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1、第十三章第十三章 桥梁墩台冲刷计算桥梁墩台冲刷计算 Bridge and Culvert HydrologyBridge and Culvert Hydrology 第十三章第十三章 桥梁墩台冲刷计算桥梁墩台冲刷计算 13.1 墩台冲刷类型墩台冲刷类型 13.2 桥下断面一般冲刷深度桥下断面一般冲刷深度 13.3 墩台局部冲刷深度墩台局部冲刷深度 13.4 桥下河槽最低冲刷线桥下河槽最低冲刷线 为了保证桥梁的安全和顺利宣泄洪水，桥梁不但要为了保证桥梁的安全和顺利宣泄洪水，桥梁不但要 有足够的桥孔长度和桥梁高度，而且，墩台基础还要有有足够的桥孔长度和桥梁高度，而且，墩台基础还要有 足够的埋置深度
2、，以免遭受洪水冲刷破坏。因此，设计足够的埋置深度，以免遭受洪水冲刷破坏。因此，设计 桥梁时，还必须合理的预计桥梁使用期内河床的演变和桥梁时，还必须合理的预计桥梁使用期内河床的演变和 墩台的冲刷，为确定墩台基础的埋置深度提供依据。墩台的冲刷，为确定墩台基础的埋置深度提供依据。 第一节第一节 墩台冲刷类型墩台冲刷类型 天然河床由泥、土、沙、石等组成，统称为天然河床由泥、土、沙、石等组成，统称为河流泥沙河流泥沙 （river sediment）。）。 河道中的水流和泥沙总是在不停的运动着，床面上的泥河道中的水流和泥沙总是在不停的运动着，床面上的泥 沙被水流冲起带走，使床面下切，形成河床的沙被水流冲起
3、带走，使床面下切，形成河床的冲刷冲刷；水流所；水流所 挟带的泥沙沉积下来，使床面淤高，形成河床挟带的泥沙沉积下来，使床面淤高，形成河床淤积淤积。在水流。在水流 和泥沙的相互作用下，河床总是在不停地冲淤变化，构成了和泥沙的相互作用下，河床总是在不停地冲淤变化，构成了 河床的河床的自然演变自然演变。 第一节第一节 墩台冲刷类型墩台冲刷类型 建桥后，除了河床的自然演变外，还有桥梁墩台对水流建桥后，除了河床的自然演变外，还有桥梁墩台对水流 和泥沙运动的干扰而引起河床的冲刷，它们交织在一起，同和泥沙运动的干扰而引起河床的冲刷，它们交织在一起，同 时进行，所以桥下冲刷过程十分复杂。时进行，所以桥下冲刷过程
4、十分复杂。 桥梁墩台周围河桥梁墩台周围河 床的床的最大冲刷深度最大冲刷深度， 是设计桥梁墩台基础是设计桥梁墩台基础 埋置深度的依据。埋置深度的依据。 第一节第一节 墩台冲刷类型墩台冲刷类型 辽宁浑河上游苏子河段的连接抚顺和清源之间的东南杂木大 桥发生坍塌 桥梁事故 最大冲刷深度是各种因素综合作用的结果，十分复最大冲刷深度是各种因素综合作用的结果，十分复 杂。为了便于研究和计算，桥涵水文中把这一复杂的冲杂。为了便于研究和计算，桥涵水文中把这一复杂的冲 刷过程简化为独立的三部分刷过程简化为独立的三部分自然冲刷、一般冲刷、自然冲刷、一般冲刷、 局部冲刷，局部冲刷，并假定它们相继发生，可以分别计算，然
5、后并假定它们相继发生，可以分别计算，然后 叠加，作为墩台的最大冲刷深度叠加，作为墩台的最大冲刷深度，并据以确定墩台基础，并据以确定墩台基础 的埋置深度。的埋置深度。 自然冲刷、一般冲刷、局部冲刷形成的原因各不相同。自然冲刷、一般冲刷、局部冲刷形成的原因各不相同。 bPs hhhh 第一节第一节 墩台冲刷类型墩台冲刷类型 自然冲刷地确定方法：自然冲刷地确定方法： 由于影响河床演变的因素非常多，而且错综复杂，难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
6、的特点和整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，估计建桥以后可能发生的河床演变，作为设计桥治规划，估计建桥以后可能发生的河床演变，作为设计桥 梁墩台的自然冲刷深度。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 “计算断面计算断面”的方法来确定自然冲刷深度。的方法来确定自然冲刷深度。 第一节第一节 墩台冲刷类型墩台冲刷类型 h max h 计算断面选择： 平原顺直型河段：平原顺直型河段：桥位上游附近最大水深断面桥位上游附近最大水深断面 :. :. :. :. :. :. :. :. :. :. 最大
7、水最大水 深断面深断面 第一节第一节 墩台冲刷类型墩台冲刷类型 h max h 平原弯曲型河段：平原弯曲型河段：桥位上游附近河湾半径最小的河桥位上游附近河湾半径最小的河 湾顶点断面湾顶点断面 第一节第一节 墩台冲刷类型墩台冲刷类型 游荡型和变迁型河段：游荡型和变迁型河段：在桥位断面上、下游桥位河在桥位断面上、下游桥位河 段内取若干河床断面重叠后的外包线。段内取若干河床断面重叠后的外包线。 桥位桥位 max h h 第一节第一节 墩台冲刷类型墩台冲刷类型 在河床演变不甚激烈的桥位河段，一般可用桥位断面作在河床演变不甚激烈的桥位河段，一般可用桥位断面作 为计算断面，同时，考虑桥位上游最大水深可能下
8、移，实为计算断面，同时，考虑桥位上游最大水深可能下移，实 际工作中常采用桥位上游附近实测或调查的最大水深作为际工作中常采用桥位上游附近实测或调查的最大水深作为 计算断面的最大水深。计算断面的最大水深。 山区河段山区河段 桥位断面桥位断面 第一节第一节 墩台冲刷类型墩台冲刷类型 桥梁墩台冲刷计算中如何桥梁墩台冲刷计算中如何 简化复杂的冲刷过程？简化复杂的冲刷过程？ 第一节第一节 墩台冲刷类型墩台冲刷类型 建桥以后，桥孔压缩水流，桥下流速增大，引起整个桥建桥以后，桥孔压缩水流，桥下流速增大，引起整个桥 下断面河床的冲刷，称为下断面河床的冲刷，称为一般冲刷一般冲刷。 第一节第一节 墩台冲刷类型墩台冲
9、刷类型 建桥以后，桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流挟沙能力建桥以后，桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流挟沙能力 随之增大，引起整个桥下断面河床的冲刷，随之增大，引起整个桥下断面河床的冲刷， 称为称为一般冲刷一般冲刷。 随着一般冲刷的发展，随着一般冲刷的发展， 河床不断刷深，桥下断面逐河床不断刷深，桥下断面逐 渐扩大，过水断面面积不断渐扩大，过水断面面积不断 增大。增大。 随着桥下断面的扩大，流速相应降低，水流挟沙能力随着桥下断面的扩大，流速相应降低，水流挟沙能力 也随之降低。当流速降低到不能继续冲刷河床时，冲刷即也随之降低。当流速降低到不能继续冲刷河床时，冲刷即 趋于停止了。此时，桥下过水断面最
10、大，一般冲刷的深度趋于停止了。此时，桥下过水断面最大，一般冲刷的深度 也达到最大。也达到最大。 ZS 第一节第一节 墩台冲刷类型墩台冲刷类型 垂线垂线 hP 通常用一般冲刷停通常用一般冲刷停 止时桥下的垂线水深表止时桥下的垂线水深表 示该垂线处的一般冲刷示该垂线处的一般冲刷 深度，以深度，以hP表示。桥下表示。桥下 一般冲刷停止时的垂线一般冲刷停止时的垂线 平均流速，平均流速， 称为称为冲止流速冲止流速，以，以Vs表示，表示，m/s。 Vs 表示方法：表示方法： ZS 第一节第一节 墩台冲刷类型墩台冲刷类型 关于桥下断面一般冲刷深度计算关于桥下断面一般冲刷深度计算，目前尚无成熟理论目前尚无成熟
11、理论 ，主要按经验公式计算主要按经验公式计算。常用的经验公式有常用的经验公式有6464- -1 1公式公式 与与6464- -2 2公式公式，以及包尔达可夫公式以及包尔达可夫公式。其中其中6464- -1 1公式和公式和 6464- -2 2公式为公式为19641964年全国桥渡冲刷计算学术会议推荐试年全国桥渡冲刷计算学术会议推荐试 用用，19911991年年公路桥位勘测设计规范公路桥位勘测设计规范(JTJ(JTJ062062- -9191) )正正 式作为推荐公式式作为推荐公式。 第二节第二节 桥下断面一般冲刷深度桥下断面一般冲刷深度 一、一、6464- -1 1修正式（按冲止流速建立的公式
12、）修正式（按冲止流速建立的公式） 垂线 hP 建立的概念：建立的概念： 任一垂线，在一般冲刷的任一垂线，在一般冲刷的 过程中，当断面扩大使垂线的过程中，当断面扩大使垂线的 平均流速降到该垂线的冲止流平均流速降到该垂线的冲止流 速时，冲刷就停止了，一般冲速时，冲刷就停止了，一般冲 刷深度达到最大，并且桥下所刷深度达到最大，并且桥下所 有垂线的冲刷都停止时，整个有垂线的冲刷都停止时，整个 桥下断面的一般冲刷就停止了。桥下断面的一般冲刷就停止了。 Vs 第二节第二节 桥下断面一般冲刷深度桥下断面一般冲刷深度 第二节第二节 桥下断面一般冲刷深度桥下断面一般冲刷深度 h h dEL Q h j cp p
13、 max 5 3 6 1 (13-5) 1 1. .非粘性土河槽非粘性土河槽 Qcp桥下河槽部分的计算流量桥下河槽部分的计算流量 单宽流量集中系数单宽流量集中系数 H平滩水位时的断面平均水深平滩水位时的断面平均水深 E-为与汛期含沙量有关的系数为与汛期含沙量有关的系数,见下表。见下表。 含沙量含沙量(kg/m3) 10 E 0.46 0.66 0.86 15.0 H B 2 2. .非粘性土河滩非粘性土河滩 第二节第二节 桥下断面一般冲刷深度桥下断面一般冲刷深度 式中：式中：htp桥下河滩部分一般冲刷最大水深桥下河滩部分一般冲刷最大水深(m)； Qtp桥下河滩部分的设计流量桥下河滩部分的设计流
14、量(m3/s)， htmax 桥下河滩最大水深桥下河滩最大水深(m)； 桥下河滩平均水深桥下河滩平均水深(m)； Bt桥下河滩部分桥孔过水净宽桥下河滩部分桥孔过水净宽(m)； vH1河滩水深河滩水深1m时，非粘性土的容许不冲刷流速时，非粘性土的容许不冲刷流速(m/s)， 见表见表13-1 6 5 1 3 5 max t H t t tj tp p v h h L Q h (13-8) th 第二节第二节 桥下断面一般冲刷深度桥下断面一般冲刷深度 定义：平均粒径定义：平均粒径d d均 均 0 0. .0505mmmm的泥沙的泥沙，称为粘性土称为粘性土。 3 3、粘性土河床粘性土河床 7 6 3 5 t max 8 5 3 5 c ax j 1 33.0 1 33.0 L L t tp tp tp L m cp p I h h L Q h I h hQ h 河滩部分： 河槽部分： (13-13) (13-14) IL液性指数液性指数 第二节第二节 桥下断面一般冲刷深度桥下断面一般冲刷深度 按谢才公式（按谢才公式（4 4- -3838），有：），有： p tc t tp p tc c cp Q QQ Q Q Q QQ Q Q 河滩桥孔： 河槽桥孔： ihCAQ ihCAQ tttt cCcc 4 4、6464- -1 1公式应用说明：公式应用说明： 计
