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1、13 桥梁墩台冲刷计算 13.1 墩台冲刷类型墩台冲刷类型 大中桥水力计算的三大基本内容：大中桥水力计算的三大基本内容：大中桥水力计算的三大基本内容：大中桥水力计算的三大基本内容： 桥长、桥面最低桥长、桥面最低桥长、桥面最低桥长、桥面最低标高、墩台基础最小埋置深度标高、墩台基础最小埋置深度标高、墩台基础最小埋置深度标高、墩台基础最小埋置深度。一、一、一、一、河床自然演变冲刷河床自然演变冲刷河床自然演变冲刷河床自然演变冲刷： 河床在水力作用及泥沙运动等因素的影响下，河床在水力作用及泥沙运动等因素的影响下，河床在水力作用及泥沙运动等因素的影响下，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
2、造成的冲刷现象自然发育过程造成的冲刷现象自然发育过程造成的冲刷现象自然发育过程造成的冲刷现象二、二、二、二、桥下断面一般冲刷桥下断面一般冲刷桥下断面一般冲刷桥下断面一般冲刷： 桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流挟沙能力桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流挟沙能力桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流挟沙能力桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流挟沙能力也随之增大，引起断面河床冲刷的现象也随之增大，引起断面河床冲刷的现象也随之增大，引起断面河床冲刷的现象也随之增大，引起断面河床冲刷的现象三、三、三、三、墩台局部冲刷墩台局部冲刷墩台局部冲刷墩台局部冲刷： 水流受墩台阻挡，在墩台附近发生的冲刷现象水流受墩台阻挡，在墩
3、台附近发生的冲刷现象水流受墩台阻挡，在墩台附近发生的冲刷现象水流受墩台阻挡，在墩台附近发生的冲刷现象7/25/20247/25/2024床面开始冲刷时的流速，称为床沙起冲流速，床面开始冲刷时的流速，称为床沙起冲流速，以以v0表示表示床面泥沙起动时的流速，称为床沙起动流速，床面泥沙起动时的流速，称为床沙起动流速，以以v0表示表示冲刷停止时的垂线平均流速，称为冲止流速，冲刷停止时的垂线平均流速，称为冲止流速，以以vz表示表示7/25/20247/25/2024桥墩的局部冲刷桥墩的局部冲刷冲刷深度与行近流速关系7/25/20247/25/202413.2 桥下断面一般冲刷深度 一般冲刷深度一般冲刷深
4、度：通常用冲刷停止时桥下的垂线水深通常用冲刷停止时桥下的垂线水深通常用冲刷停止时桥下的垂线水深通常用冲刷停止时桥下的垂线水深来表示来表示来表示来表示 尚无成熟理论，主要按经验公式（尚无成熟理论，主要按经验公式（尚无成熟理论，主要按经验公式（尚无成熟理论，主要按经验公式（64-164-1；64-64-2 2；）或；）或；）或；）或包尔达包尔达包尔达包尔达可夫公式计算可夫公式计算可夫公式计算可夫公式计算 64-164-1公式、公式、公式、公式、64-264-2公式为公式为公式为公式为19641964年全国桥渡冲刷学年全国桥渡冲刷学年全国桥渡冲刷学年全国桥渡冲刷学术会议推荐试用，术会议推荐试用，术会
5、议推荐试用，术会议推荐试用，19911991年年年年公路桥位勘测设计规公路桥位勘测设计规公路桥位勘测设计规公路桥位勘测设计规范范范范正式作为推荐公式，正式作为推荐公式，正式作为推荐公式，正式作为推荐公式，公路工程水文勘测设计公路工程水文勘测设计公路工程水文勘测设计公路工程水文勘测设计规范规范规范规范（JTG C30-2002JTG C30-2002）采用简化式。）采用简化式。）采用简化式。）采用简化式。7/25/20247/25/2024一一、非粘性土河槽非粘性土河槽 基本假定基本假定：当河槽断面流速等于冲止流：当河槽断面流速等于冲止流速时，桥下一般冲刷随即停止，且一般冲速时，桥下一般冲刷随即
6、停止，且一般冲刷深度达到最大，由此有，刷深度达到最大，由此有，l非粘性土河槽非粘性土河槽l非粘性河滩非粘性河滩l粘性土河床粘性土河床64-1公式公式3个：个：7/25/20247/25/20247/25/20247/25/20242）64-1修正式修正式7/25/20247/25/20247/25/20247/25/20247/25/20247/25/2024二、非粘性土河滩二、非粘性土河滩7/25/20247/25/2024式中：式中：7/25/20247/25/20247/25/20247/25/2024一、河槽部分64-1：粘性土河床 （13-13）7/25/20247/25/2024式
7、中：式中：7/25/20247/25/2024二、河滩部分二、河滩部分 （13-14）7/25/20247/25/2024适用于适用于 非粘性土河槽非粘性土河槽64-2 公式（p139）：64-2 公式：基于输沙平衡理论7/25/20247/25/2024适用于适用于 非粘性土河槽非粘性土河槽规范：64-2 简化式64-2 公式：基于输沙平衡理论7/25/20247/25/20247/25/20247/25/20247/25/20247/25/20247/25/20247/25/202413.2.3 包尔达可夫公式 包尔达可夫按别列柳伯斯基假包尔达可夫按别列柳伯斯基假定建立的一般冲刷公式；只适
8、用于稳定定建立的一般冲刷公式；只适用于稳定性河段（没有考虑土质因素和单宽流量性河段（没有考虑土质因素和单宽流量集中情况）集中情况）7/25/20247/25/20241 1、均质河床：、均质河床：7/25/20247/25/20242 2、无导流堤时桥台偏斜冲刷深度、无导流堤时桥台偏斜冲刷深度7/25/20247/25/20243 3、岩土河床易冲土壤部分的冲刷深度、岩土河床易冲土壤部分的冲刷深度7/25/20247/25/202413.3 墩台局部冲刷深度 墩台局部冲刷深度墩台局部冲刷深度：墩台周围因水流冲刷：墩台周围因水流冲刷形成的冲刷坑最大深度。形成的冲刷坑最大深度。 墩台局部冲刷原因墩
9、台局部冲刷原因：流向桥墩的水流受到：流向桥墩的水流受到墩身的阻挡，桥墩周围的水流结构发生急墩身的阻挡，桥墩周围的水流结构发生急剧变化，水流的绕流使流线急剧弯曲，床剧变化，水流的绕流使流线急剧弯曲，床面附近形成旋涡，剧烈淘刷桥墩迎水端和面附近形成旋涡，剧烈淘刷桥墩迎水端和周围的泥沙，形成局部冲刷坑。周围的泥沙，形成局部冲刷坑。7/25/20247/25/2024桥墩局部冲刷的水流结构示意图桥墩局部冲刷的水流结构示意图7/25/20247/25/2024与桥墩局部冲刷深度有关的主要因素： 1、冲向桥墩的流速、冲向桥墩的流速2、桥墩的宽度、桥墩的宽度3、桥墩型式、桥墩型式4、水深、水深5、床沙粒径、
10、床沙粒径7/25/20247/25/2024桥墩的局部冲刷桥墩的局部冲刷n n流向桥墩的水流受到墩身的阻挡，桥墩周围的水流流向桥墩的水流受到墩身的阻挡，桥墩周围的水流结构发生急剧变化，水流的绕流使流线急剧弯曲，结构发生急剧变化，水流的绕流使流线急剧弯曲，床面附近形成漩涡，剧烈掏刷桥墩迎水端和周围的床面附近形成漩涡，剧烈掏刷桥墩迎水端和周围的泥沙，形成局部冲刷坑，随着冲刷坑的不断加深和泥沙，形成局部冲刷坑，随着冲刷坑的不断加深和扩大，坑底流速逐渐降低，水流挟沙能力随之喊弱，扩大，坑底流速逐渐降低，水流挟沙能力随之喊弱，上游进入冲刷坑的泥沙与水流冲走的泥沙趋向平衡，上游进入冲刷坑的泥沙与水流冲走的
11、泥沙趋向平衡，同时，冲刷坑底的泥沙逐渐粗化。坑底粗糙程度增同时，冲刷坑底的泥沙逐渐粗化。坑底粗糙程度增大，抗冲能力增强，使水流的冲刷作用与床沙的抗大，抗冲能力增强，使水流的冲刷作用与床沙的抗冲作用也趋向平衡，冲刷随之停止，局部冲刷坑达冲作用也趋向平衡，冲刷随之停止，局部冲刷坑达到最深。冲刷坑外缘与桥墩前端坑底的最大高差，到最深。冲刷坑外缘与桥墩前端坑底的最大高差，就是就是最大局部冲刷深度最大局部冲刷深度。7/25/20247/25/2024桥墩的局部冲刷桥墩的局部冲刷n n桥墩局部冲刷的机理桥墩局部冲刷的机理7/25/20247/25/2024第四节第四节 桥墩的局部冲刷桥墩的局部冲刷n n桥
12、墩局部冲刷的机理桥墩局部冲刷的机理7/25/20247/25/2024桥墩的局部冲刷桥墩的局部冲刷冲刷深度与行近流速关系冲刷深度与行近流速关系n n桥墩局部冲刷深度与冲向桥墩的水流速度桥墩局部冲刷深度与冲向桥墩的水流速度( (以垂线平以垂线平均流速表示均流速表示) )有关。当速度有关。当速度V V增大到一定程度时，桥增大到一定程度时，桥墩迎水面两侧的泥沙首先被水流冲走，床面开始冲墩迎水面两侧的泥沙首先被水流冲走，床面开始冲刷，此时冲向桥墩的水流行近流速（垂线平均流速）刷，此时冲向桥墩的水流行近流速（垂线平均流速）称为称为桥墩起冲流速桥墩起冲流速vv0 0。桥墩起冲流速。桥墩起冲流速vv0 0一
13、般为一般为床沙起动流速床沙起动流速v v0 0的的0.40.40.60.6倍。倍。n n流速小于流速小于v v0 0 的冲刷为的冲刷为清水冲刷清水冲刷，大于，大于v v0 0 的为的为动床动床冲刷冲刷。7/25/20247/25/2024桥墩的局部冲刷桥墩的局部冲刷冲刷深度与行近流速关系冲刷深度与行近流速关系n n根据模型试验和观测资料可知，根据模型试验和观测资料可知，桥墩局部冲刷深度桥墩局部冲刷深度与涌向桥墩的流速与涌向桥墩的流速V V有关有关。n n当当V V逐渐增大到一定数值时，桥墩迎水面两侧的泥沙逐渐增大到一定数值时，桥墩迎水面两侧的泥沙开始被冲走而产生冲刷，此时涌向桥墩的垂线平均开始
14、被冲走而产生冲刷，此时涌向桥墩的垂线平均流速称为墩旁床沙的流速称为墩旁床沙的起冲流速起冲流速vv0 0。n n当当v v大于大于V V0 0 （V V表示河床泥沙的起动流速表示河床泥沙的起动流速) )并继续并继续增大时，冲刷坑逐渐加深和扩大，局部冲刷深度与增大时，冲刷坑逐渐加深和扩大，局部冲刷深度与V V近似呈直线关系增大，近似呈直线关系增大，n n当当V V增大到增大到V V。时，床面泥沙大量起动，上游来的泥。时，床面泥沙大量起动，上游来的泥沙有些将潜留在冲刷坑内，因此当沙有些将潜留在冲刷坑内，因此当VVVV0 0并继续增大并继续增大时，冲刷坑深度的增长因有泥沙补给而减缓，局部时，冲刷坑深度
15、的增长因有泥沙补给而减缓，局部冲刷深度冲刷深度h hb b与与V V呈曲线关系呈曲线关系。7/25/20247/25/2024桥墩的局部冲刷桥墩的局部冲刷冲刷深度与行近流速关系7/25/20247/25/2024桥墩的局部冲刷桥墩的局部冲刷冲刷深度与行近流速关系7/25/20247/25/2024一般冲刷深度与局部冲刷深度的区别：一般冲刷深度与局部冲刷深度的区别：1、一般冲刷深度是从设计水位至一般冲刷线的最大深度2、局部冲刷深度是从一般冲刷线至冲刷坑底的最大深度7/25/20247/25/2024公路桥位勘测设计规范JTGC30-2002推荐的的65-1，65-2修正后的新公式修正后的新公式一
16、、非粘性土河床的局部冲刷深度一、非粘性土河床的局部冲刷深度一、非粘性土河床的局部冲刷深度一、非粘性土河床的局部冲刷深度 1 1、65-165-1修正式修正式修正式修正式7/25/20247/25/20247/25/20247/25/2024式中：式中：7/25/20247/25/2024墩型系数表墩型系数表7/25/20247/25/2024墩型系数表墩型系数表7/25/20247/25/20247/25/20247/25/20242、65-2公式公式7/25/20247/25/20247/25/20247/25/2024式中：式中：7/25/20247/25/2024粘性土河床桥墩局部冲刷可
17、按下式计算：粘性土河床桥墩局部冲刷可按下式计算：7/25/20247/25/2024四、行近水深和行近流速四、行近水深和行近流速取一般冲刷后最大水深作为行近水深和一般冲刷后取一般冲刷后最大水深作为行近水深和一般冲刷后垂线平均流速作为行近流速。垂线平均流速作为行近流速。1 1）按输沙平衡原理公式计算一般冲刷时：）按输沙平衡原理公式计算一般冲刷时：2 2）按冲止流速公式计算一般冲刷深度时，取该公）按冲止流速公式计算一般冲刷深度时，取该公式对应的冲止流速公式计算。式对应的冲止流速公式计算。7/25/20247/25/2024n n 一一 桥台绕流的水流结构桥台绕流的水流结构n n 桥台附件的水流由主
18、流区，下游回流区和上游滞流桥台附件的水流由主流区，下游回流区和上游滞流区三部分组成。区三部分组成。7/25/20247/25/2024n n 一一 桥台绕流的水流结构桥台绕流的水流结构7/25/20247/25/20247/25/20247/25/20247/25/20247/25/20247/25/20247/25/20247/25/20247/25/20247/25/20247/25/2024抛石防洪保黄河铁路桥加固冲刷严重桥墩n n2008.6.172008.6.172008.6.172008.6.17日，一列铁路专用防洪抛石车缓缓驶上京广黄河日，一列铁路专用防洪抛石车缓缓驶上京广黄河日
19、，一列铁路专用防洪抛石车缓缓驶上京广黄河日，一列铁路专用防洪抛石车缓缓驶上京广黄河铁路大桥，以每小时铁路大桥，以每小时铁路大桥，以每小时铁路大桥，以每小时5 5 5 5公里的速度，成功抛下公里的速度，成功抛下公里的速度，成功抛下公里的速度，成功抛下180180180180笼近笼近笼近笼近180180180180立立立立方米石块。郑州铁路局方米石块。郑州铁路局方米石块。郑州铁路局方米石块。郑州铁路局2008200820082008年京广线黄河铁路大桥抛石防洪年京广线黄河铁路大桥抛石防洪年京广线黄河铁路大桥抛石防洪年京广线黄河铁路大桥抛石防洪度汛施工，由此拉开序幕。度汛施工，由此拉开序幕。度汛施工
20、，由此拉开序幕。度汛施工，由此拉开序幕。n n始建于始建于始建于始建于1958195819581958年的京广铁路黄河大桥，位于黄河下游游荡年的京广铁路黄河大桥，位于黄河下游游荡年的京广铁路黄河大桥，位于黄河下游游荡年的京广铁路黄河大桥，位于黄河下游游荡性河段上，受当时建桥技术和地理条件限制，大桥桥墩基础性河段上，受当时建桥技术和地理条件限制，大桥桥墩基础性河段上，受当时建桥技术和地理条件限制，大桥桥墩基础性河段上，受当时建桥技术和地理条件限制，大桥桥墩基础较浅。较浅。较浅。较浅。n n由于大桥上游河水主槽摆动频繁，河床冲刷对大桥的安全造由于大桥上游河水主槽摆动频繁，河床冲刷对大桥的安全造由于
21、大桥上游河水主槽摆动频繁，河床冲刷对大桥的安全造由于大桥上游河水主槽摆动频繁，河床冲刷对大桥的安全造成影响。成影响。成影响。成影响。6 6 6 6月月月月19191919日小浪底水库即将开闸调水泄洪，最大流量日小浪底水库即将开闸调水泄洪，最大流量日小浪底水库即将开闸调水泄洪，最大流量日小浪底水库即将开闸调水泄洪，最大流量预计将达预计将达预计将达预计将达3900390039003900立方米秒，调水泄洪将改变黄河大桥桥址处立方米秒，调水泄洪将改变黄河大桥桥址处立方米秒，调水泄洪将改变黄河大桥桥址处立方米秒，调水泄洪将改变黄河大桥桥址处的水流环境和输沙运行规律。为应对黄河小浪底水库的调沙的水流环境
22、和输沙运行规律。为应对黄河小浪底水库的调沙的水流环境和输沙运行规律。为应对黄河小浪底水库的调沙的水流环境和输沙运行规律。为应对黄河小浪底水库的调沙泄洪，担负大桥养护维修任务的郑州铁路局闻汛而动，正式泄洪，担负大桥养护维修任务的郑州铁路局闻汛而动，正式泄洪，担负大桥养护维修任务的郑州铁路局闻汛而动，正式泄洪，担负大桥养护维修任务的郑州铁路局闻汛而动，正式启动黄河铁路大桥度汛抛石预案。启动黄河铁路大桥度汛抛石预案。启动黄河铁路大桥度汛抛石预案。启动黄河铁路大桥度汛抛石预案。7/25/20247/25/2024n n防护桥墩周围冲刷的方案和辅助措施。采用在桥墩中开缝或在墩周围设护圈作为控制冲刷深度的
23、措施。清水试验表明，仅用开缝的方法能减少冲刷深度20，而开缝结合使用护圈则可进一步减小冲刷深度。 7/25/20247/25/2024桥台冲刷桥台冲刷n n 一一 桥台绕流的水流结构桥台绕流的水流结构7/25/20247/25/2024桥台冲刷桥台冲刷n n 一一 桥台绕流的水流结构桥台绕流的水流结构n n桥台上下游的流速分布如下：桥台上下游的流速分布如下：7/25/20247/25/2024桥台冲刷桥台冲刷n n 一一 桥台绕流的水流结构桥台绕流的水流结构7/25/20247/25/2024桥台冲刷桥台冲刷 二二 桥台冲刷计算桥台冲刷计算n n1 1 沙性土河床：沙性土河床：7/25/202
24、47/25/2024桥台冲刷桥台冲刷二二 桥台冲刷计算桥台冲刷计算n n1 1 沙性土河床：沙性土河床：7/25/20247/25/2024桥台冲刷桥台冲刷n n 二二 桥台冲刷计算桥台冲刷计算n n1 1 沙性土河床：沙性土河床：7/25/20247/25/2024桥台冲刷桥台冲刷n n 二二 桥台冲刷计算桥台冲刷计算n n桥台挑角系数：桥台挑角系数：n n桥台形状系数：桥台形状系数：7/25/20247/25/2024桥台冲刷桥台冲刷n n 二二 桥台冲刷计算桥台冲刷计算n n1 1 沙性土河床：沙性土河床：n n引入挑角系数引入挑角系数C Ca a和桥台形状系数和桥台形状系数C CA A
25、，则，则7/25/20247/25/2024桥台冲刷桥台冲刷n n2 2 粘性土河床：粘性土河床：7/25/20247/25/2024 桥台最大冲刷深度，应结合桥位河床特征、压缩程度等情况，分析、计算比较后确定。7/25/20247/25/202413.4 桥下河槽最低冲刷线桥下河槽最低冲刷线 桥下河槽最低冲刷线： 7/25/20247/25/20247/25/20247/25/2024非岩性河床天然基础墩台埋深非岩性河床天然基础墩台埋深7/25/20247/25/2024最低冲刷线高程最低冲刷线高程n n桥墩的最低冲刷线高程桥墩的最低冲刷线高程H Hminmin（ m m）为：）为： n n
26、桥台的最低冲刷线高程桥台的最低冲刷线高程H Hminmin（ m m）为：）为：上式中上式中h h为桥台所在位置的平均水深。为桥台所在位置的平均水深。7/25/20247/25/2024墩台基底最小埋置深度墩台基底最小埋置深度 1 1 1 1、在确定桥梁墩台基础埋置深度时，应根据、在确定桥梁墩台基础埋置深度时，应根据、在确定桥梁墩台基础埋置深度时，应根据、在确定桥梁墩台基础埋置深度时，应根据桥位河段具体情况，取河床自然演变冲刷、一般桥位河段具体情况，取河床自然演变冲刷、一般桥位河段具体情况，取河床自然演变冲刷、一般桥位河段具体情况，取河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷的不利组合，作为确定墩台
27、基础冲刷和局部冲刷的不利组合，作为确定墩台基础冲刷和局部冲刷的不利组合，作为确定墩台基础冲刷和局部冲刷的不利组合，作为确定墩台基础埋深的依据。埋深的依据。埋深的依据。埋深的依据。 2 2 2 2、非岩石河床墩台基底埋深安全值，可按表、非岩石河床墩台基底埋深安全值，可按表、非岩石河床墩台基底埋深安全值，可按表、非岩石河床墩台基底埋深安全值，可按表7.6.27.6.27.6.27.6.2确定确定确定确定 3 3 3 3、岩石河床墩台基底最小埋置深度可按规范、岩石河床墩台基底最小埋置深度可按规范、岩石河床墩台基底最小埋置深度可按规范、岩石河床墩台基底最小埋置深度可按规范附录附录附录附录C C C C
28、确定。确定。确定。确定。7/25/20247/25/2024 4 4、位于河槽的桥台，当其最大冲刷深度小于、位于河槽的桥台，当其最大冲刷深度小于、位于河槽的桥台，当其最大冲刷深度小于、位于河槽的桥台，当其最大冲刷深度小于桥墩总冲刷深度时，桥墩总冲刷深度时，桥墩总冲刷深度时，桥墩总冲刷深度时，桥台基底的埋深桥台基底的埋深桥台基底的埋深桥台基底的埋深应与桥墩基应与桥墩基应与桥墩基应与桥墩基底高程相同；底高程相同；底高程相同；底高程相同； 当桥台位于河滩时，对河槽摆动的不稳定河当桥台位于河滩时，对河槽摆动的不稳定河当桥台位于河滩时，对河槽摆动的不稳定河当桥台位于河滩时，对河槽摆动的不稳定河流，桥台基
29、底高程应与桥墩相同；流，桥台基底高程应与桥墩相同；流，桥台基底高程应与桥墩相同；流，桥台基底高程应与桥墩相同； 在稳定河流上，桥台基底高程可按照桥台冲在稳定河流上，桥台基底高程可按照桥台冲在稳定河流上，桥台基底高程可按照桥台冲在稳定河流上，桥台基底高程可按照桥台冲刷计算结果确定刷计算结果确定刷计算结果确定刷计算结果确定 7/25/20247/25/2024 5 5、桥台锥体护坡基脚埋置深度桥台锥体护坡基脚埋置深度桥台锥体护坡基脚埋置深度桥台锥体护坡基脚埋置深度应考虑冲刷的应考虑冲刷的应考虑冲刷的应考虑冲刷的影响，当位于稳定、次稳定河段的河滩上，基脚影响，当位于稳定、次稳定河段的河滩上，基脚影响，当位于稳定、次稳定河段的河滩上，基脚影响，当位于稳定、次稳定河段的河滩上，基脚底面应在一般冲刷线以下至少底面应在一般冲刷线以下至少底面应在一般冲刷线以下至少底面应在一般冲刷线以下至少0.50m0.50m；当桥台位；当桥台位；当桥台位；当桥台位于不稳定河流的河滩上，基脚底面应在一般冲刷于不稳定河流的河滩上，基脚底面应在一般冲刷于不稳定河流的河滩上，基脚底面应在一般冲刷于不稳定河流的河滩上，基脚底面应在一般冲刷线以下至少线以下至少线以下至少线以下至少1m1m。7/25/20247/25/2024
