河床演變特性 1、山區(qū)河流常具有寬窄相間的外形，洪水期峽谷進口、懸移質(zhì)在上游寬闊段內(nèi)大量落淤。非汛期寬闊段“走沙”時沖刷外移的泥沙，在進入下游峽谷段時，由于水深流緩，大部分在峽谷段淤積。（例：瀾滄江） 2、彎曲型河流，由于兩岸受山崖階地的鉗制，自由活動的余地較小，河床蠕動只能順著河谷方向平移。 3、分汊河流的江心州和心灘位置較固定，以兩汊居多。

7、4、河床卵石運動在時間分布上具有明顯的不連續(xù)性。同時，卵石的輸沙率有很大的波動。 5、沿程有不少溪溝入?yún)R，在溝口發(fā)育形成沖積扇，其伸人干流部分成為溪口灘（例） ，既影響河床的演變又影響航運。瀾滄江阿達箐灘平原河流的河床演變主要表現(xiàn)：多呈現(xiàn)周期性的往復變形、平面上的擺動，沖淤變形速度快、幅度大都天廟凹沖凸淤，且速度均快和暢洲頭沖尾淤，江心洲不斷下移，但頭沖快而尾淤慢主流線不斷左移引起凹岸沖刷，下移引起和暢洲頭崩坍后退影響河床演化的因素1 上游來水條件，即流量的大小和變化流量大，沖擊力強，對河床沖刷嚴重，變形快；雨季和旱季的變化，河床也出現(xiàn)周期性變化。2 上游來沙條件，即上游來沙量及其粒徑的變化流

8、量大，挾砂能力強，泥沙顆粒也大，對河床沖刷嚴重，變形快。3 河床地質(zhì)、土質(zhì)條件、河床比降為河床演變提供邊界條件。三 河相關(guān)系造床流量河床形態(tài)是在無數(shù)次洪水過程中、水沙相互作用下連續(xù)演變的結(jié)果。為研究河相關(guān)系，人們引入“一個與多年連續(xù)造床作用相當?shù)哪硞€流量數(shù)值”。在橋梁工程中，取與河灘水位齊平時的河槽流量作為造床流量。特點：造床作用最大不是最大流量，因為其歷時短不是最小流量，因為其流量及動量小是流量較大歷時較長的某級流量基本河寬公式河槽寬度與水深的關(guān)系B-平攤水位(造床流量)時的河槽寬度H-平攤水位(造床流量)時的河槽平均水深-斷面河相系數(shù)單寬流量集中系數(shù)A第三節(jié) 橋下河床斷面的一般沖刷橋下河床

9、沖刷計算，是確定墩臺基礎(chǔ)埋深的重要依據(jù)。河床變形分為三類：1. 河道自然變化引起，稱為自然沖刷；2. 橋渡束狹水流，增加單寬流量所引起的全斷面沖刷，稱一般沖刷，用h 表示；3. 由橋墩阻水使水流結(jié)構(gòu)變化，在橋墩周圍發(fā)生的沖刷，稱局部沖刷，用h 表示。bp一般沖刷沖刷停止時橋下的垂線水深表示該垂線處的一般沖刷深度。橋墩前水流形態(tài)發(fā)生的變化橋墩前的局部沖刷一、根據(jù)輸沙平衡原理建立的公式根據(jù)輸沙平衡原理，應(yīng)該是該斷面推移質(zhì)輸沙量G的輸沙平衡。上游天然斷面橋下斷面GG12即-上游天然斷面河槽寬度-橋下河槽寬度，一般砂性土河床建橋后，橋下 河槽可擴展到整個橋孔，B =L ;否則，B =B22cq-上游天

10、然斷面單寬輸沙率-橋下斷面單寬輸沙率式中將上式帶入輸沙率公式得：見表6-3-11964年甘城道將上式改寫成：-系數(shù)-橋下河槽最大水深-造床流量時的最大水深和平均水深-單寬流量集中系數(shù)-系數(shù)，一般取0.2160.24319841990進一步簡化為-橋下河槽通過的流量-計算斷面的天然河槽流量Q-天然狀態(tài)下，橋下河灘部分通過的流量-該式被稱為64-2簡化公式，用于沙質(zhì)河床c二、根據(jù)沖止流速建立的公式1、砂性土河槽的一般沖刷公式一般沖刷停止時橋下的垂線平均流速，稱為沖止流速。沖止流速一般沖刷深度橋下平均單寬流量橋下最大單寬流量該式又被稱為64-1公式E-可查表6-3-22、砂性土河灘的一般沖刷公式-河

11、灘部分的沖止流速-橋下河灘部分通過的部分設(shè)計流量-河灘水深1m時，非粘性土的不沖刷流速，可查表6-3-3-天然狀態(tài)下河灘部分通過的流量3、粘性土河床的橋下斷面一般沖刷公式平均粒徑小于0.005mm的泥沙，稱為粘性土。 土力學中反映粘土粘結(jié)力大小的指標為液性指數(shù)I 和孔隙率e。 I 和e越小，粘土的粘結(jié)力越大，抗沖能力越強，沖止流速也就越大。LL沖止流速橋下河槽橋下河灘三、根據(jù)別列柳伯斯基假設(shè)建立的公式E.B.包爾達克夫根據(jù)別氏假設(shè)認為：橋下流速達到天然河槽平均流速時，橋下沖刷即停止，而且同一垂線處、沖刷后的水深與沖刷前的水深成正比，又稱為包爾達克夫公式，適應(yīng)于穩(wěn)定性河段的河槽。1、河槽土質(zhì)均勻

12、時-沖刷前的面積2、河槽土質(zhì)不均勻時-河床易沖刷部分沖后水深-沖刷前橋下毛過水斷面面積-沖刷前易沖刷部分毛過水斷面面積-沖刷后不易沖刷（表層土壤被沖走后）的毛過水斷面面積第四節(jié) 橋墩的局部沖刷1. 橋墩局部沖刷的機理橋墩周圍的水流：墩前水面涌波墩前迎水面的向下水流漩渦體系2. 沖刷深度和行近流速行近流速是指橋墩上游不遠處，未受繞流影響的墩前天然流速。取一般沖刷終止后的墩前流速作為墩前行近流速，相應(yīng)的墩前水深也是取一般沖刷后的最大水深hp來計算。1964年，橋渡沖刷學術(shù)會議為了制定橋渡局部沖刷公式，假定：清水沖刷 沖刷深度h 隨行近流速 直線增加；動床沖刷 沖刷深度h 隨行近流速 呈下凹曲線形式

13、增大；在處這兩種狀態(tài)是連續(xù)的。bb起沖流速起動流速二. 65-2公式和65-2修正公式1.65-2公式-墩形系數(shù)，見表6-4-1-計算墩寬-一般沖刷后水深-起動流速起沖流速-行近流速系數(shù)-序號墩形示意圖墩形系數(shù)墩形計算寬度B1B1=d11.0B1=d234657891012112. 65-2修正公式-起沖流速，清水沖刷橋墩迎水面兩側(cè)泥沙 起沖流速計算如下：n-指數(shù)動床沖刷三. 粘性土河床橋墩局部沖刷公式二式的適應(yīng)范圍 介于0.161.48四. 行近流速和行近水深假定局部沖刷是在一般沖刷完成后進行的，應(yīng)取一般沖刷后最大水深作為行近水深和一般沖刷后垂線平均流速作為行近流速。按輸沙平衡原理計算一般沖刷時，行近流速的計算可近似采用下式：第五節(jié) 橋臺沖刷一 橋臺繞流的水流結(jié)構(gòu)橋臺附近水流構(gòu)成： 主流區(qū)A； 下游回流區(qū)； 上游滯留區(qū)。因橋臺束窄河道導致上游壅水和一般沖刷，急速繞過橋臺的水流在橋臺上游邊緣與壁面邊界層分離，形成強烈的立軸漩渦體系，并不斷向下發(fā)展。橋臺上下游的流速分布如圖示橋梁上游天然斷面的平均流速為 ；沿橋梁軸線的流速為邊界分離處最大流速為據(jù)試驗資料分析：距離漩渦中心r處的誘導流速u為：漩渦區(qū)寬度D:橋臺前緣渦心壓強p 為：c-橋臺較遠處不受漩渦