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1、桥涵水文桥涵水文 Hydrology of Bridge and Culvert 第六章 桥梁墩台冲刷计算及基础埋深第六章 桥梁墩台冲刷计算及基础埋深 （桥涵水力计算） 第一节第一节桥下一般冲刷计算桥下一般冲刷计算第一节第一节桥下一般冲刷计算桥下一般冲刷计算 第二节第二节桥墩局部冲刷计算桥墩局部冲刷计算第二节第二节桥墩局部冲刷计算桥墩局部冲刷计算 第三节第三节桥台冲刷计算桥台冲刷计算第三节第三节桥台冲刷计算桥台冲刷计算 第四节第四节基础埋深计算基础埋深计算第四节第四节基础埋深计算基础埋深计算 第一节桥下一般冲刷计算第一节桥下一般冲刷计算 为了使设计洪水在桥下安全通过，不但要有足够的为了使设计洪
2、水在桥下安全通过，不但要有足够的 桥孔长度和桥梁高度桥孔长度和桥梁高度，而且桥梁墩台基础还必须有足够 的 ，而且桥梁墩台基础还必须有足够 的埋置深度埋置深度。 桥下冲刷直接影响着桥墩台的基础埋置深度桥下冲刷直接影响着桥墩台的基础埋置深度，要保要保桥下冲刷直接影响着桥墩台的基础埋置深度桥下冲刷直接影响着桥墩台的基础埋置深度，要保要保 证桥梁安全，就必须将墩台基础放置在可靠的地基上。证桥梁安全，就必须将墩台基础放置在可靠的地基上。 进行冲刷计算的目的是要找最大冲刷深度，决定不被冲 走的地基面的标高。 进行冲刷计算的目的是要找最大冲刷深度，决定不被冲 走的地基面的标高。 第一节桥下一般冲刷计算第一节
3、桥下一般冲刷计算 一、桥下冲刷的组成一、桥下冲刷的组成 1 1. .自然演变冲刷自然演变冲刷1 1. .自然演变冲刷自然演变冲刷 ?定义：河床在水力作用及泥沙运动等因素的影响下，自然 发育过程造成的冲刷现象，称为河床自然冲刷。 定义：河床在水力作用及泥沙运动等因素的影响下，自然 发育过程造成的冲刷现象，称为河床自然冲刷。 ?常见自然演变冲刷现象： 河床逐年下切、淤积、边滩下移、河湾发展变形及截弯 常见自然演变冲刷现象： 河床逐年下切、淤积、边滩下移、河湾发展变形及截弯 取直、河段深泓线摆动及一个水文周期内，河床随水位、流 量变化而发生的周期性变形，以及人类活动(如河道整治、 取直、河段深泓线摆
4、动及一个水文周期内，河床随水位、流 量变化而发生的周期性变形，以及人类活动(如河道整治、 兴修水利等兴修水利等）都会引起河床的显著变形都会引起河床的显著变形，桥位设计时都应予桥位设计时都应予兴修水利等兴修水利等）都会引起河床的显著变形都会引起河床的显著变形，桥位设计时都应予桥位设计时都应予 考虑。考虑。 ?计算方法计算方法：?计算方法计算方法： 关于河床自然演变冲刷深度，目前尚无成熟的计算方法，关于河床自然演变冲刷深度，目前尚无成熟的计算方法， 一般多通过调查或利用桥位上一般多通过调查或利用桥位上、下游水文站历年实测断面资下游水文站历年实测断面资一般多通过调查或利用桥位上一般多通过调查或利用桥
5、位上、下游水文站历年实测断面资下游水文站历年实测断面资 料统计分析确定。料统计分析确定。 第一节桥下一般冲刷计算第一节桥下一般冲刷计算 对于各种河床的自然演变冲刷，在河流动力学和河道整 治的有关书籍中，有一些计算方法可供参考。但由于影响河 对于各种河床的自然演变冲刷，在河流动力学和河道整 治的有关书籍中，有一些计算方法可供参考。但由于影响河 床演变的因素很多，又极其错综复杂，难以得到可靠的计算 结果。目前在实际的工作中，主要是通过实地调查或参考类 床演变的因素很多，又极其错综复杂，难以得到可靠的计算 结果。目前在实际的工作中，主要是通过实地调查或参考类 似河流的观测资料似河流的观测资料，结合河
6、段的特点和整治规划结合河段的特点和整治规划，估计建桥估计建桥似河流的观测资料似河流的观测资料，结合河段的特点和整治规划结合河段的特点和整治规划，估计建桥估计建桥 后可能发生的河床变形，作为桥梁墩台的自然（演变）冲刷，后可能发生的河床变形，作为桥梁墩台的自然（演变）冲刷， 进行设计进行设计。具体做法具体做法，可以参阅可以参阅公路工程桥涵水文勘测设公路工程桥涵水文勘测设进行设计进行设计。具体做法具体做法，可以参阅可以参阅公路工程桥涵水文勘测设公路工程桥涵水文勘测设 计规范。计规范。 2.2.一般冲刷一般冲刷 第一节桥下一般冲刷计算第一节桥下一般冲刷计算 2.2.一般冲刷一般冲刷 建桥后，由于桥孔压
7、缩河床，桥下过水面积减小，从而建桥后，由于桥孔压缩河床，桥下过水面积减小，从而 引起桥下流速的增大引起桥下流速的增大，水流携沙能力也随之增大水流携沙能力也随之增大，造成造成整个整个引起桥下流速的增大引起桥下流速的增大，水流携沙能力也随之增大水流携沙能力也随之增大，造成造成整个整个 桥下断面桥下断面的河床冲刷。这一冲刷过程，称为桥下断面的一般的河床冲刷。这一冲刷过程，称为桥下断面的一般 冲刷冲刷。冲刷冲刷。 3.局部冲刷3.局部冲刷 水流因受墩台阻挡，在水流因受墩台阻挡，在墩台附近发生墩台附近发生的冲刷现象叫局部 冲刷。在桥墩的前缘与两侧形成冲刷坑。 的冲刷现象叫局部 冲刷。在桥墩的前缘与两侧形
8、成冲刷坑。 三种冲刷交织在一起三种冲刷交织在一起，同时进行同时进行。计算时假定计算时假定三种冲刷交织在一起三种冲刷交织在一起，同时进行同时进行。计算时假定计算时假定 它们独立地相继进行，可分别计算，最后叠加。它们独立地相继进行，可分别计算，最后叠加。 二二、一般冲刷计算一般冲刷计算 第一节桥下一般冲刷计算第一节桥下一般冲刷计算 二二、一般冲刷计算一般冲刷计算 关于桥下断面一般冲刷深度计算，目前尚无成熟理论，关于桥下断面一般冲刷深度计算，目前尚无成熟理论， 主要按经验公式计算。常用的经验公式有64-1公式与64-2公 式，以及包尔达可夫公式。其中64-1公式和64-2公式为1964 主要按经验公
9、式计算。常用的经验公式有64-1公式与64-2公 式，以及包尔达可夫公式。其中64-1公式和64-2公式为1964 年全国桥渡冲刷计算学术会议推荐试用，1991年公路桥位年全国桥渡冲刷计算学术会议推荐试用，1991年公路桥位 勘测设计规范勘测设计规范(JTJ(JTJ062062- -9191) )正式作为推荐公式正式作为推荐公式。勘测设计规范勘测设计规范(JTJ(JTJ062062- -9191) )正式作为推荐公式正式作为推荐公式。 一般冲刷深度一般冲刷深度：桥下河床在一般冲刷完成后从设计水位算起桥下河床在一般冲刷完成后从设计水位算起一般冲刷深度一般冲刷深度：桥下河床在一般冲刷完成后从设计水
10、位算起桥下河床在一般冲刷完成后从设计水位算起 的某一垂线水深。的某一垂线水深。 （一一）、）、6464- -1 1修正式修正式 第一节桥下一般冲刷计算第一节桥下一般冲刷计算 （一一）、）、6464- -1 1修正式修正式 ?原理：根据冲止流速建立的冲刷公式原理：根据冲止流速建立的冲刷公式 桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速称为冲止流速。桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速称为冲止流速。 冲止流速理论认为冲止流速理论认为：桥下断面内的任意垂线的流速桥下断面内的任意垂线的流速冲止流速理论认为冲止流速理论认为：桥下断面内的任意垂线的流速桥下断面内的任意垂线的流速 都会由于桥梁墩台对河床的挤束作用而提高，此
11、时，桥都会由于桥梁墩台对河床的挤束作用而提高，此时，桥 下河床断面将发生一般冲刷下河床断面将发生一般冲刷。随着一般冲刷的发展随着一般冲刷的发展，桥桥下河床断面将发生一般冲刷下河床断面将发生一般冲刷。随着一般冲刷的发展随着一般冲刷的发展，桥桥 下过水断面不断扩大，过水垂线深度不断加大，使垂线下过水断面不断扩大，过水垂线深度不断加大，使垂线 平均流速不断下降。当垂线平均流速降低至该垂线的冲平均流速不断下降。当垂线平均流速降低至该垂线的冲 止流速时止流速时，该垂线处冲刷停止该垂线处冲刷停止，一般冲刷达到最大一般冲刷达到最大；当当止流速时止流速时，该垂线处冲刷停止该垂线处冲刷停止，一般冲刷达到最大一般
12、冲刷达到最大；当当 桥下所有垂线的流速都降低至冲止流速时，桥下断面的桥下所有垂线的流速都降低至冲止流速时，桥下断面的 一般冲刷即完全停止一般冲刷即完全停止。一般冲刷即完全停止一般冲刷即完全停止。 ?6464- -1 1公式公式 第一节桥下一般冲刷计算第一节桥下一般冲刷计算 ?6464- -1 1公式公式 根据水力学的连续性原理，一般冲刷停止时，桥下最大垂根据水力学的连续性原理，一般冲刷停止时，桥下最大垂 线水深h线水深hp p与桥下断面最大单宽流量之间的关系为：与桥下断面最大单宽流量之间的关系为： s q h = 一一般冲刷后的最大水深般冲刷后的最大水深： p z h v = 般冲刷后的最大水
13、深般冲刷后的最大水深： 桥下断面的最大单宽流量出现在桥下断面的最大水深处，桥下断面的最大单宽流量出现在桥下断面的最大水深处， 可根据桥下断面的平均单宽流量推求。桥下断面的平均单宽 流量对应着桥下断面的平均水深。由谢才-满宁公式可知，单 可根据桥下断面的平均单宽流量推求。桥下断面的平均单宽 流量对应着桥下断面的平均水深。由谢才-满宁公式可知，单 宽流量与相应垂线水深的5/3次方成正比，所以：宽流量与相应垂线水深的5/3次方成正比，所以： 桥下平均单宽流量桥下平均单宽流量： s Q q =桥下平均单宽流量桥下平均单宽流量： 桥下最大单宽流量桥下最大单宽流量： q L 55 maxmax 33 ()
14、() s hQh qq= 桥下最大单宽流量桥下最大单宽流量：max ()()qq hLh 第一节桥下一般冲刷计算第一节桥下一般冲刷计算 桥下河床的冲止流速，根据河流泥沙运动的特点，应该 按三种不同情况分别计算： 桥下河床的冲止流速，根据河流泥沙运动的特点，应该 按三种不同情况分别计算： 1、沙质河槽的一般冲刷计算：1、沙质河槽的一般冲刷计算： 在沙质河槽中有推移质运动在沙质河槽中有推移质运动，冲刷过程中又有上游来冲刷过程中又有上游来在沙质河槽中有推移质运动在沙质河槽中有推移质运动，冲刷过程中又有上游来冲刷过程中又有上游来 沙补偿，随着一般冲刷的发展，桥下各垂线处的单宽流量沙补偿，随着一般冲刷的
15、发展，桥下各垂线处的单宽流量 有向深槽集中趋势有向深槽集中趋势，且河槽越宽浅且河槽越宽浅，越不稳定越不稳定，单宽流量单宽流量有向深槽集中趋势有向深槽集中趋势，且河槽越宽浅且河槽越宽浅，越不稳定越不稳定，单宽流量单宽流量 的集中趋势则越强。采用单宽流量集中系数A的集中趋势则越强。采用单宽流量集中系数Ad d表示其集中表示其集中 程度程度，由观测资料分析得知由观测资料分析得知，与河流的宽深比有关与河流的宽深比有关，即即程度程度，由观测资料分析得知由观测资料分析得知，与河流的宽深比有关与河流的宽深比有关，即即 0.15 z d B A H = ?式中，一般A式中，一般Ad d取1.21.4取1.21
16、.4 d z H ?对于游荡性河段，变迁性河段及宽滩性河段，当河槽宽阔 ，Bz值过大不易确定时，建议A 对于游荡性河段，变迁性河段及宽滩性河段，当河槽宽阔 ，Bz值过大不易确定时，建议Ad d值不超过1.8值不超过1.8 则则，桥下冲刷前最大单宽流量与平均单宽流量的关系为桥下冲刷前最大单宽流量与平均单宽流量的关系为： 第一节桥下一般冲刷计算第一节桥下一般冲刷计算 则则，桥下冲刷前最大单宽流量与平均单宽流量的关系为桥下冲刷前最大单宽流量与平均单宽流量的关系为： 5 3 hQ 3 cm2 cm2dcm cjcq , hQ qqA q Bh = 一般冲刷结束后 计算一般冲刷深度公式中的冲止流速，对于沙质河槽而言， 可以按下述经验公式计算： 计算一般冲刷深度公式中的冲止流速，对于沙质河槽而言， 可以按下述经验公式计算
