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1、第六章第六章 桥墩和桥台冲刷桥墩和桥台冲刷第一节第一节 泥沙运动泥沙运动第二节第二节 河床演变和河相关系河床演变和河相关系第三节第三节 一般冲刷一般冲刷第四节第四节 局部冲刷局部冲刷第五节第五节 桥台冲刷桥台冲刷第六节第六节 最低冲刷线高程最低冲刷线高程第一节第一节 泥沙运动泥沙运动要研究泥沙运动规律，首先应了解泥沙的基本特性，它包括：1.几何特性：泥沙颗粒的形状、大 小及群体泥沙的组合特性2.重力特性：泥沙颗粒的容重与淤积泥沙的干容重3.水力特性：泥沙颗粒的沉降速度泥沙类型泥沙类型悬移质悬移质推移质推移质床沙床沙泥沙运动泥沙运动泥沙运动泥沙运动一、一、 泥沙的主要特性泥沙的主要特性1 几何特
2、性几何特性粒径粒径d粒径级配曲线粒径级配曲线平均粒径平均粒径d和中值粒径和中值粒径d用等容粒径表示用等容粒径表示50粒配曲线：粒配曲线：表示天然沙颗粒组成的曲线.绘制过程：取样烘干筛分称重点线求各种特征值.曲线坐标：半对数坐标2 重力特性重力特性用容重用容重 表示表示3 水力特性水力特性用沉速用沉速 表示表示单颗粒单颗粒泥沙在泥沙在静止静止的的无限大无限大的的清水清水水体中水体中匀速下沉匀速下沉的速度的速度(cm/s)。二、二、 泥沙的运动泥沙的运动泥沙的起动泥沙的起动在水流推动下，床面泥沙颗粒由静止开始运动。在水流推动下，床面泥沙颗粒由静止开始运动。起动流速起动流速-床面泥沙颗粒在各种外力作
3、用下，失去平衡，泥床面泥沙颗粒在各种外力作用下，失去平衡，泥 沙开始运动时的水流垂线上的平均流速沙开始运动时的水流垂线上的平均流速 。费玉清起动流速公式：费玉清起动流速公式：重力项粘粒项流速换算项张瑞瑾起动流速公式：张瑞瑾起动流速公式：流速换算项重力项粘粒项当d2mm时，该式变为：张瑞瑾公式和费玉清公式在计算起动流速时的差别张瑞瑾公式和费玉清公式在计算起动流速时的差别三三 沙波运动沙波运动沙质河床的床面泥沙在水流作用下，泥沙起动后出现推移质运沙质河床的床面泥沙在水流作用下，泥沙起动后出现推移质运动，形成床面沙波。当动，形成床面沙波。当Fr很小时，仅出现沙纹；当很小时，仅出现沙纹；当Fr增大到一
4、增大到一定程度，沙纹成长为沙垄；水流强度再增大，则变为沙丘。定程度，沙纹成长为沙垄；水流强度再增大，则变为沙丘。裸露的黄河河床沙纹 沙波运动是水流强度达到一定强度后，推移质运动的集体形式此时，床面起伏不平的波浪形态，是推移质运动的主要形态。四四 推移质输沙率推移质输沙率沙波运动是推移质运动的主要形式，而推移质输沙率沙波运动是推移质运动的主要形式，而推移质输沙率的大小则反映推移质运动的强烈程度。的大小则反映推移质运动的强烈程度。推移质输沙率是单位时间内在过水断面单位河槽宽度上，通推移质输沙率是单位时间内在过水断面单位河槽宽度上，通过的推移质的质量，用过的推移质的质量，用 表示，单位是表示，单位是
5、kg/窦国仁德推移质输沙率公式窦国仁德推移质输沙率公式式中式中-系数，一般取系数，一般取-谢才系数，无量纲，谢才系数，无量纲，-起动流速起动流速-泥沙沉速泥沙沉速-水和泥沙的容重水和泥沙的容重五五 含沙量和挟砂能力含沙量和挟砂能力六六 河床的粗化河床的粗化含沙量含沙量单位体积内水流中所含悬移质的质量，单位体积内水流中所含悬移质的质量，kg/m在一定条件和边界条件下，单位体积的水流能够挟带泥沙在一定条件和边界条件下，单位体积的水流能够挟带泥沙的最大数量或质量的最大数量或质量(包括推移质和悬移质包括推移质和悬移质)，称为水流的挟，称为水流的挟砂率。砂率。3在冲刷河段内，床沙在冲刷河段内，床沙中的细
6、颗粒被水流冲中的细颗粒被水流冲走，上游来沙中的粗走，上游来沙中的粗颗粒泥沙慢慢沉下来，颗粒泥沙慢慢沉下来，这样，河床表面层的这样，河床表面层的泥沙粒径逐渐增大，泥沙粒径逐渐增大，形成自然铺砌的现象，形成自然铺砌的现象，称为河床的粗化。称为河床的粗化。第二节第二节 河床演化和河相关系河床演化和河相关系一一 副流副流由于过水断面形状的改变或河槽的影响，伴随着主流，在由于过水断面形状的改变或河槽的影响，伴随着主流，在水流内部形成一种尺度较大的旋转流动，这种从属于主流水流内部形成一种尺度较大的旋转流动，这种从属于主流而存在的旋转流动称为副流。而存在的旋转流动称为副流。副流副流立轴副流立轴副流(回流回流
7、)平轴副流平轴副流(滚流滚流)顺轴副流顺轴副流(螺旋流螺旋流)河相关系河相关系：水流与河床长期相互作用使河流朝着平衡的方向发展，当其处于平衡或准平衡状态时，河床形态与流域来水、来沙条件和河床边界条件之间存在着的密切关系。二二 河床演变的基本概念河床演变的基本概念河床演变是水流与河床不断相互作用的过程，在这一过程中，泥沙运动是纽带。任一河段在特定水流条件下有一定挟沙能力。 河床演变是指：河道在天然情况下或受人工因素的影响下所发生的变化。当上游来沙量与水流挟沙能力互相适应时,水流处于输沙平衡状态,河床保持相对稳定；如上游来沙量与水流挟沙能力不适应,水流输沙不平衡,河床就产生相应冲淤变化。河床变化反
8、过来又会改变水流条件，从而引起水流挟沙能力的变化，变化的趋势是尽量使上游来沙量与水流挟沙能力相适应，使河床保持相对平衡。 河流存在两个反馈系统河流存在两个反馈系统：(1)水流挟带泥沙，泥沙的存在又影响水流结构；(2)水流作用于河床，使河床发生变化，河床形态反过来又影响流速分布。 它们相互依存，相互影响，又相互制约。它们相互依存，相互影响，又相互制约。 水流与河床的相互作用是通过河流中泥沙的冲刷、搬运和堆积而实现的，泥沙在其中起着纽带作用。 当流速增加，组成河床的泥沙遭到冲刷，使河床降低或拓宽； 当流速减小，水中挟带的泥沙沉积于河床上，使河床抬高或束窄，河床就会发牛相应的变化。 河床演变是水流、
9、泥沙与河床相互作用的反映。河床演变是水流、泥沙与河床相互作用的反映。山区河流河床演变特性山区河流河床演变特性 1、山区河流常具有宽窄相间的外形，洪水期峡谷进口、悬移质在上游宽阔段内大量落淤。非汛期宽阔段“走沙”时冲刷外移的泥沙，在进入下游峡谷段时，由于水深流缓，大部分在峡谷段淤积。（例：澜沧江） 2、弯曲型河流，由于两岸受山崖阶地的钳制，自由活动的余地较小，河床蠕动只能顺着河谷方向平移。 3、分汊河流的江心州和心滩位置较固定，以两汊居多。 4、河床卵石运动在时间分布上具有明显的不连续性。同时，卵石的输沙率有很大的波动。 5、沿程有不少溪沟入汇，在沟口发育形成冲积扇，其伸人干流部分成为溪口滩（例
10、） ，既影响河床的演变又影响航运。澜沧江阿达箐滩平原河流的河床演变平原河流的河床演变主要表现：多呈现周期性的往复变形、平面上的摆动，冲淤变形速度快、幅度大都天庙凹冲凸淤，且速度均快和畅洲头冲尾淤，江心洲不断下移，但头冲快而尾淤慢主流线不断左移引起凹岸冲刷，下移引起和畅洲头崩坍后退影响河床演化的因素影响河床演化的因素1 上游来水条件，即流量的大小和变化上游来水条件，即流量的大小和变化流量大，冲击力强，对河床冲刷严重，变形快；雨季和旱流量大，冲击力强，对河床冲刷严重，变形快；雨季和旱季的变化，河床也出现周期性变化。季的变化，河床也出现周期性变化。2 上游来沙条件，即上游来沙量及其粒径的变化上游来沙
11、条件，即上游来沙量及其粒径的变化流量大，挟砂能力强，泥沙颗粒也大，对河床冲刷严重，流量大，挟砂能力强，泥沙颗粒也大，对河床冲刷严重，变形快。变形快。3 河床地质、土质条件、河床比降为河床演变提供边界条河床地质、土质条件、河床比降为河床演变提供边界条件。件。三三 河相关系河相关系造床流量造床流量河床形态是在无数次洪水过程中、水沙相互作用下河床形态是在无数次洪水过程中、水沙相互作用下连续演变的结果。为研究河相关系，人们引入连续演变的结果。为研究河相关系，人们引入“一个与多年连续一个与多年连续造床作用相当的某个流量数值造床作用相当的某个流量数值”。在桥梁工程中，取与河滩水位齐平时的河槽流量作为造床流
12、量。在桥梁工程中，取与河滩水位齐平时的河槽流量作为造床流量。特特点点：造造床床作作用用最最大大不是最大流量，因为其历时短不是最大流量，因为其历时短不是最小流量，因为其流量及动量小不是最小流量，因为其流量及动量小是流量较大历时较长的某级流量是流量较大历时较长的某级流量基本河宽公式基本河宽公式河槽宽度与水深的关系河槽宽度与水深的关系B-平摊水位平摊水位(造床流量造床流量)时的河槽宽度时的河槽宽度H-平摊水位平摊水位(造床流量造床流量)时的河槽平均水深时的河槽平均水深-断面河相系数断面河相系数单宽流量集中系数单宽流量集中系数A第三节第三节 桥下河床断面的一般冲刷桥下河床断面的一般冲刷桥下河床冲刷计算
13、，是确定墩台基础埋深的重要依据。桥下河床冲刷计算，是确定墩台基础埋深的重要依据。河床变形分为三类：河床变形分为三类：1. 河道自然变化引起，称为自然冲刷；河道自然变化引起，称为自然冲刷；2. 桥渡束狭水流，增加单宽流量所引起的全断面冲刷，称桥渡束狭水流，增加单宽流量所引起的全断面冲刷，称一般冲刷，用一般冲刷，用h 表示；表示；3. 由桥墩阻水使水流结构变化，在桥墩周围发生的冲刷，由桥墩阻水使水流结构变化，在桥墩周围发生的冲刷，称局部冲刷，用称局部冲刷，用h 表示。表示。bp一般冲刷一般冲刷冲刷停止时桥下冲刷停止时桥下的垂线水深表示的垂线水深表示该垂线处的一般该垂线处的一般冲刷深度。冲刷深度。桥
14、墩前水流形态发生的变化桥墩前水流形态发生的变化桥墩前的局部冲刷桥墩前的局部冲刷一、根据输沙平衡原理建立的公式一、根据输沙平衡原理建立的公式根据输沙平衡原理，应该是该断面推移质输沙量根据输沙平衡原理，应该是该断面推移质输沙量G的输沙平衡。的输沙平衡。上游天然断面上游天然断面桥下断面桥下断面GG12即即-上游天然断面河槽宽度上游天然断面河槽宽度-桥下河槽宽度，一般砂性土河床建桥后，桥下桥下河槽宽度，一般砂性土河床建桥后，桥下 河槽可扩展到整个桥孔，河槽可扩展到整个桥孔，B =L ;否则，否则，B =B22cq-上游天然断面单宽输沙率上游天然断面单宽输沙率-桥下断面单宽输沙率桥下断面单宽输沙率式中式
15、中将上式带入输沙率公式得：将上式带入输沙率公式得：见表见表6-3-11964年甘城道将上式改写成：年甘城道将上式改写成：-系数系数-桥下河槽最大水深桥下河槽最大水深-造床流量时的最大水深和平均水深造床流量时的最大水深和平均水深-单宽流量集中系数单宽流量集中系数-系数，一般取系数，一般取19841990进一步简化为进一步简化为-桥下河槽通过的流量桥下河槽通过的流量-计算断面的天然河槽流量计算断面的天然河槽流量Q-天然状态下，桥下河滩部分通过的流量天然状态下，桥下河滩部分通过的流量-该式被称为该式被称为64-2简化公式，用于沙质河简化公式，用于沙质河床床c二、根据冲止流速建立的公式二、根据冲止流速
16、建立的公式1、砂性土河槽的一般冲刷公式、砂性土河槽的一般冲刷公式一般冲刷停止时桥下的垂线平均流速，称为冲止流速。一般冲刷停止时桥下的垂线平均流速，称为冲止流速。冲止流速冲止流速一般冲刷深度一般冲刷深度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该式又被称为该式又被称为64-1公式公式E-可查表可查表6-3-22、砂性土河滩的一般冲刷公式、砂性土河滩的一般冲刷公式-河滩部分的冲止流速河滩部分的冲止流速-桥下河滩部分通过的部分设计流量桥下河滩部分通过的部分设计流量-河滩水深河滩水深1m时，非粘性土的不冲刷流速，可查表时，非粘性土的不冲刷流速，可查表6-3-3-天然状态下河滩部分
17、通过的流量天然状态下河滩部分通过的流量3、粘性土河床的桥下断面一般冲刷公式、粘性土河床的桥下断面一般冲刷公式平均粒径小于的泥沙，称为粘性土。平均粒径小于的泥沙，称为粘性土。 土力学中反映粘土粘结力大小的指标为液性指数土力学中反映粘土粘结力大小的指标为液性指数I 和和孔隙率孔隙率e。 I 和和e越小，粘土的粘结力越大，抗冲能力越越小，粘土的粘结力越大，抗冲能力越强，冲止流速也就越大。强，冲止流速也就越大。LL冲止流速冲止流速桥下河槽桥下河槽桥下河滩桥下河滩三、根据别列柳伯斯基假设建立的公式三、根据别列柳伯斯基假设建立的公式E.B.包尔达克夫根据别氏假设认为：桥下流速达到天然河槽包尔达克夫根据别氏
18、假设认为：桥下流速达到天然河槽平均流速时，桥下冲刷即停止，而且同一垂线处、冲刷后的平均流速时，桥下冲刷即停止，而且同一垂线处、冲刷后的水深与冲刷前的水深成正比，又称为包尔达克夫公式，适应水深与冲刷前的水深成正比，又称为包尔达克夫公式，适应于稳定性河段的河槽。于稳定性河段的河槽。1、河槽土质均匀时、河槽土质均匀时-冲刷前的面积冲刷前的面积2、河槽土质不均匀时、河槽土质不均匀时-河床易冲刷部分冲后水深河床易冲刷部分冲后水深-冲刷前桥下毛过水断面面积冲刷前桥下毛过水断面面积-冲刷前易冲刷部分毛过水断面面积冲刷前易冲刷部分毛过水断面面积-冲刷后不易冲刷（表层土壤被冲走后）的毛过水断面面积冲刷后不易冲刷
19、（表层土壤被冲走后）的毛过水断面面积第四节第四节 桥墩的局部冲刷桥墩的局部冲刷1. 桥墩局部冲刷的机理桥墩局部冲刷的机理桥墩周围的水流：桥墩周围的水流：墩前水面涌波墩前水面涌波墩前迎水面的向下水流墩前迎水面的向下水流漩涡体系漩涡体系2. 冲刷深度和行近流速冲刷深度和行近流速行近流速行近流速是指桥墩上游不远处，是指桥墩上游不远处，未受绕流影响的墩前天然流速。未受绕流影响的墩前天然流速。取一般冲刷终止后的墩前流速取一般冲刷终止后的墩前流速作为墩前行近流速，相应的墩前作为墩前行近流速，相应的墩前水深也是取一般冲刷后的最大水水深也是取一般冲刷后的最大水深深hp来计算。来计算。1964年，桥渡冲刷学术会
20、议为了制定桥渡局部冲刷公式，假定：年，桥渡冲刷学术会议为了制定桥渡局部冲刷公式，假定：清水冲刷清水冲刷 冲刷深度冲刷深度h 随行近流速随行近流速 直线增加；动床冲刷直线增加；动床冲刷 冲刷深度冲刷深度h 随行近流速随行近流速 呈下凹曲线形式增大；在呈下凹曲线形式增大；在处这两种状态是连续的。处这两种状态是连续的。bb起冲流速起动流速二二. 65-2公式和公式和65-2修正公式修正公式公式公式-墩形系数，见表墩形系数，见表6-4-1-计算墩宽计算墩宽-一般冲刷后水深一般冲刷后水深-起动流速起动流速起冲流速起冲流速-行近流速行近流速系数系数-序号墩形示意图墩形系数墩形计算宽度B1B1=d1B1=d
21、234657891012112. 65-2修正公式修正公式-起冲流速，起冲流速，清水冲刷清水冲刷1)桥墩迎水面两侧泥沙桥墩迎水面两侧泥沙2) 起冲流速计算如下：起冲流速计算如下：n-指数指数动床冲刷动床冲刷三三. 粘性土河床桥墩局部冲刷公式粘性土河床桥墩局部冲刷公式二式的适应范围二式的适应范围 介于介于四四. 行近流速和行近水深行近流速和行近水深假定局部冲刷是在一般冲刷完成后进行的，应取一般冲刷后最假定局部冲刷是在一般冲刷完成后进行的，应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。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。按输沙平衡原理计算一般冲刷时，行
22、近流速的计算可近似采用按输沙平衡原理计算一般冲刷时，行近流速的计算可近似采用下式：下式：第五节第五节 桥台冲刷桥台冲刷一一 桥台绕流的水流结构桥台绕流的水流结构桥台附近水流构成：桥台附近水流构成： 主流区主流区A； 下游回流区；下游回流区； 上游滞留区。上游滞留区。因桥台束窄河道导致上游壅水和因桥台束窄河道导致上游壅水和一般冲刷，急速绕过桥台的水流一般冲刷，急速绕过桥台的水流在桥台上游边缘与壁面边界层分在桥台上游边缘与壁面边界层分离，形成强烈的立轴漩涡体系，离，形成强烈的立轴漩涡体系，并不断向下发展。并不断向下发展。桥台上下游的流速分布如图示桥台上下游的流速分布如图示桥梁上游天然断面的平均流速
23、桥梁上游天然断面的平均流速为为 ；沿桥梁轴线的流速为沿桥梁轴线的流速为边界分离处最大流速为边界分离处最大流速为据试验资料分析：据试验资料分析：距离漩涡中心距离漩涡中心r处的诱导流速处的诱导流速u为：为：漩涡区宽度漩涡区宽度D:桥台前缘涡心压强桥台前缘涡心压强p 为：为：c-桥台较远处不受漩涡影响的水流压强桥台较远处不受漩涡影响的水流压强 (可近似看成静水压强可近似看成静水压强) -水的密度，水的密度，1000kg/m3二、桥台冲刷计算二、桥台冲刷计算桥台冲刷和挑角关系桥台冲刷和挑角关系1.沙性土河床沙性土河床桥台轴线和挑角呈桥台轴线和挑角呈90当桥台轴线和挑角不是呈当桥台轴线和挑角不是呈90时，引入挑角系数时，引入挑角系数则桥台冲刷深度计算公式为：则桥台冲刷深度计算公式为：-桥台形状系数桥台形状系数带边坡带边坡带锥坡带锥坡2.粘性土河床粘性土河床-天然条件下河床平均单宽流量天然条件下河床平均单宽流量-桥台路堤阻水系数桥台路堤阻水系数-粘性土的液性指数，介于粘性土的液性指数，介于第六节第六节 最低冲刷线高程和计算实例最低冲刷线高程和计算实例最低冲刷线高程最低冲刷线高程桥墩的最低冲刷线高程桥墩的最低冲刷线高程桥台的最低冲刷线高程桥台的最低冲刷线高程
