橋涵水文第六章上

橋涵水文第六章上第1頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五1橋位河段水流圖示和橋孔布置原則2橋孔長度3橋面標(biāo)高4計算示例上章回顧第2頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第六章橋墩和橋臺沖刷橋下河床沖刷計算是確定墩臺基礎(chǔ)最小埋置深度的重要依據(jù)。計算橋下沖刷線時，應(yīng)考慮橋孔壓縮后的橋下一般沖刷、墩臺阻水引起的局部沖刷、河床自然演變沖刷以及調(diào)治構(gòu)造物和橋位等其他因素影響引起的沖刷.第3頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第六章橋墩和橋臺沖刷橋梁墩臺沖刷一般包括三部分:河床自然（演變）沖刷、橋下河床全斷面內(nèi)發(fā)生的一般沖刷、橋墩周圍水流結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化而引起的河床局部沖刷。橋梁墩臺沖刷是一個綜合復(fù)雜的沖刷過程，為此，分解為上述獨立的三個部分，分別進行計算，然后疊加，并取其不利組合作為墩臺的最大沖刷深度，據(jù)以確定墩臺基礎(chǔ)最小埋置深度。第4頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動泥沙分類：按河槽內(nèi)運動形式和性質(zhì)不同，分為懸移質(zhì)和推移質(zhì)兩類。懸移質(zhì)：在一定的水流條件下，泥沙處于運動狀態(tài)、顆粒較細(xì)的泥沙被水流中的漩渦帶起，懸浮于水中向下游運動，沿水流方向前進的速度與水流的流速基本相同，這種泥沙稱為懸移質(zhì)。推移質(zhì)：顆粒稍大的泥沙.則在河床表面上滾動、滑動或跳躍著向下游移動，前進的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水流的流速，往往以沙波形式向前運動，這種泥沙稱為推移質(zhì)。床沙：比推移質(zhì)穎粒更大的泥沙，則下沉到河床上靜止不動，稱為床沙。

懸移質(zhì)，推移質(zhì)和床沙之間顆粒大小的分界是相對的，隨水流的流速大小而變化，并且三者之間還有在著相互交換的現(xiàn)象。第5頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動河槽泥沙分類：根據(jù)顆粒粗細(xì)及其來源的不同，又分為床沙質(zhì)和沖瀉質(zhì)兩類。床沙質(zhì)：某一河段來自上游的泥沙中，一部分顆粒較粗，在床沙的組成中大量存在，可以認(rèn)為它們直接來自上游的河床，并與本河段床沙有交換現(xiàn)象，這一部分泥沙就稱為床沙質(zhì)。沖瀉質(zhì)：另一部分顆粒較細(xì)的泥沙，在床沙的組成中只有少量存在或根本不存在，可以認(rèn)為它們來自流域的表而沖蝕，隨水流沖瀉而下，沿程與床沙無交換現(xiàn)象，并且也很少沉積，則稱為沖瀉質(zhì)。床沙質(zhì)與沖瀉質(zhì)的顆粒粗細(xì)也是相對的，隨著水流條件及河流形態(tài)的改變，也將互相轉(zhuǎn)化。影響河床演變、出現(xiàn)沖刷淤積變形的主要是床沙質(zhì)。第6頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動對河床演變起主要作用的因素：橋梁上游，水流急劇變化－－推移質(zhì)和床沙。長河段－－懸移質(zhì)第7頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動一泥沙主要特性

1幾何特性一般用直徑（粒徑）、粒徑級配曲線（粒配曲線）、平均粒徑（）、中值粒徑（）來表示。第8頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動一泥沙主要特性

1幾何特性1）粒徑（d）泥沙顆拉的形狀極不規(guī)則，通常采用與泥沙顆粒同體積的球體直徑，來表示泥沙預(yù)粒的大小，稱為等容粒徑，簡稱為粒徑，一般用m或mm計。粒徑的數(shù)值常和量測方法有關(guān)。粒徑大于0.05mm左右的泥沙，一般采用篩析法量測，以標(biāo)準(zhǔn)篩的孔徑來確定粒徑的大小，粒徑小于0.05mm左右的泥沙，則采用水析法，根據(jù)泥沙在靜水中的沉降速度與粒徑的關(guān)系來確定粒徑的大小。對于大顆粒的卵(礫)石，可以直接量測。第9頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動一泥沙主要特性

1幾何特性2)粒徑級配曲線(粒配曲線)河流泥沙是由大小不同的顆粒組成的群體，各種穎粒的粒徑在群體中所占的比例，用級配曲線來表示。粒徑級配曲線通常畫在半對數(shù)坐標(biāo)紙上，橫坐標(biāo)表示粒徑大小，縱坐標(biāo)表示小于某粒徑的泥沙在整個沙樣中所占的重量百分比。第10頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動一泥沙主要特性1幾何特性2)粒徑級配曲線(粒配曲線)比較a、b曲線能看出什么？第11頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動一泥沙主要特性1幾何特性2)粒徑級配曲線(粒配曲線)

粒徑級配曲線能清楚地表明沙樣粒徑的大小和均勻程度，圖中，沙樣a的粒徑較粗而大小級配均勻，沙樣b的粒徑較細(xì)而且大小級配不均勻。第12頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動一泥沙主要特性1幾何特性3）平均粒徑和中值粒徑

沙樣的代表粒徑常用平均粒徑和中值粒徑來表示。第13頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動3）平均粒徑和中值粒徑第14頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動3）平均粒徑和中值粒徑一般用腳標(biāo)表示泥沙粒徑的頻率。如d50、d5、d95等，表示小于該粒徑的泥沙在沙樣總重量中各占50％、5％、95％。其中心d50稱為中值粒徑，是一個十分重要的特征粒徑，它表示大干和小于這種粒徑的泥沙各占沙樣總重量的一半，粒配曲線縱坐標(biāo)50%所對應(yīng)的橫坐標(biāo)，就是中值粒徑d50的數(shù)值。

第15頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動一泥沙主要特性2重力特性泥沙重力特性采用顆粒實體的單位體積的重力表示，稱為容重（或干容重表示）。第16頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動3.水力特性泥沙沉速：泥沙顆粒在靜止的清水中均勻下沉的速度來表示，稱為沉速，符號用ω表示，單位為cm/s。沉速是反映泥沙運動和河床沖淤可能性的要素.靜水中的泥沙顆粒，在重力作用下開始以加速度下沉，下沉過程中顆粒受到水流的阻力，阻力隨沉速加快而增大，當(dāng)水阻力增大到與顆粒所受重力相等時，顆粒將以等速下沉，此時的下沉速度即為泥沙的沉速。不同的研究者，根據(jù)上述條件和實驗資料，導(dǎo)出了一些沉速計算公式，并給出了設(shè)計手冊表。第17頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動二泥沙的起動泥沙的起動：河床上的泥沙在水流作用下.由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為泥沙的起動。它是河流泥沙由靜止到運動的臨界狀態(tài)，此時的臨界水流條件，稱為泥沙的起動條件。泥沙運動和河床變形都始于床面泥沙的起動，泥沙的起動條件是一個很重要的問題。泥沙顆粒的起動，是推動顆粒運動的水流作用力和抗拒顆粒運動的阻力之間，失去平衡的結(jié)果。第18頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動二泥沙的起動a）表示泥沙顆粒處的垂線流速分布和推動泥沙顆粒運動的床面作用流速。b）表示泥沙顆粒周圍的水流作用力。第19頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動二泥沙的起動泥沙顆粒起動的臨界條件，是推動顆拉運動的各力對支點O的力矩之和等于抗拒顆粒運動的各力對支點O的力矩之和。泥沙受力起動力阻力推移力、上舉力重力、摩擦力、粘結(jié)力第20頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動二泥沙的起動起動流速：就是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平均流速。通常采用水流的垂線平均流速v0表示作用流速。第21頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動張瑞謹(jǐn)?shù)钠饎恿魉俟降?2頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動沙玉清的起動流速公式第23頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動張公式的簡化第24頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動

令水深為1m，以張和沙的公式分別繪制起動流速與粒徑的關(guān)系曲線如下（下為張瑞謹(jǐn)公式）兩條曲線的形狀基本相同，中間偏左處，起動流速都有個最小值。圖中曲線表明，這個最小值的右側(cè)，粒徑增大時起動流速也隨之增大（粘結(jié)力影響大），而最小值的左側(cè)，起動流速隨粒徑減小而增大（重力影響大）。第25頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動三沙波運動沙波的形態(tài)與水流強度有密切的關(guān)系：1弗汝德數(shù)Fr很小時，床面出現(xiàn)波紋。2弗汝德數(shù)Fr增大到一定程度，沙紋成為沙壟。3弗汝德數(shù)Fr再增大，沙壟成為沙丘。第26頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動三沙波運動第27頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動四推移質(zhì)輸沙率推移質(zhì)輸沙率：是單位時間內(nèi)，在過水?dāng)嗝嬷袉挝缓硬蹖挾壬贤ㄟ^的推移質(zhì)數(shù)量，單位為kg/m3。第28頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動五含沙量和挾沙能力水流的挾抄能力：在一定的水流條件和邊界條件下，單位體積的水流能夠挾帶捉沙的最大數(shù)量，稱為水流的挾抄能力，單位為kg/m3。含沙量：單位體積的水流所含懸移質(zhì)的數(shù)量，稱為含沙量單位為kg/m3。第29頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動五含沙量和挾沙能力對于某一河段，若自上游輸移來的泥沙數(shù)量(來沙量)，大于本河段的水流挾沙能力，多余的泥沙就會沉積下來，使河床發(fā)生淤積；若來沙量小于本河段的水流扶沙能力，則將由本河段補償不足的泥沙，就會造成河床沖刷。直接影響河床沖淤的泥沙，主要是床沙質(zhì)。在沖刷河段內(nèi)，床面上的細(xì)顆粒泥沙被水流挾走，又得不到上游來沙的補充時，將使床面泥沙的粒徑逐漸增大，形成自然鋪砌的現(xiàn)象，稱為河床的粗化，對橋下河床的沖刷也有一定影響。第30頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)泥沙運動六河床的粗化在沖刷和段內(nèi)，床沙中的細(xì)顆粒泥沙被水流沖走，上游來沙中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，稱為河床的粗化。第31頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五本節(jié)課到此結(jié)束！第32頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)河床演變和河相關(guān)系水流促使泥沙運動，引起河床變形，變形后的河床又反作用于水流，使水流的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，水流與河床永遠(yuǎn)處于相互作用的變化過程中，河床形態(tài)也隨之不斷地變化。河床演變：在天然狀況下或人類活動的干擾后，河床形態(tài)的不斷變化，稱為河床演變。是水流與河床長期相互作用的結(jié)果，并通過泥沙運動來實現(xiàn)。水流通過泥沙運動塑造河床形態(tài)的過程中，水流是最活躍的因素，往往起主要作用。第33頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)河床演變和河相關(guān)系一副流主流：河道中的水流，由于槽壁的限制而決定了總的流動趨勢，按總的流動趨勢運動的水流稱為主流。副流：由于過水?dāng)嗝嫘螤畹母淖兓蚝訛车挠绊懀殡S著主流，在水流內(nèi)部形成一種規(guī)摸較大的旋轉(zhuǎn)運動，這種旋轉(zhuǎn)運動的水流從屬于主流而存在，稱為副流。副流與紊流內(nèi)部的漩禍不同，它的規(guī)模大，旋轉(zhuǎn)中心和位置是穩(wěn)定的、明顯的。副流的存在，往往是河床沖淤的主要原因，對河道中設(shè)置人工構(gòu)造物(橋梁，堤壩等)以后，可能出現(xiàn)的各種副流，必須予以注意。第34頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)河床演變和河相關(guān)系一副流1平軸副流(又稱滾流)

在水工建筑物(閘、壩等)下游和涵洞出口河槽中，急流與天然狀態(tài)的緩流銜接處，出現(xiàn)的水躍就是水面的平軸副流(面滾)，出口河槽鋪砌末端的垂裙下游，常出現(xiàn)底滾而造成局部沖刷，也屬于平軸副流。第35頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)河床演變和河相關(guān)系一副流2立軸副流(又稱回流)在河槽寬度突變處的局部范圍內(nèi)，存在著與主流分離的回流（漩渦），就是立軸副流。在橋臺前緣或丁壩端部附近，河床受立軸渦流的急劇沖刷，產(chǎn)生很深的沖刷坑，沖起的泥沙又被帶到下游回流區(qū)內(nèi)沉積下來。第36頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)河床演變和河相關(guān)系一副流3.順軸副流(又稱螺旋流)順軸副流是順主流方向呈螺旋形向前運動，又稱為螺旋流。通過河灣的水流，螺旋流十分明顯，面流沖向凹岸，底流流向凸岸，導(dǎo)致凹岸沖刷，凸岸淤積，河灣不斷地發(fā)展，并且水面形成橫比降，使凹岸水面升高。第37頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)河床演變和河相關(guān)系一副流3.順軸副流(又稱螺旋流)

凹岸最大沖刷水深：（高冬光）第38頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)河床演變和河相關(guān)系一副流3.順軸副流(又稱螺旋流)凹岸對凸岸水位高差：第39頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)河床演變和河相關(guān)系二、河床演變的基本知識引起河床演變的最根本的原因是輸沙的不平衡。任一河段成河流的局部地段，如果上游的來沙量剛好與水流挾沙能力相適應(yīng)，形成輸沙平衡，則河床不沖不淤，處于穩(wěn)定狀態(tài)，如果，上游來沙量小于或大于水流挾沙能力，則形成輸沙不平衡，河床將發(fā)生沖刷或淤積。第40頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)河床演變和河相關(guān)系二、河床演變的基本知識任一河段的河床，都是時刻處于發(fā)展變化狀態(tài)中，河床的斷面形狀和比降，都是隨時間不斷變化的。當(dāng)河床因外界條件變化而出現(xiàn)沖刷后，過水?dāng)嗝嬷饾u增大，同時床面粗化，粗糙程度增加流速隨之減小；水流挾沙能力降低，便沖刷過程減緩，趨向輸沙平衡，對于淤積河段，也有這種促使變形逐漸減緩而趨于停止的情況。沖積河流的這種現(xiàn)象，稱為沖積河流的自動調(diào)整作用。自動調(diào)整作用促使河床變形趨于停止，使輸沙不平衡趨向輸沙平衡。第41頁，共45頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)河床演變和河相關(guān)系二、河床演變的基本知識影響河床演變的因素很多，主要有下列三個方面：1上游來沙條件（流域的產(chǎn)沙條件）流域的產(chǎn)沙數(shù)量及其組成，對河床演變有很大影響。隨季節(jié)變化。2上游來水條件（流量的大小變化）河流的水力條件是隨流量而變化的，流越大，水流