橋涵水文橋墩橋臺沖刷計算教案

會計學(xué)1橋涵水文橋墩橋臺沖刷計算引言2024/12/242為了使設(shè)計洪水在橋下安全通過，不但要有足夠的橋孔長度和橋梁高度，而且橋梁墩臺基礎(chǔ)還必須有足夠的埋置深度。在考慮基礎(chǔ)埋置深度時，必須考慮到橋梁墩臺的沖刷問題。橋梁墩臺沖刷是一個綜合沖刷過程，可分為三部分：橋位河段因河床自然演變而引起河床的自然演變沖刷；因建橋壓縮水流而引起橋下整個河床斷面普遍存在的一般沖刷；由于橋墩臺（結(jié)構(gòu)物）阻水而引起的河床局部沖刷。橋梁墩臺沖刷是受多種因素同時交叉影響產(chǎn)生的，但是為了便于研究和計算，我們把墩臺周圍總的沖刷深度，假定為這三種沖刷先后進(jìn)行，分別計算，然后疊加。引言2024/12/243自然演變沖刷在水流和泥沙的相互作用下，不停地沖淤變化，構(gòu)成了河床的自然演變。一般沖刷又叫壓縮沖刷，由于過水?dāng)嗝媸艿綁嚎s，引起水流流速增大而造成的沖刷。局部沖刷水流流入橋孔，在橋臺前緣、橋墩周圍或調(diào)治構(gòu)造物邊緣等部位形成繞流，形成漩渦，產(chǎn)生很大的床面切力，形成沖刷坑。河床演變和河相關(guān)系

2泥沙運動

31橋下河床斷面的一般沖刷

33橋墩局部沖刷

4橋臺沖刷

35最低沖刷線高程和計算實例6主要內(nèi)容2024/12/2447.1泥沙運動

天然河床是由大小不同，形狀各異的泥沙顆粒組成的。根據(jù)泥沙在河槽內(nèi)運動的狀態(tài)，分為懸移質(zhì)和推移質(zhì)兩類。

懸移質(zhì)：懸浮于水中向下游運動，一般顆粒比較細(xì)；

推移質(zhì)：顆粒稍大的泥沙，在床面上滾動、滑動或跳躍著間歇性地向下游移動，前進(jìn)的速度遠(yuǎn)小于水流的流速。

床

沙：比推移質(zhì)顆粒更大的泥沙，則下沉到河床床面靜止不動。

懸移質(zhì)、推移質(zhì)和床沙之間顆粒大小的分界是相對的，是隨水流流速大小而變化的．對橋梁上下游，因水流急劇變化，引起河床變形和橋墩附近的沖刷，起主要作用的是推移質(zhì)和床沙。2024/12/2457.1泥沙運動

一、泥沙主要特性

1.幾何特性粒徑（d）顆粒級配曲線平均粒徑中值粒徑（d50）2024/12/2467.1泥沙運動

一、泥沙主要特性

2.重力特性泥沙重力特性用泥沙顆粒實體的單位體積的重力來表示，稱為容重γs（或重度）。

3.水力特性

泥沙的水力特性，用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，符號為ω（cm/s）。2024/12/2477.1泥沙運動

二、泥沙的起動在水流推動下，床面泥沙顆粒由靜止開始運動，稱為泥沙的起動。泥沙起動是泥沙運動和河床變形開始的臨界狀態(tài)。泥沙顆粒的起動，是床面泥沙顆粒受到的驅(qū)動力和抗拒力以及這些力產(chǎn)生的力矩失去平衡的結(jié)果。泥沙顆粒周圍的水流和受力狀態(tài)如圖所示。2024/12/2487.1泥沙運動

二、泥沙的起動泥沙起動條件可用起動流速v0和起動床面切應(yīng)力τ0兩種形式來表示。我國橋梁沖刷計算中，采用起動流速作為判別床面泥沙運動狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)。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（m/s）。張瑞瑾(7-12)沙玉清(7-13)2024/12/2497.1泥沙運動

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。沙波的形態(tài)與水流強(qiáng)度密切相關(guān)，當(dāng)弗汝德數(shù)很小時，床面出現(xiàn)沙波，當(dāng)弗汝德數(shù)增大到一定程度后，沙波成長為沙壟；水流強(qiáng)度再增大，則沙壟成長為沙丘。

沙波沙谷對基礎(chǔ)埋深的影響。2024/12/24107.1泥沙運動

四、推移質(zhì)輸沙率起動流速是推移質(zhì)運動產(chǎn)生的條件，而推移質(zhì)運動的強(qiáng)烈程度則用推移質(zhì)輸沙率來表示；

推移質(zhì)輸沙率是單位時間內(nèi)在過水?dāng)嗝鎲挝缓硬蹖挾壬希ㄟ^的推栘質(zhì)的質(zhì)量，單位是kg／s.m。我國一般采用以流速為主要參數(shù)的推栘質(zhì)輸沙率公式。式（7-15）表明，推移質(zhì)輸沙率gb與流速4次方成正比，表明推移質(zhì)輸沙率對流速十分敏感。因此，大多數(shù)推移質(zhì)集中在流速最大的主流區(qū)內(nèi)，而且一年中推移質(zhì)的很大部分是在幾次大洪水過程中通過的。橋梁墩臺和丁壩等建筑物附近的沖刷，主要與推移質(zhì)運動有關(guān)。2024/12/24117.1泥沙運動

五、含沙量和攜沙能力

含沙量(g)是單位體積內(nèi)水流中所含懸移質(zhì)的質(zhì)量，單位是kg/m3。在一定的水力條件和邊界條件下，單位體積的水流，能夠挾帶泥沙的最大數(shù)量(質(zhì)量)，包括懸移質(zhì)和推移質(zhì)的全部泥沙數(shù)量，稱為水流的挾沙能力。對于顆粒很細(xì)的平原區(qū)河流，懸栘質(zhì)占絕大部分，挾沙能力可近似地用最大含沙量來表示。2024/12/24127.1泥沙運動

六、河床粗化

在沖刷河段內(nèi)，床沙中的細(xì)顆粒泥沙被水流沖走，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，稱為河床床面的粗化。水庫下游、橋梁上下游等沖刷河段的床面都有床面粗化現(xiàn)象。2024/12/24137.2河床演變和河相關(guān)系

河床演變：在天然狀況或人類活動的干擾后，河床形態(tài)逐漸發(fā)生變化的過程和現(xiàn)象。河床演變是水流與河床的相互作用的結(jié)果。2024/12/24147.2河床演變和河相關(guān)系

一、副流副流：河床中，水流內(nèi)部從屬于主流而存在的尺度較大的旋轉(zhuǎn)流動。副流與漩渦流不同，它是一種位置和旋轉(zhuǎn)中心相對穩(wěn)定的、明顯的、大尺度的高速漩渦或環(huán)流。副流的存在是河床沖淤變形的直接原因，對于河床中建筑物（橋涵、堤壩、涵閘等）引起的各種副流，必須密切注意。立軸副流（回流，橋梁墩臺前后的匯水區(qū)）平軸副流（滾流，水躍的滾流區(qū)）順軸副流（螺旋流，河流彎道）2024/12/24157.2河床演變和河相關(guān)系立軸副流形成于橋臺前緣、丁壩頭部或河槽寬度突變處；水流在此擾流，產(chǎn)生邊界層分離，在分離點靠近邊界一側(cè)形成高速旋轉(zhuǎn)的立軸漩渦，漩渦不停地向下游傳播和擴(kuò)展，形成下游的回流區(qū)。其結(jié)果使分離點床面形成沖刷坑，下游回流區(qū)產(chǎn)生淤積。2024/12/24167.2河床演變和河相關(guān)系平軸副流形成與急流與緩流銜接處，水面產(chǎn)生面滾，水底產(chǎn)生底滾。多發(fā)生在小橋涵出口處，底滾造成垂裙沖刷，引起小橋涵的水毀。2024/12/24177.2河床演變和河相關(guān)系通過彎道的水流在重力和離心力的共同作用下，面流流向凹岸，底流流向凸岸，形成向前流動的螺旋流。河灣螺旋流的旋轉(zhuǎn)軸方向與主流流向一致，稱為順軸副流。螺旋流在橫斷面上的投影，稱為斷面橫向環(huán)流，使凹岸沖刷，凸岸淤積；凹岸沖刷在彎道出口斷面附近沖刷最深。凹岸超高：順軸副流2024/12/24187.2河床演變和河相關(guān)系

二、河床演變縱向變形橫向變形河流斷面形態(tài)的變化。河床演變是水流與泥沙長期相互作用的結(jié)果，并通過泥沙運動來實現(xiàn)；2024/12/24197.2河床演變和河相關(guān)系

二、河床演變

河道輸沙不平衡是河床演變的根本原因。當(dāng)上游來沙量大于本河段的水流挾沙能力時，產(chǎn)生淤積，河床升高。當(dāng)上游來沙量小于本河段的水流挾沙能力時，產(chǎn)生沖刷，河床下降。當(dāng)上游來沙量等于本河段的水流挾沙能力時，達(dá)到輸沙平衡，河床基本穩(wěn)定。河道輸沙不平衡包括縱向輸沙不平衡和橫向輸沙不平衡，分別影響河道縱斷面和橫斷面的演變形態(tài)。2024/12/24207.2河床演變和河相關(guān)系

二、河床演變縱向變形河流縱向輸沙不平衡引起河床沿水流方向高程的變化，亦即河流縱斷面的變化稱為縱向變形；橫向變形河流橫向輸沙不平衡導(dǎo)致河灣發(fā)展，河槽拓寬、分汊、改道、裁彎等河床平面形狀的變化，稱為2024/12/24217.2河床演變和河相關(guān)系

二、河床演變橋墩、橋臺、丁壩等建筑物周圍，高速旋轉(zhuǎn)的繞流旋渦卷起床面泥沙，帶往下游，形成局部沖刷。河槽中床面泥沙處于運動之中，橋墩局部沖刷停止的條件為單位時間內(nèi)上游落入沖刷坑內(nèi)的泥沙量與旋渦卷走的泥沙量相等，即達(dá)到輸沙平衡時，沖刷就停止；河灘水深小，床面糙率大，流速小(一般河灘流速小于床面起動流速)，床面泥沙處于靜止?fàn)顟B(tài)，墩臺周圍泥沙被繞流旋渦帶走而形成的沖刷坑內(nèi)，沒有來沙的補給，隨沖刷深度增大，繞流流速逐漸減小，當(dāng)流速降低到坑內(nèi)泥沙起動流速時，沖刷就停止。

習(xí)慣上，河槽中墩臺的沖刷稱為動床沖刷，河灘中墩臺的沖刷稱為清水沖刷。2024/12/24227.2河床演變和河相關(guān)系

二、河床演變

當(dāng)河床因外界條件變化面出現(xiàn)沖刷后，過水?dāng)嗝嬷饾u增大，流速逐漸減小，挾沙能力減弱，同時床面粗化，抗沖能力增強(qiáng)，沖刷過程逐漸減緩，沖刷趨向停止；對于淤積河段，也有這種使河床變形逐漸減緩，使變形趨向停止的現(xiàn)象。沖積河流水沙相互作用，產(chǎn)生河床變形，然后又使其趨于停止的現(xiàn)象，稱為沖積河流的自動調(diào)整現(xiàn)象。2024/12/24237.2河床演變和河相關(guān)系

二、河床演變影響河床演變的因素是非常復(fù)雜的，但對于任何一個河段，影響水流與河床相互作用的主要因素有如下幾個方面：（1）上游河段的來水量及其變化過程；

（2）上游河段的來沙量、來沙組成及其變化過程；

（3）河段的河道比降及其變化過程；

（4）河段的河床形態(tài)及地質(zhì)情況。

2024/12/24247.2河床演變和河相關(guān)系

三、河相關(guān)系沖積河床在水沙長期相互作用下，逐漸形成一種均衡的河床形態(tài)。描述這些河床均衡形態(tài)的幾何因素(河寬B、平均水深h、比降i、彎道半徑R等)與來水，來沙條件(Q、d等)存在一定的對應(yīng)關(guān)系，稱為河相關(guān)系，又稱均衡關(guān)系。2024/12/24257.2河床演變和河相關(guān)系

三、河相關(guān)系造床流量：在為了研究河相關(guān)系，引用一個與多年連續(xù)綜合造床作用相當(dāng)?shù)哪硞€流量數(shù)值作為代表流量，稱為造床流量；最大洪水流量對河床作用強(qiáng)烈，但歷時短，造床作用不是最大；枯水流量歷時長，但流量小，造床作用也不是最大，因而，造床流量應(yīng)該是一個比較大，而歷時比較長的某一級洪水流量。橋位設(shè)計中，通常采用與平灘水位相應(yīng)的流量作為造床流量。因為水位升高、漫灘時，水流分散，造床作用降低；水位低于灘面時，流速較小，造床作用也不是最強(qiáng)。對于河灘河槽難以劃分的游蕩性、變遷性河段，可用多年平均的最大洪水流量作為造床流量2024/12/24267.2河床演變和河相關(guān)系

三、河相關(guān)系我國公路橋孔長度的確定和橋墩沖刷計算，都應(yīng)用了河相關(guān)系式。

1.基本河寬公式2.河槽寬度和水深的關(guān)系單寬流量集中系數(shù)2024/12/24277.3橋下河床斷面的自然沖刷由于影響河床演變的因素非常多，而且錯綜復(fù)雜，難以得到可靠的計算結(jié)果。目前在實際工作中，主要通過實地調(diào)查或參考類似河流的觀測資料，結(jié)合河段的特點和整治規(guī)劃，估計建橋以后可能發(fā)生的河床演變，作為設(shè)計橋梁墩臺的自然沖刷深度。

在實際工作中，一般可根據(jù)橋位河段的類型，通過選擇“計算斷面”的方法來確定自然沖刷深度。2024/12/24287.3橋下河床斷面的自然沖刷平原順直型河段：橋位上游附近最大水深斷面2024/12/2429平原彎曲型河段：橋位上游附近河灣半徑最小的河灣頂點斷面游蕩型和變遷型河段：在橋位斷面上、下游橋位河段內(nèi)取若干河床斷面重疊后的外包線。7.3橋下河床斷面的一般沖刷

基本概念：

一般沖刷：由于建橋后壓縮水流而在橋下河床全斷面內(nèi)發(fā)生的普遍沖刷，稱為一般沖刷。

一般沖刷深度hP

：指橋下河床在一般沖刷完成后從設(shè)計水位算起的某一垂線水深。2024/12/24307.3橋下河床斷面的一般沖刷河槽一般沖刷hP的計算公式有以下三類：第一類是按橋下河槽輸沙平衡原理建立的64—2簡化公式和按垂線沖止流速建立的64-1修正公式，此類公式用于非粘性土河床的一般沖刷計算；第二類是粘性土河槽一般沖刷公式；第三類是包爾達(dá)柯夫公式。2024/12/24317.3橋下河床斷面的一般沖刷一、64-2簡化公式——輸沙平衡原理原理：橋下河槽斷面的上游來沙量小于橋下斷面的水流挾沙能力，則發(fā)生沖刷。隨著沖刷的發(fā)生，橋下斷面增大，流速和挾沙能力逐漸減小。當(dāng)上游來沙量和橋下排沙量趨于平衡，沖刷趨于停止，達(dá)到最大沖刷深度。上游斷面來沙量G1=下游段面輸沙G22024/12/24327.3橋下河床斷面的一般沖刷一、64-2簡化公式——輸沙平衡原理1964年“全國橋渡沖刷學(xué)術(shù)會議”推薦由交通部科學(xué)研究院甘城道研究員導(dǎo)出的公式為全國試用公式，即64-2簡化公式（1984-1990）用于砂性土河床的一般沖刷計算2024/12/24337.3橋下河床斷面的一般沖刷一、64-2簡化公式——輸沙平衡原理2024/12/24347.3橋下河床斷面的一般沖刷二、根據(jù)沖止流速建立的公式?jīng)_止流速：橋下一般沖刷停止時的垂線平均流速，以vz(m/s)表示。橋下斷面內(nèi)任意垂線在一般沖刷過程中垂線平均流速降低到該垂線的沖止流速時，沖刷即停止，此時達(dá)到最大一般沖刷垂線水深hP。2024/12/24357.3橋下河床斷面的一般沖刷一般沖刷后最大水深橋下平均單寬流量橋下最大單寬流量沖止流速稱為64-1公式沙性土河槽一般沖刷二、根據(jù)沖止流速建立的公式2024/12/24367.3橋下河床斷面的一般沖刷一般沖刷深度沖止流速沙性土河灘的一般沖刷二、根據(jù)沖止流速建立的公式2024/12/24377.3橋下河床斷面的一般沖刷二、根據(jù)沖止流速建立的公式粘性土河床的橋下斷面的一般沖刷河槽部分沖止流速一般沖刷深度2024/12/24387.3橋下河床斷面的一般沖刷二、根據(jù)沖止流速建立的公式粘性土河床的橋下斷面的一般沖刷河灘部分一般沖刷深度沖止流速2024/12/24397.3橋下河床斷面的一般沖刷三、包爾達(dá)柯夫公式根據(jù)別列柳伯斯基假定：認(rèn)為橋下流速達(dá)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。1、河槽土質(zhì)均勻時：

2、河槽土質(zhì)不均勻時：2024/12/24407.4橋墩局部沖刷一、橋墩局部沖刷機(jī)理

■橋墩周圍水流

流向橋墩的水流受到橋墩阻擋，橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化，水流的繞流使流線嚴(yán)重彎曲，床面附近形成螺旋形水流，劇烈淘刷橋墩周圍，特別是迎水面的河床泥沙，形成沖刷坑的現(xiàn)象，稱為局部沖刷。引起局部沖刷的水流結(jié)構(gòu)如圖所示。橋前水面涌波橋墩迎水面的下降水流漩渦體系負(fù)壓吸起床沙2024/12/24417.4橋墩局部沖刷2024/12/24427.4橋墩局部沖刷2024/12/24437.4橋墩局部沖刷一、橋墩局部沖刷機(jī)理根據(jù)模型試驗和觀測資料可知，橋墩局部沖刷深度與涌向橋墩的流速V有關(guān)。當(dāng)流速V逐漸增大到一定數(shù)值時，橋墩迎水面兩側(cè)的泥沙開始被沖走，產(chǎn)生沖刷，這時涌向橋墩的垂線平均流速稱為墩前床沙的起沖流速V0′。當(dāng)V繼續(xù)增大時，沖刷坑逐漸加深和擴(kuò)大，沖刷坑深度hb與涌向橋墩的流速V近似呈直線關(guān)系。流速V增大到河床泥沙的起動流速V0時，床面泥沙大量起動，上游來的泥沙有些將滯留在沖刷坑內(nèi)，因此，當(dāng)V>V0時，沖刷坑的發(fā)展因有大量泥沙補給而減緩，沖刷坑的深度hb與流速呈曲線關(guān)系（圖7-4-4、5）?！鰳蚨罩車?024/12/24447.4橋墩局部沖刷一、橋墩局部沖刷機(jī)理與此同時，沖刷坑內(nèi)發(fā)生了土壤粗化現(xiàn)象，留下粗粒泥沙，覆蓋在沖刷坑表面上，增大了抗沖能力和粗糙度，一直到水流對河床泥沙的沖刷作用與河床泥沙抗沖作用達(dá)到平衡時，沖刷就停止了。這時沖刷坑外緣與坑底的最大高差，就是這一次水流最大局部沖刷深度。■橋墩周圍水流2024/12/24457.4橋墩局部沖刷一、橋墩局部沖刷機(jī)理起沖流速v0′：橋墩迎水面兩側(cè)的泥沙開始被沖走，產(chǎn)生沖刷時涌向橋墩的垂線平均流速。起動流速v0:床沙起動時的流速。行近流速：橋墩上游不遠(yuǎn)處，未受繞流影響的墩前天然流速（一般沖刷停止后的流速）。最大局部沖刷深度：局部沖刷停止時沖刷坑外緣與坑底的最大高差?！鰩讉€概念2024/12/24467.4橋墩局部沖刷一、橋墩局部沖刷機(jī)理影響局部沖刷的主要因素有流速、墩形、墩寬、水深和床沙粒徑等。局部沖刷深度hb通常是以一般沖刷hp完成后的標(biāo)高起算，所表示的是橋墩垂線上的沖刷坑深度?，F(xiàn)行規(guī)范對橋墩局部沖刷計算有兩類計算公式：一類是用于非粘土河床的65-2公式和65-1修正式；另一類是粘性土河床的橋墩局部沖刷公式。2024/12/24477.4橋墩局部沖刷二、65-2公式和65-2修正式

1.65-2公式65-2公式2024/12/24487.4橋墩局部沖刷二、65-2公式和65-2修正式2024/12/24497.4橋墩局部沖刷二、65-2公式和65-2修正式

2.65-2修正公式2024/12/24507.4橋墩局部沖刷二、65-2公式和65-2修正式

2.65-2修正公式其中65-2修正公式為《公路橋位勘測設(shè)計規(guī)范》（JTJ062-91)的首選公式2024/12/24517.4橋墩局部沖刷二、65-2公式和65-2修正式

3.橋墩局部沖刷深度的預(yù)測計算公式王亞玲、高東光（實測資料的多元回歸分析）：65-2修正公式2024/12/24527.4橋墩局部沖刷三、粘性土河床橋墩局部沖刷公式2024/12/24537.4橋墩局部沖刷四、行近水深和行近流速假定局部沖刷是在一般沖刷完成后進(jìn)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。計算橋墩局部沖刷時，應(yīng)根據(jù)所采用的一般沖刷公式選用其對應(yīng)的行近流速公式。1．按輸沙平衡原理公式計算一般沖刷時，可近似取2．按沖止流速公式計算一般沖刷時，取該公式對應(yīng)的沖止流速公式計算，例如對于沙性土河槽2024/12/24547.5橋臺沖刷一、橋臺繞流的水流結(jié)構(gòu)主流區(qū)（A）下游回流區(qū)（B）上游滯留區(qū)（C）橋臺上緣與壁面邊界層分離：豎軸漩渦體系負(fù)壓吸起床沙2024/12/24557.5橋臺沖刷一、橋臺繞流的水流結(jié)構(gòu)流速分布：2024/12/24567.5橋臺沖刷二、橋臺沖刷計算1.沙性土河床(長安大學(xué)公路學(xué)院）橋臺沖刷平衡試驗：數(shù)值分析：2024/12/24577.5橋臺沖刷二、橋臺沖刷計算1.沙性土河床長安大學(xué)公路學(xué)院挑角系數(shù)形狀系數(shù)2024/12/24587.5橋臺沖刷二、橋臺沖刷計算2．粘性土河床2024/12/24597.6最低沖刷線高程和計算實例全部沖刷完成后的最大水深稱為總沖刷深度：是河床自然演變、一般沖刷和局部沖刷等各種沖刷深度的總和。2024/12/24607.6最低沖刷線高程和計算實例一、最低沖刷線高程橋梁設(shè)計時，計算的橋墩、橋臺全部沖刷完成后的床面位置，用最低沖刷線高程來表示。橋墩的最低沖刷線高程Hmin（m）為:橋臺的最低沖刷線高程Hmin（m）為2024/12/24617.6最低沖刷線高程和計算實例二、墩臺基底最小埋置深度對非巖性河床天然基礎(chǔ)墩臺基底埋深安全值，可參照表7-6-1確定。巖石河床墩臺：表7-6-2橋臺基底埋深河槽河灘4.橋臺錐體護(hù)坡基腳埋深穩(wěn)定河段次穩(wěn)定河段2024/12/24627.6最低沖刷線高程和計算實例三、計算實例（見教材）2024/12/24637.6最低沖刷線高程和計算實例2024/12/2464河床演變和河相關(guān)系

2泥沙運動

31橋下河床斷面的一般沖刷

33橋墩局部沖刷

4橋臺沖刷

35最低沖刷線高程和計算實例6