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1、建筑第十三章_桥梁墩台冲刷计算13 桥梁墩台冲刷计算 13.1 墩台冲刷墩台冲刷类型型 大中大中大中大中桥桥水力水力水力水力计计算的三大基本内容：算的三大基本内容：算的三大基本内容：算的三大基本内容： 桥长桥长、桥桥面最低面最低面最低面最低标标高、墩台基高、墩台基高、墩台基高、墩台基础础最小埋置深度最小埋置深度最小埋置深度最小埋置深度。一、河床自然演一、河床自然演一、河床自然演一、河床自然演变变冲刷：冲刷：冲刷：冲刷： 河床在水力作用及泥沙运河床在水力作用及泥沙运河床在水力作用及泥沙运河床在水力作用及泥沙运动动等因素的影响下，等因素的影响下，等因素的影响下，等因素的影响下，自然自然自然自然发发
2、育育育育过过程造成的冲刷程造成的冲刷程造成的冲刷程造成的冲刷现现象象象象二、二、二、二、桥桥下断面一般冲刷：下断面一般冲刷：下断面一般冲刷：下断面一般冲刷： 桥桥孔孔孔孔压缩压缩水流，水流，水流，水流，桥桥下流速增大，水流挟沙能力下流速增大，水流挟沙能力下流速增大，水流挟沙能力下流速增大，水流挟沙能力也随之增大，引起断面河床冲刷的也随之增大，引起断面河床冲刷的也随之增大，引起断面河床冲刷的也随之增大，引起断面河床冲刷的现现象象象象三、：三、：三、：三、： 水流受墩台阻水流受墩台阻水流受墩台阻水流受墩台阻挡挡，在墩台附近，在墩台附近，在墩台附近，在墩台附近发发生的冲刷生的冲刷生的冲刷生的冲刷现现
3、象象象象8/1/20248/1/2024床面开始冲刷床面开始冲刷时的流速，称的流速，称为床沙起冲流速，床沙起冲流速，以以v0表示表示床面泥沙起床面泥沙起动时的流速，称的流速，称为床沙起床沙起动流速，流速，以以v0表示表示冲刷停止冲刷停止时的垂的垂线平均流速，称平均流速，称为冲止流速，冲止流速，以以vz表示表示8/1/20248/1/2024桥墩的局部冲刷墩的局部冲刷冲刷深度与行近流速关系8/1/20248/1/202413.2 桥下断面一般冲刷深度 一般冲刷深度：一般冲刷深度：通常用冲刷停止通常用冲刷停止通常用冲刷停止通常用冲刷停止时桥时桥下的垂下的垂下的垂下的垂线线水深水深水深水深来表示来表
4、示来表示来表示 尚无成熟理尚无成熟理尚无成熟理尚无成熟理论论，主要按，主要按，主要按，主要按经验经验公式（公式（公式（公式（64-164-1；64-64-2 2；）或包；）或包；）或包；）或包尔尔达可夫公式达可夫公式达可夫公式达可夫公式计计算算算算 64-1 64-1公式、公式、公式、公式、64-264-2公式公式公式公式为为19641964年全国年全国年全国年全国桥桥渡冲刷学渡冲刷学渡冲刷学渡冲刷学术术会会会会议议推荐推荐推荐推荐试试用，用，用，用，19911991年公路年公路年公路年公路桥桥位勘位勘位勘位勘测设计规测设计规范正式作范正式作范正式作范正式作为为推荐公式，公路工程水文勘推荐公式
5、，公路工程水文勘推荐公式，公路工程水文勘推荐公式，公路工程水文勘测设计测设计规规范（范（范（范（JTG C30-2002JTG C30-2002）采用）采用）采用）采用简简化式。化式。化式。化式。8/1/20248/1/2024一、非粘性土河槽一、非粘性土河槽 基本假定：当河槽断面流速等于冲止流基本假定：当河槽断面流速等于冲止流速速时，桥下一般冲刷随即停止，且一般冲下一般冲刷随即停止，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：8/1/20248/1/20248/1/20248/1/202
6、42）64-1修正式修正式8/1/20248/1/20248/1/20248/1/20248/1/20248/1/2024二、非粘性土河二、非粘性土河滩8/1/20248/1/2024式中：式中：8/1/20248/1/20248/1/20248/1/2024一、河槽部分64-1：粘性土河床 （13-13）8/1/20248/1/2024式中：式中：8/1/20248/1/2024二、河二、河滩部分部分 （13-14）8/1/20248/1/2024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8/1/20248/1/2024适用于适用于 非
7、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8/1/20248/1/20248/1/20248/1/20248/1/20248/1/20248/1/20248/1/2024 包尔达可夫公式 包包尔达可夫按达可夫按别列柳伯斯基假列柳伯斯基假定建立的一般冲刷公式；只适用于定建立的一般冲刷公式；只适用于稳定定性河段（没有考性河段（没有考虑土土质因素和因素和单宽流量流量集中情况）集中情况）8/1/20248/1/20241 1、均、均质河床：河床：8/1/20248/1/20242 2、无、无导流堤流堤时桥台偏斜冲刷深度台偏斜冲刷深度8/1/20248/1/20243
8、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8/1/20248/1/202413.3 墩台局部冲刷深度 墩台局部冲刷深度：墩台周墩台局部冲刷深度：墩台周围因水流冲刷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：流向墩台局部冲刷原因：流向桥墩的水流受到墩的水流受到墩身的阻墩身的阻挡，桥墩周墩周围的水流的水流结构构发生急生急剧变化，水流的化，水流的绕流使流流使流线急急剧弯曲，床弯曲，床面附近形成旋面附近形成旋涡，剧烈淘刷烈淘刷桥墩迎水端和墩迎水端和周周围的泥沙，形成局部冲刷坑。的泥沙，形成局部冲刷坑。8/1/20248/1/2024桥墩局部冲刷的水
9、流墩局部冲刷的水流结构示意构示意图8/1/20248/1/2024与桥墩局部冲刷深度有关的主要因素： 1、冲向、冲向桥墩的流速墩的流速2、桥墩的墩的宽度度3、桥墩型式墩型式4、水深、水深5、床沙粒径、床沙粒径8/1/20248/1/2024桥墩的局部冲刷墩的局部冲刷n n流向流向桥桥墩的水流受到墩身的阻墩的水流受到墩身的阻挡挡，桥桥墩周墩周围围的水流的水流结结构构发发生急生急剧变剧变化，水流的化，水流的绕绕流使流流使流线线急急剧剧弯曲，弯曲，床面附近形成漩床面附近形成漩涡涡，剧剧烈掏刷烈掏刷桥桥墩迎水端和周墩迎水端和周围围的的泥沙，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
10、着冲刷坑的不断加深和扩扩大，坑底流速逐大，坑底流速逐渐渐降低，水流挟沙能力随之喊弱，降低，水流挟沙能力随之喊弱，上游上游进进入冲刷坑的泥沙与水流冲走的泥沙入冲刷坑的泥沙与水流冲走的泥沙趋趋向平衡，向平衡，同同时时，冲刷坑底的泥沙逐，冲刷坑底的泥沙逐渐渐粗化。坑底粗糙程度增粗化。坑底粗糙程度增大，抗冲能力增大，抗冲能力增强强，使水流的冲刷作用与床沙的抗，使水流的冲刷作用与床沙的抗冲作用也冲作用也趋趋向平衡，冲刷随之停止，局部冲刷坑达向平衡，冲刷随之停止，局部冲刷坑达到最深。冲刷坑外到最深。冲刷坑外缘缘与与桥桥墩前端坑底的最大高差，墩前端坑底的最大高差，就是最大局部冲刷深度。就是最大局部冲刷深度。
11、8/1/20248/1/2024桥墩的局部冲刷墩的局部冲刷n n桥桥墩局部冲刷的机理墩局部冲刷的机理8/1/20248/1/2024第四第四节 桥墩的局部冲刷墩的局部冲刷n n桥桥墩局部冲刷的机理墩局部冲刷的机理8/1/20248/1/2024桥墩的局部冲刷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桥桥墩局部冲刷深度与冲向墩局部冲刷深度与冲向桥桥墩的水流速度墩的水流速度( (以垂以垂线线平平均流速表示均流速表示) )有关。当速度有关。当速度V V增大到一定程度增大到一定程度时时，桥桥墩迎水面两墩迎水面两侧侧的泥沙首先被水流冲走，床面开始冲的泥沙首先被水流冲走，床面开始冲刷，
12、此刷，此时时冲向冲向桥桥墩的水流行近流速（垂墩的水流行近流速（垂线线平均流速）平均流速）称称为桥为桥墩起冲流速墩起冲流速vv0 0。桥桥墩起冲流速墩起冲流速vv0 0一般一般为为床沙起床沙起动动流速流速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 的冲刷的冲刷为为清水冲刷，大于清水冲刷，大于v v0 0 的的为动为动床床冲刷。冲刷。8/1/20248/1/2024桥墩的局部冲刷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根据模型根据模型试验试验和和观测资观测资料可知，料可知，桥桥墩局部冲刷深度墩局部冲刷深度与涌向与涌向桥桥墩的流速墩的流速
13、V V有关。有关。n n当当V V逐逐渐渐增大到一定数增大到一定数值时值时，桥桥墩迎水面两墩迎水面两侧侧的泥沙的泥沙开始被冲走而开始被冲走而产产生冲刷，此生冲刷，此时时涌向涌向桥桥墩的垂墩的垂线线平均平均流速称流速称为为墩旁床沙的起冲流速墩旁床沙的起冲流速vv0 0。n n当当v v大于大于VV0 0 （V V表示河床泥沙的起表示河床泥沙的起动动流速流速) )并并继续继续增大增大时时，冲刷坑逐，冲刷坑逐渐渐加深和加深和扩扩大，局部冲刷深度与大，局部冲刷深度与V V近似呈直近似呈直线线关系增大，关系增大，n n当当V V增大到增大到V V。时时，床面泥沙大量起，床面泥沙大量起动动，上游来的泥，上
14、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并并继续继续增大增大时时，冲刷坑深度的增，冲刷坑深度的增长长因有泥沙因有泥沙补给补给而减而减缓缓，局部，局部冲刷深度冲刷深度h hb b与与V V呈曲呈曲线线关系。关系。8/1/20248/1/2024桥墩的局部冲刷墩的局部冲刷冲刷深度与行近流速关系8/1/20248/1/2024桥墩的局部冲刷墩的局部冲刷冲刷深度与行近流速关系8/1/20248/1/2024一般冲刷深度与局部冲刷深度的区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
15、最大深度8/1/20248/1/2024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、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8/1/20248/1/20248/1/20248/1/2024式中：式中：8/1/20248/1/2024墩型系数表墩型系数表8/1/20248/1/2024墩型系数表墩型系数表8/1/20248/1/20248/1/20248/1/20242、65-2公式公式8/1/20248/1/202
16、48/1/20248/1/2024式中：式中：8/1/20248/1/2024粘性土河床粘性土河床桥墩局部冲刷可按下式墩局部冲刷可按下式计算：算：8/1/20248/1/2024四、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取一般冲刷后最大水深作为为行近水深和一般冲刷后行近水深和一般冲刷后垂垂线线平均流速作平均流速作为为行近流速。行近流速。1 1）按）按输输沙平衡原理公式沙平衡原理公式计计算一般冲刷算一般冲刷时时：2 2）按冲止流速公式）按冲止流速公式计计算一般冲刷深度算一般冲刷深度时时，取，取该该公公式式对应对应的冲止流速公式的冲止流速公式计计算。算。8/1/20248/
17、1/2024n n 一一 桥桥台台绕绕流的水流流的水流结结构构n n 桥桥台附件的水流由主流区，下游回流区和上游滞流台附件的水流由主流区，下游回流区和上游滞流区三部分区三部分组组成。成。8/1/20248/1/2024n n 一一 桥桥台台绕绕流的水流流的水流结结构构8/1/20248/1/20248/1/20248/1/20248/1/20248/1/20248/1/20248/1/20248/1/20248/1/20248/1/20248/1/2024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，一列日，一列日，一列日
18、，一列铁铁路路路路专专用防洪抛石用防洪抛石用防洪抛石用防洪抛石车缓缓驶车缓缓驶上京广黄河上京广黄河上京广黄河上京广黄河铁铁路大路大路大路大桥桥，以每小，以每小，以每小，以每小时时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笼笼近近近近180180180180立立立立方米石方米石方米石方米石块块。郑郑州州州州铁铁路局路局路局路局2008200820082008年京广年京广年京广年京广线线黄河黄河黄河黄河铁铁路大路大路大路大桥桥抛石防洪抛石防洪抛石防洪抛石防洪度汛施工，由此拉开序幕。度汛施工，由此拉开序幕。度汛施工，由此拉开
19、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年的京广年的京广年的京广年的京广铁铁路黄河大路黄河大路黄河大路黄河大桥桥，位于黄河下游游，位于黄河下游游，位于黄河下游游，位于黄河下游游荡荡性河段上，受当性河段上，受当性河段上，受当性河段上，受当时时建建建建桥桥技技技技术术和地理条件限制，大和地理条件限制，大和地理条件限制，大和地理条件限制，大桥桥桥桥墩基墩基墩基墩基础础较较浅。浅。浅。浅。n n由于大由于大由于大由于大桥桥上游河水主槽上游河水主槽上游河水主槽上游河水主槽摆动频摆动频繁，河床冲刷繁，河床冲刷繁，河床冲刷繁，河床冲刷对对大大大大桥桥的安全
20、造的安全造的安全造的安全造成影响。成影响。成影响。成影响。6 6 6 6月月月月19191919日小浪底水日小浪底水日小浪底水日小浪底水库库即将开即将开即将开即将开闸调闸调水泄洪，最大流量水泄洪，最大流量水泄洪，最大流量水泄洪，最大流量预计预计将达将达将达将达3900390039003900立方米秒，立方米秒，立方米秒，立方米秒，调调水泄洪将改水泄洪将改水泄洪将改水泄洪将改变变黄河大黄河大黄河大黄河大桥桥桥桥址址址址处处的水流的水流的水流的水流环环境和境和境和境和输输沙运行沙运行沙运行沙运行规规律。律。律。律。为应对为应对黄河小浪底水黄河小浪底水黄河小浪底水黄河小浪底水库库的的的的调调沙沙沙沙
21、泄洪，担泄洪，担泄洪，担泄洪，担负负大大大大桥桥养养养养护维护维修任修任修任修任务务的的的的郑郑州州州州铁铁路局路局路局路局闻闻汛而汛而汛而汛而动动，正式，正式，正式，正式启启启启动动黄河黄河黄河黄河铁铁路大路大路大路大桥桥度汛抛石度汛抛石度汛抛石度汛抛石预预案。案。案。案。8/1/20248/1/2024n 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。 8/1/20248/1/2024桥台冲刷台冲刷n n 一一 桥桥台台绕绕流的水流流的水流结结构构8/1/
22、20248/1/2024桥台冲刷台冲刷n n 一一 桥桥台台绕绕流的水流流的水流结结构构n n桥桥台上下游的流速分布如下：台上下游的流速分布如下：8/1/20248/1/2024桥台冲刷台冲刷n n 一一 桥桥台台绕绕流的水流流的水流结结构构8/1/20248/1/2024桥台冲刷台冲刷 二二 桥桥台冲刷台冲刷计计算算n n1 1 沙性土河床：沙性土河床：8/1/20248/1/2024桥台冲刷台冲刷二二 桥桥台冲刷台冲刷计计算算n n1 1 沙性土河床：沙性土河床：8/1/20248/1/2024桥台冲刷台冲刷n n 二二 桥桥台冲刷台冲刷计计算算n n1 1 沙性土河床：沙性土河床：8/1
23、/20248/1/2024桥台冲刷台冲刷n n 二二 桥桥台冲刷台冲刷计计算算n n桥桥台挑角系数：台挑角系数：n n桥桥台形状系数：台形状系数：8/1/20248/1/2024桥台冲刷台冲刷n n 二二 桥桥台冲刷台冲刷计计算算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和和桥桥台形状系数台形状系数C CA A，则则8/1/20248/1/2024桥台冲刷台冲刷n n2 2 粘性土河床：粘性土河床：8/1/20248/1/2024 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。8/1/20248/1/202413.4 桥下河槽
24、最低冲刷下河槽最低冲刷线 桥下河槽最低冲刷线： 8/1/20248/1/20248/1/20248/1/2024非岩性河床天然基非岩性河床天然基础墩台埋深墩台埋深8/1/20248/1/2024最低冲刷最低冲刷线高程高程n n桥桥墩的最低冲刷墩的最低冲刷线线高程高程H Hminmin（ m m）为为： n n桥桥台的最低冲刷台的最低冲刷线线高程高程H Hminmin（ m m）为为：上式中上式中h h为桥为桥台所在位置的平均水深。台所在位置的平均水深。8/1/20248/1/2024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、在确定、在确定、在确定桥桥梁墩台基梁墩台基梁墩
25、台基梁墩台基础础埋置深度埋置深度埋置深度埋置深度时时，应应根据根据根据根据桥桥位河段具体情况，取河床自然演位河段具体情况，取河床自然演位河段具体情况，取河床自然演位河段具体情况，取河床自然演变变冲刷、一般冲刷、一般冲刷、一般冲刷、一般冲刷和局部冲刷的不利冲刷和局部冲刷的不利冲刷和局部冲刷的不利冲刷和局部冲刷的不利组组合，作合，作合，作合，作为为确定墩台基确定墩台基确定墩台基确定墩台基础础埋深的依据。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、非岩石河床墩台基底埋深安全、非岩石河床墩台基底埋深安全、非岩石河床墩台基底埋深安全值值，可按表，可按表，可按表，可按
26、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、岩石河床墩台基底最小埋置深度可按、岩石河床墩台基底最小埋置深度可按、岩石河床墩台基底最小埋置深度可按规规范范范范附附附附录录C C C C确定。确定。确定。确定。8/1/20248/1/2024 4 4、位于河槽的、位于河槽的、位于河槽的、位于河槽的桥桥台，当其最大冲刷深度小于台，当其最大冲刷深度小于台，当其最大冲刷深度小于台，当其最大冲刷深度小于桥桥墩墩墩墩总总冲刷深度冲刷深度冲刷深度冲刷深度时时，桥桥台基底的埋深台基底的埋深台基底的埋深台基底的埋深应应与与与与桥桥墩基墩基墩基墩基底
27、高程相同；底高程相同；底高程相同；底高程相同； 当当当当桥桥台位于河台位于河台位于河台位于河滩时滩时，对对河槽河槽河槽河槽摆动摆动的不的不的不的不稳稳定河定河定河定河流，流，流，流，桥桥台基底高程台基底高程台基底高程台基底高程应应与与与与桥桥墩相同；墩相同；墩相同；墩相同； 在在在在稳稳定河流上，定河流上，定河流上，定河流上，桥桥台基底高程可按照台基底高程可按照台基底高程可按照台基底高程可按照桥桥台冲台冲台冲台冲刷刷刷刷计计算算算算结结果确定果确定果确定果确定 8/1/20248/1/2024 5 5、桥桥台台台台锥锥体体体体护护坡基脚埋置深度坡基脚埋置深度坡基脚埋置深度坡基脚埋置深度应应考考考考虑虑冲刷的冲刷的冲刷的冲刷的影响，当位于影响，当位于影响，当位于影响，当位于稳稳定、次定、次定、次定、次稳稳定河段的河定河段的河定河段的河定河段的河滩滩上，基脚上，基脚上，基脚上，基脚底面底面底面底面应应在一般冲刷在一般冲刷在一般冲刷在一般冲刷线线以下至少以下至少以下至少以下至少0.50m0.50m；当；当；当；当桥桥台位台位台位台位于不于不于不于不稳稳定河流的河定河流的河定河流的河定河流的河滩滩上，基脚底面上，基脚底面上，基脚底面上，基脚底面应应在一般冲刷在一般冲刷在一般冲刷在一般冲刷线线以下至少以下至少以下至少以下至少1m1m。8/1/20248/1/2024
