第六章沖刷計算

1、 第第 6 6 章章 橋下河床沖刷計算橋下河床沖刷計算 （Bridge Pier Scour Calculation）2.3 2.3 泥沙運動與河床演變泥沙運動與河床演變（Sediment Movement and River Bed Evolution） 2.3.1 2.3.1 河流泥沙河流泥沙 河道中的水流挾帶的泥、土、沙、石稱為河道中的水流挾帶的泥、土、沙、石稱為河流泥河流泥沙沙（river load ，river silt，river sediments）。 河流河流中泥沙的沖淤變化，對河道整治、水利水電工程、橋中泥沙的沖淤變化，對河道整治、水利水電工程、橋涵工程、港口工程的建設(shè)都有很

2、大影響。因此，工程涵工程、港口工程的建設(shè)都有很大影響。因此，工程建設(shè)必須研究河流泥沙特性及其運行規(guī)律。建設(shè)必須研究河流泥沙特性及其運行規(guī)律。 1、 河流泥沙分類：河流泥沙分類：（1）按泥沙在河槽的運動狀態(tài)劃分：）按泥沙在河槽的運動狀態(tài)劃分： 懸移質(zhì)（懸移質(zhì)（suspended load）：懸浮在水中的泥沙，：懸浮在水中的泥沙，隨水流的運動而運動，其流速與水流流速相同。隨水流的運動而運動，其流速與水流流速相同。V不動床面床沙推移質(zhì)sh 推移質(zhì)（推移質(zhì)（river bed load）：沿河底移動或滾動的：沿河底移動或滾動的泥沙，其流速比水流流速小。泥沙，其流速比水流流速小。 床床沙沙或或 河床質(zhì)河

3、床質(zhì)（river bed material）：相對靜止：相對靜止停留在河床上的泥沙。停留在河床上的泥沙。 以上三種劃分是相對的，泥沙會隨水流條件和邊以上三種劃分是相對的，泥沙會隨水流條件和邊界條件的變化而交換。界條件的變化而交換。V不動床面床沙推移質(zhì)sh（2）按泥沙的來源和顆粒大小劃分：）按泥沙的來源和顆粒大小劃分： 沖瀉質(zhì)沖瀉質(zhì)（wash load）：泥沙中較細的部分，來源：泥沙中較細的部分，來源于流域面上，經(jīng)過研究河段（如橋位河段）一瀉而過，于流域面上，經(jīng)過研究河段（如橋位河段）一瀉而過，與研究河段的泥沙不發(fā)生交換，不參與造床作用（塑與研究河段的泥沙不發(fā)生交換，不參與造床作用（塑造河床），

4、在河段的床沙中很少或沒有，這部分泥沙造河床），在河段的床沙中很少或沒有，這部分泥沙稱為沖瀉質(zhì)。稱為沖瀉質(zhì)。 床沙質(zhì)（床沙質(zhì)（ river bed material ）：泥沙中較粗的部：泥沙中較粗的部分，來源于上游河段，經(jīng)過研究河段時，與研究河段分，來源于上游河段，經(jīng)過研究河段時，與研究河段的泥沙發(fā)生交換，直接的泥沙發(fā)生交換，直接參與造床作用，參與造床作用，與河道沖淤變與河道沖淤變化關(guān)系密切，在床沙中大量存在，化關(guān)系密切，在床沙中大量存在，這部分泥沙稱為床這部分泥沙稱為床沙質(zhì)。沙質(zhì)。2 2、泥沙的定量指標及度量單位：、泥沙的定量指標及度量單位：（1）懸移質(zhì)泥沙）懸移質(zhì)泥沙含沙量含沙量（ sedi

5、ment concentration, silt content ）：單：單位體積的渾水中所含位體積的渾水中所含懸移質(zhì)懸移質(zhì)泥沙泥沙的重量，稱為含沙量，的重量，稱為含沙量，以以kg/m3計。計。懸移質(zhì)輸沙率懸移質(zhì)輸沙率QS（sediment flux）：單位時間通過：單位時間通過斷面懸移質(zhì)泥沙的重量稱為懸移質(zhì)輸沙率，斷面懸移質(zhì)泥沙的重量稱為懸移質(zhì)輸沙率，kg/s 。QQS （2）推移質(zhì)泥沙）推移質(zhì)泥沙推移質(zhì)輸沙率推移質(zhì)輸沙率Qb：單位時間內(nèi)通過斷面推移質(zhì)泥沙：單位時間內(nèi)通過斷面推移質(zhì)泥沙的重量，以的重量，以kg/s計。計。（3）斷面輸沙率）斷面輸沙率斷面輸沙率斷面輸沙率QS（sediment

6、flux）：單位時間通過全：單位時間通過全斷面泥沙的重量（包括懸移質(zhì)泥沙和推移質(zhì)泥沙）斷面泥沙的重量（包括懸移質(zhì)泥沙和推移質(zhì)泥沙）稱為斷面輸沙率，以稱為斷面輸沙率，以kg/s計計 。上述泥沙指標可通過儀器測量。上述泥沙指標可通過儀器測量。（4）輸沙量）輸沙量輸沙量輸沙量WS（sediment flux）：某時段通過斷面泥沙：某時段通過斷面泥沙的重量稱為輸沙量，以的重量稱為輸沙量，以kg或或 t 計計 。 由實測的輸沙率，可計算日平均輸沙率、月平均由實測的輸沙率，可計算日平均輸沙率、月平均輸沙率、年平均輸沙率和年輸沙量（輸沙率、年平均輸沙率和年輸沙量（annual sediment discha

7、rge）TQWss 2.3.2 2.3.2 泥沙運動基本規(guī)律泥沙運動基本規(guī)律 天然河床是由大小不同、形狀各異的泥沙顆粒天然河床是由大小不同、形狀各異的泥沙顆粒組成的。在橋梁的上、下游，由于水流急劇變化，組成的。在橋梁的上、下游，由于水流急劇變化，引起橋下河床的變形和墩臺附近的沖刷，其中起主引起橋下河床的變形和墩臺附近的沖刷，其中起主要作用的是推移質(zhì)泥沙和床沙。因此，了解和掌握要作用的是推移質(zhì)泥沙和床沙。因此，了解和掌握河流泥沙的運動規(guī)律是橋涵工程設(shè)計必不可少的內(nèi)河流泥沙的運動規(guī)律是橋涵工程設(shè)計必不可少的內(nèi)容。容。1、泥沙主要特性、泥沙主要特性（1）泥沙粒徑和級配曲線）泥沙粒徑和級配曲線 1）粒

8、徑）粒徑 粒徑粒徑d（grain diameter）：等容粒徑，）：等容粒徑，mm2）粒徑級配曲線）粒徑級配曲線（grain-size distribution curve）：）： 河流泥沙是由粒徑河流泥沙是由粒徑不同的泥沙組成的。沙不同的泥沙組成的。沙樣中小于各種粒徑泥沙樣中小于各種粒徑泥沙重量占沙樣總重量的百重量占沙樣總重量的百分數(shù)，稱為泥沙的粒徑分數(shù)，稱為泥沙的粒徑級配。其圖形稱為級配。其圖形稱為泥沙泥沙粒徑級配曲線粒徑級配曲線。單對數(shù)紙單對數(shù)紙福州洪塘大橋床沙粒徑級配曲線福州洪塘大橋床沙粒徑級配曲線3）平均粒徑）平均粒徑 和中值粒徑和中值粒徑 d50平均粒徑平均粒徑 ：mmdd)322

9、(11 niiniiiPjPdPdd中值粒徑中值粒徑 d50：沙樣中大于和小于這個粒徑的泥沙重：沙樣中大于和小于這個粒徑的泥沙重量各占一半的粒徑。量各占一半的粒徑。 d5、 d95 、d75、 d253下下上上下下上上dddddi 4）沙樣的均勻程度）沙樣的均勻程度 沙樣的非均勻系數(shù)：沙樣的非均勻系數(shù)：)332(2575 dd （2）泥沙的容重）泥沙的容重泥沙容重（重度）泥沙容重（重度）s：單位體積的單位體積的泥沙顆粒實體的重泥沙顆粒實體的重力稱為泥沙的容重，或力稱為泥沙的容重，或重度，即為重度，即為s，取，取26 kN/m3。（3）水下休止角）水下休止角 靜水中的泥沙，由靜水中的泥沙，由于摩

10、擦力的作用，河床于摩擦力的作用，河床可以形成一定的傾斜面可以形成一定的傾斜面而不至塌落，此斜面與而不至塌落，此斜面與水平面的夾角水平面的夾角稱為泥稱為泥沙水下休止角。沙水下休止角。 休止角與泥沙的粒休止角與泥沙的粒徑大小和形狀有關(guān)。徑大小和形狀有關(guān)。hVV（4）泥沙的沉降速度）泥沙的沉降速度 泥沙顆粒在靜水中的等速下沉的速度，以泥沙顆粒在靜水中的等速下沉的速度，以cm/s或或m/s計。計。 泥沙粒徑一定，其沉降速度為一常數(shù)，故沉速又泥沙粒徑一定，其沉降速度為一常數(shù)，故沉速又稱為稱為水力粗度水力粗度。 可查設(shè)計手冊?？刹樵O(shè)計手冊。2、推移質(zhì)運動、推移質(zhì)運動（1）泥沙的起動）泥沙的起動泥沙的起動條

11、件泥沙的起動條件：河床面上的泥沙由靜止狀態(tài)變?yōu)檫\：河床面上的泥沙由靜止狀態(tài)變?yōu)檫\動狀態(tài)時的臨界水流條件稱為泥沙的起動條件。動狀態(tài)時的臨界水流條件稱為泥沙的起動條件。xPzPFGO床面表示方式：表示方式：起動流速起動流速vc（threshold velocity）：河床床面泥沙隨：河床床面泥沙隨著流速的增大，從靜止狀態(tài)變?yōu)檫\動狀態(tài)時的著流速的增大，從靜止狀態(tài)變?yōu)檫\動狀態(tài)時的臨界臨界流速流速。用垂線平均流速表示。用垂線平均流速表示。起動流速是推移質(zhì)運動產(chǎn)生的條件。起動流速是推移質(zhì)運動產(chǎn)生的條件。xPzPFGO床面hmaxucvdu0（2）推移質(zhì)輸沙率）推移質(zhì)輸沙率單寬推移質(zhì)輸沙率單寬推移質(zhì)輸沙率：

12、單位時間內(nèi)在過水斷面單位河槽：單位時間內(nèi)在過水斷面單位河槽寬度上通過的推移質(zhì)數(shù)量（質(zhì)量），以寬度上通過的推移質(zhì)數(shù)量（質(zhì)量），以kg/(s.m)計。計。若無實測資料，可用下式估算：若無實測資料，可用下式估算：)392()()(08. 21013 Hdvvvvdqccb式中：式中：v為垂線平均流速，為垂線平均流速，m/s。 實驗表明，單寬推移質(zhì)輸沙率與垂線平均流速的實驗表明，單寬推移質(zhì)輸沙率與垂線平均流速的4次方成正比，即：次方成正比，即：4vqb 4)(BHQBqBQbb 推移質(zhì)輸沙率用來反映推移質(zhì)運動的強烈程度。推移質(zhì)輸沙率用來反映推移質(zhì)運動的強烈程度。（3）沙波運動（）沙波運動（ sand

13、ripple movement ） 河床床面因推移質(zhì)運動，常呈現(xiàn)此起彼伏波浪狀河床床面因推移質(zhì)運動，常呈現(xiàn)此起彼伏波浪狀的泥沙團，稱為的泥沙團，稱為沙波沙波；形體巨大的沙波，稱為；形體巨大的沙波，稱為沙丘沙丘（sand -drift）；更大的稱為；更大的稱為沙洲沙洲（sand bar or sand shoal）；位于主槽兩側(cè)的沙灘，稱為；位于主槽兩側(cè)的沙灘，稱為邊灘邊灘（sandbank）；位于河槽中心部位的沙灘，稱為；位于河槽中心部位的沙灘，稱為中心中心灘灘（central bar）。它們都是由推移質(zhì)運動形成的。它們都是由推移質(zhì)運動形成的。 沙波運動是推移質(zhì)沙波運動是推移質(zhì)運動的主要形式。

14、運動的主要形式。 水流挾沙能力（水流挾沙能力（silt-carrying capacity）： 在一定水力條件和邊界條件下，單位體積的水在一定水力條件和邊界條件下，單位體積的水流所能挾帶泥沙的最大數(shù)量（質(zhì)量），稱為流所能挾帶泥沙的最大數(shù)量（質(zhì)量），稱為水流挾水流挾沙能力，包括推移質(zhì)和懸移質(zhì)沙能力，包括推移質(zhì)和懸移質(zhì)，以，以kg/m3計。計。 當上游來沙量大于本河段水流挾沙能力時，泥當上游來沙量大于本河段水流挾沙能力時，泥沙將下沉使河床淤積；反之，當上游來沙量小于本沙將下沉使河床淤積；反之，當上游來沙量小于本河段水流挾沙能力時，則會由本河段泥沙補充挾沙河段水流挾沙能力時，則會由本河段泥沙補充挾沙

15、能力，造成河床的沖刷；當上游來沙量等于本河段能力，造成河床的沖刷；當上游來沙量等于本河段水流挾沙能力時，此時水流挾沙能力時，此時輸沙平衡輸沙平衡，河段處于不沖不，河段處于不沖不淤狀態(tài)。淤狀態(tài)。 對于泥沙顆粒很細的平原區(qū)河流，懸移質(zhì)占絕對于泥沙顆粒很細的平原區(qū)河流，懸移質(zhì)占絕大部分，大部分，可以用最大懸移質(zhì)含沙量代表水流挾沙能可以用最大懸移質(zhì)含沙量代表水流挾沙能力。力。 2.3.3 2.3.3 河床演變河床演變（river bed evolution）1、河床演變基本原理、河床演變基本原理 河床的幾何形狀，稱為河床的幾何形狀，稱為河床形態(tài)河床形態(tài)（river morphology）。河流中的水流

16、推動泥沙運動，引起河。河流中的水流推動泥沙運動，引起河床變形；變形后的河床又反作用于水流，引起水流結(jié)床變形；變形后的河床又反作用于水流，引起水流結(jié)構(gòu)的變化。水流和河床永遠處于相互作用、相互制約、構(gòu)的變化。水流和河床永遠處于相互作用、相互制約、不斷變化的過程中。在天然狀態(tài)下或人類活動的干擾不斷變化的過程中。在天然狀態(tài)下或人類活動的干擾下，河床形態(tài)的變化，稱為下，河床形態(tài)的變化，稱為河床演變河床演變。 水流通過泥沙運動塑造河床，在河床演變中，水流通過泥沙運動塑造河床，在河床演變中，水流是最活躍的因素，但河床演變的根本原因是河水流是最活躍的因素，但河床演變的根本原因是河流輸沙不平衡，它是河床泥沙運動

17、的結(jié)果。流輸沙不平衡，它是河床泥沙運動的結(jié)果。（1）河床形態(tài)變化的類型）河床形態(tài)變化的類型1 1）縱向變形縱向變形 河床沿水流方向高程的變化，稱為河河床沿水流方向高程的變化，稱為河 床的縱向變形，它是河流縱向輸沙不床的縱向變形，它是河流縱向輸沙不 平衡引起的。平衡引起的。如：河流河源與上游河床的下切；下游河床的淤高；如：河流河源與上游河床的下切；下游河床的淤高；由于洪水期和枯水期或豐水年和枯水年河床局部沖由于洪水期和枯水期或豐水年和枯水年河床局部沖淤周期性變形。淤周期性變形。又如：受又如：受涉河工程涉河工程（structures in river affecting the bridge en

18、gineering）影響的河流，水庫庫區(qū)壅水區(qū)內(nèi)）影響的河流，水庫庫區(qū)壅水區(qū)內(nèi)河床淤積，水壩下游河床沖刷等。河床淤積，水壩下游河床沖刷等。 2） 橫向變形橫向變形 河床平面形狀的變化，稱為河床的橫向河床平面形狀的變化，稱為河床的橫向 變形，它是河流橫向輸沙不平衡引起的。變形，它是河流橫向輸沙不平衡引起的。如：河灣發(fā)展；河槽擴寬；塌岸；分汊；改道；裁彎如：河灣發(fā)展；河槽擴寬；塌岸；分汊；改道；裁彎等。等。（2）影響河床演變的主要因素）影響河床演變的主要因素1 1） 來水條件來水條件 來水量的大小及其過程；來水量的大小及其過程；2 2） 來沙條件來沙條件 來沙量的大小、過程及其組成來沙量的大小、過

19、程及其組成等；等；3 3） 河床邊界條件河床邊界條件 河流比降、河流寬度、河床河岸河流比降、河流寬度、河床河岸 土質(zhì)組成及其抗沖性等。土質(zhì)組成及其抗沖性等。 河段橫向變形和縱向變形對橋孔設(shè)計的影響見河段橫向變形和縱向變形對橋孔設(shè)計的影響見表表2-4、表、表2-5。2 2、建橋后的河床演變、建橋后的河床演變（1）平原順直型河段（屬于穩(wěn)定性河段）平原順直型河段（屬于穩(wěn)定性河段）:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.（2）平原彎曲型河段（屬于次穩(wěn)定性河段）平原彎曲型河段（屬于次穩(wěn)定性河段）（3）平原游蕩型河段和山前區(qū)變遷型河段）平原游蕩型河段和山前區(qū)變遷型河段 2.3.4 2.

20、3.4 造床流量與河相關(guān)系造床流量與河相關(guān)系1、造床流量（、造床流量（formative discharge）造床流量：造床流量：與多年流量過程綜合造床（塑造河床）與多年流量過程綜合造床（塑造河床） 作用相當?shù)牧髁糠Q為造床流量。作用相當?shù)牧髁糠Q為造床流量。確定方法：確定方法：平灘水位（平灘水位（bankfull stage）相應(yīng)的流）相應(yīng)的流 量，或多年平均洪水流量。量，或多年平均洪水流量。物理解釋物理解釋：當水流低于河漫灘時，流速較小，塑造：當水流低于河漫灘時，流速較小，塑造河床作用不強；當水位高于河漫灘時，水流分散，河床作用不強；當水位高于河漫灘時，水流分散，造床作用降低；當水流平灘時，其

21、造床作用最大。造床作用降低；當水流平灘時，其造床作用最大。2、河相關(guān)系（、河相關(guān)系（river facies relation）河相關(guān)系：河相關(guān)系：河床的幾何形態(tài)與水力因素及泥沙因素河床的幾何形態(tài)與水力因素及泥沙因素 （水流、泥沙、邊界條件等）之間的關(guān)系（水流、泥沙、邊界條件等）之間的關(guān)系 稱為河相關(guān)系。稱為河相關(guān)系。（1）橫斷面寬深比）橫斷面寬深比（河相系數(shù)河相系數(shù)）)422( HB 穩(wěn)定性河段：穩(wěn)定性河段： = 25次穩(wěn)定性河段：次穩(wěn)定性河段： = 520變遷性河段：變遷性河段： = 530游蕩性河段：游蕩性河段： = 1540 的大小在一定程度上反映河段的穩(wěn)定性。的大小在一定程度上反映河

22、段的穩(wěn)定性。 越大，則河槽越寬淺，河床的穩(wěn)定性越差。越大，則河槽越寬淺，河床的穩(wěn)定性越差。（2）穩(wěn)定河寬）穩(wěn)定河寬)432(2 . 05 . 0 JQBS 式中，式中，BS ：穩(wěn)定河寬，：穩(wěn)定河寬，m； Q ：造床流量，：造床流量，m3/s； J ：水面比降，以小數(shù)計；：水面比降，以小數(shù)計； ：穩(wěn)定河寬系數(shù)，：穩(wěn)定河寬系數(shù)， 穩(wěn)定沙質(zhì)河段：穩(wěn)定沙質(zhì)河段： = 1.11.3 不穩(wěn)定河段不穩(wěn)定河段 ： = 1.31.7推移質(zhì)泥沙起動的條件是什么？用推移質(zhì)泥沙起動的條件是什么？用什么指標表示推移質(zhì)泥沙運動什么指標表示推移質(zhì)泥沙運動 的強烈程度？的強烈程度？ 推移質(zhì)泥沙以什么形式運動的？推移質(zhì)泥沙以什

23、么形式運動的？什么是造床流量？橋梁設(shè)什么是造床流量？橋梁設(shè)計中如何確定造床流量？計中如何確定造床流量？6-16-1橋下河床沖刷概述橋下河床沖刷概述 及自然沖刷的確定及自然沖刷的確定 為了保證橋梁的安全和順利宣泄洪水，橋梁不但為了保證橋梁的安全和順利宣泄洪水，橋梁不但要有足夠的橋孔長度和橋梁高度，而且，墩臺基礎(chǔ)還要有足夠的橋孔長度和橋梁高度，而且，墩臺基礎(chǔ)還要有足夠的埋置深度，以免遭受洪水沖刷破壞。因此，要有足夠的埋置深度，以免遭受洪水沖刷破壞。因此，設(shè)計橋梁時，還必須合理的預(yù)計橋梁使用期內(nèi)河床的設(shè)計橋梁時，還必須合理的預(yù)計橋梁使用期內(nèi)河床的演變和墩臺的沖刷，為確定墩臺基礎(chǔ)的埋置深度提供演變和墩

24、臺的沖刷，為確定墩臺基礎(chǔ)的埋置深度提供依據(jù)。依據(jù)。 河道中的水流和泥沙總是在不停的運動著，床面河道中的水流和泥沙總是在不停的運動著，床面上的泥沙被水流沖起帶走，使床面下切，形成河床的上的泥沙被水流沖起帶走，使床面下切，形成河床的沖刷；水流所挾帶的泥沙沉積下來，使床面淤高，形沖刷；水流所挾帶的泥沙沉積下來，使床面淤高，形成河床淤積。在水流和泥沙的相互作用下，河床總是成河床淤積。在水流和泥沙的相互作用下，河床總是在不停地沖淤變化，構(gòu)成了河床的在不停地沖淤變化，構(gòu)成了河床的自然演變自然演變。一、河床沖刷概述一、河床沖刷概述 建橋后，除了河床的自然演變外，還有橋梁墩臺建橋后，除了河床的自然演變外，還有

25、橋梁墩臺對水流和泥沙運動的干擾而引起河床的沖刷，它們交對水流和泥沙運動的干擾而引起河床的沖刷，它們交織在一起，同時進行，所以橋下沖刷過程十分復(fù)雜。織在一起，同時進行，所以橋下沖刷過程十分復(fù)雜。 橋梁墩臺周圍河床的最大沖刷深度，是設(shè)計橋梁墩臺周圍河床的最大沖刷深度，是設(shè)計橋橋梁墩臺基礎(chǔ)埋置深度的依據(jù)。梁墩臺基礎(chǔ)埋置深度的依據(jù)。 最大沖刷深度最大沖刷深度是各種因素綜合作用的結(jié)果，十分是各種因素綜合作用的結(jié)果，十分復(fù)雜。為了便于研究和計算，橋涵水文中把這一復(fù)雜復(fù)雜。為了便于研究和計算，橋涵水文中把這一復(fù)雜的沖刷過程簡化為獨立的三部分的沖刷過程簡化為獨立的三部分自然沖刷、一般自然沖刷、一般沖刷、局部沖

26、刷，沖刷、局部沖刷，并假定它們相繼發(fā)生，可以分別計并假定它們相繼發(fā)生，可以分別計算，然后疊加，作為墩臺的最大沖刷深度算，然后疊加，作為墩臺的最大沖刷深度，并據(jù)以確，并據(jù)以確定墩臺基礎(chǔ)的埋置深度。定墩臺基礎(chǔ)的埋置深度。 自然沖刷、一般沖刷、局部沖刷形成的原因各自然沖刷、一般沖刷、局部沖刷形成的原因各不相同。不相同。bPshhhh 由于影響河床演變的因素非常多，而且錯綜復(fù)雜，由于影響河床演變的因素非常多，而且錯綜復(fù)雜，難以得到可靠的計算結(jié)果。目前在實際工作中，主要難以得到可靠的計算結(jié)果。目前在實際工作中，主要通過實地調(diào)查或參考類似河流的觀測資料，結(jié)合河段通過實地調(diào)查或參考類似河流的觀測資料，結(jié)合河

27、段的特點和整治規(guī)劃，估計建橋以后可能發(fā)生的河床演的特點和整治規(guī)劃，估計建橋以后可能發(fā)生的河床演變，作為變，作為設(shè)計設(shè)計橋梁墩臺的自然沖刷深度。橋梁墩臺的自然沖刷深度。 在實際工作中，一般在實際工作中，一般可根據(jù)橋位河段的類型，通可根據(jù)橋位河段的類型，通過過選擇選擇“計算斷面計算斷面”的方法來確定自然沖刷深度。的方法來確定自然沖刷深度。二、自然沖刷的確定方法二、自然沖刷的確定方法hmaxh計算斷面選擇：計算斷面選擇：平原順直型河段：平原順直型河段：橋位上游附近最大水深斷面橋位上游附近最大水深斷面最大水最大水深斷面深斷面:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.橋位橋位hmaxh

28、平原彎曲型河段：平原彎曲型河段：橋位上游附近河灣半徑最小的河橋位上游附近河灣半徑最小的河 灣頂點斷面灣頂點斷面maxh游蕩型和變遷型河段：游蕩型和變遷型河段：在橋位斷面上、下游橋位河在橋位斷面上、下游橋位河 段內(nèi)取若干河床斷面重疊后的外包線。段內(nèi)取若干河床斷面重疊后的外包線。橋位橋位h 在河床演變不甚激烈的橋位河段，一般可用橋在河床演變不甚激烈的橋位河段，一般可用橋位斷面作為計算斷面，同時，考慮橋位上游最大水位斷面作為計算斷面，同時，考慮橋位上游最大水深可能下移，實際工作中常采用深可能下移，實際工作中常采用橋位上游附近橋位上游附近實測實測或調(diào)查的最大水深作為計算斷面的最大水深?；蛘{(diào)查的最大水深

29、作為計算斷面的最大水深。山區(qū)河段：山區(qū)河段： 橋位斷面橋位斷面橋梁墩臺沖刷計算中橋梁墩臺沖刷計算中如何簡化復(fù)雜的沖刷如何簡化復(fù)雜的沖刷過程？過程？6.1 6.1 橋下一般沖刷計算橋下一般沖刷計算 （general scour of bridge pier） 建橋以后，橋孔壓縮水流，橋下流速增大，水流建橋以后，橋孔壓縮水流，橋下流速增大，水流挾沙能力隨之增大，引起整個橋下斷面河床的沖刷，挾沙能力隨之增大，引起整個橋下斷面河床的沖刷，稱為稱為一般沖刷一般沖刷。 隨著一般沖刷隨著一般沖刷的發(fā)展，河床不斷的發(fā)展，河床不斷刷深，橋下斷面逐刷深，橋下斷面逐漸擴大，過水斷面漸擴大，過水斷面面積不斷增大。面積

30、不斷增大。 隨著橋下斷面的擴大，流速相應(yīng)降低，水流挾沙隨著橋下斷面的擴大，流速相應(yīng)降低，水流挾沙能力也隨之降低。當流速降低到不能繼續(xù)沖刷河床時，能力也隨之降低。當流速降低到不能繼續(xù)沖刷河床時，沖刷即趨于停止了。此時，橋下過水斷面最大，一般沖刷即趨于停止了。此時，橋下過水斷面最大，一般沖刷的深度也達到最大。沖刷的深度也達到最大。ZS垂線垂線hP 通常用一般沖刷通常用一般沖刷停止時橋下的垂線水停止時橋下的垂線水深表示該垂線處的一深表示該垂線處的一般沖刷深度，以般沖刷深度，以hP表表示。橋下一般沖刷停示。橋下一般沖刷停止時的垂線平均流速，止時的垂線平均流速，稱為稱為沖止流速，沖止流速，以以Vs表示，

31、表示，m/s。Vs表示方法：表示方法：ZS 6.1.1 非粘性土河床一般沖刷計算非粘性土河床一般沖刷計算（non-cohesive soil river bed general scour calculation）1 1、64-164-1修正式（按沖止流速建立的公式）修正式（按沖止流速建立的公式）建立的概念：建立的概念： 任一垂線，在一般沖任一垂線，在一般沖刷的過程中，當斷面擴大刷的過程中，當斷面擴大使垂線的平均流速降到該使垂線的平均流速降到該垂線的沖止流速時，沖刷垂線的沖止流速時，沖刷就停止了，一般沖刷深度就停止了，一般沖刷深度達到最大，并且橋下所有垂線的沖刷都停止時，整個達到最大，并且橋下

32、所有垂線的沖刷都停止時，整個橋下斷面的一般沖刷就停止了。橋下斷面的一般沖刷就停止了。垂線hPVs取橋下斷面為計算斷面：取橋下斷面為計算斷面： 按水力學的連續(xù)方程，單寬流量：按水力學的連續(xù)方程，單寬流量：VhqVQ 對任一條垂線：對任一條垂線：Vqh 取最大水深垂線：當取最大水深垂線：當V=Vs時，時，h=hP， q=qs。)16( ssPVqhqs為一般沖刷停止時橋下最大單寬流量。為一般沖刷停止時橋下最大單寬流量。Vqh 求剛建橋，沖刷前的求剛建橋，沖刷前的最大單寬流量最大單寬流量 qmax。先求。先求平均平均單寬流量：單寬流量：jPLQq 式中，式中，Lj為橋孔凈長；為橋孔凈長；為側(cè)收縮系數(shù)

33、（壓縮系數(shù)）。為側(cè)收縮系數(shù)（壓縮系數(shù)）。由謝才由謝才-曼寧公式：曼寧公式：213521322132JhnBJhnhBJRnQP 21352135maxmax11JhnqJhnq 3535)()(maxmaxmaxmaxhhqqhhqq 將將 代入代入qmax，得：，得：jPLQq )26()(35maxmax hhLQqjP （1）河槽部分）河槽部分 沖刷停止后最大單寬流量與沖刷前最大單寬流量沖刷停止后最大單寬流量與沖刷前最大單寬流量的關(guān)系：的關(guān)系：)36(max AqqsA稱為單寬流量集中系數(shù)。稱為單寬流量集中系數(shù)。)46()(15. 015. 0 HBA 穩(wěn)定河段：穩(wěn)定河段：A=1.01.

34、2；次穩(wěn)定河段：次穩(wěn)定河段：A=1.31.4；不不穩(wěn)定河段：穩(wěn)定河段：A=1.51.7，最大不超過，最大不超過1.8。沖止流速：沖止流速：)56(3261 PshdEV式中，式中， 為河槽泥沙平均粒徑，為河槽泥沙平均粒徑，mm； E為與歷年汛期最大月平均含沙量的平均值為與歷年汛期最大月平均含沙量的平均值Spj有關(guān)，有關(guān)，當當Spj 10.0kg/m3，E=0.86。d將式（將式（6-3）（）（6-5）代入（）代入（6-1）：)66()(max53max61533561 hhdELAQhhdELAQhjPjPP QP為設(shè)計流量；為設(shè)計流量；Lj為橋孔凈長。為橋孔凈長。適用條件：適用條件：橋下全部

35、為河槽（單式斷面）或橋下河橋下全部為河槽（單式斷面）或橋下河槽部分（復(fù)式斷面）。槽部分（復(fù)式斷面）。)66()(max53max61533561 ccjcPccjcPPhhdELAQhhdELAQh QcP為橋下河槽部分通過的設(shè)計流量；為橋下河槽部分通過的設(shè)計流量；Lcj為橋下河槽部分的橋孔凈長。為橋下河槽部分的橋孔凈長。橋下河槽部分，故可改為：橋下河槽部分，故可改為：應(yīng)用說明：應(yīng)用說明： 當橋下斷面全為河槽，當橋下斷面全為河槽，Lcj = Lj = L- -nd，QcP = QP。 當橋孔壓縮部分河灘，橋下河槽不會擴寬至全當橋孔壓縮部分河灘，橋下河槽不會擴寬至全 橋，則：橋，則：)86( P

36、tcccPQQQQQ)76()(1 PniiiiccccPQhChCQ LLcQcZSZmintQ左左 tQ右右 dnLLccj ccchC , 為沖刷前為沖刷前橋下橋下河槽部分的過水面積、謝才河槽部分的過水面積、謝才系數(shù)、平均水深。系數(shù)、平均水深。為沖刷前為沖刷前橋下橋下各部分（包括河槽、河灘部各部分（包括河槽、河灘部分）的過水面積、謝才系數(shù)、平均水深。分）的過水面積、謝才系數(shù)、平均水深。iiihC , tttQQQ右右左左 式中，式中，Lcj為為橋下橋下河槽部分橋孔凈長；河槽部分橋孔凈長； QcP為為橋下橋下河槽通過的設(shè)計流量；河槽通過的設(shè)計流量； Qc、 分別為天然狀態(tài)下分別為天然狀態(tài)下

37、橋下橋下河槽、河灘通過的河槽、河灘通過的流量。流量。tQ 當橋孔壓縮部分當橋孔壓縮部分河灘，橋下河槽會擴河灘，橋下河槽會擴寬至全橋，則認為橋?qū)捴寥珮颍瑒t認為橋下全部為河槽，下全部為河槽， Lcj = Lj = L- -nd QcP=QP 不變。不變。ch 值的確定：通常按橋位上游附近枯水位或中值的確定：通常按橋位上游附近枯水位或中低水位實測過水斷面圖求得；也可利用設(shè)計水位時的低水位實測過水斷面圖求得；也可利用設(shè)計水位時的實測橋位斷面圖求得。實測橋位斷面圖求得。 chhmaxcccLh mSZZhmax 當橋下河床由多層成分不同的土質(zhì)組成，分層土當橋下河床由多層成分不同的土質(zhì)組成，分層土河床的沖

38、刷可采用逐層漸進試算方法進行。河床的沖刷可采用逐層漸進試算方法進行。（1） ，先按，先按 計算，若計算計算，若計算hP位于位于 層，即層，即為所求；若計算為所求；若計算hP位于位于 層，改用層，改用 計算，若結(jié)果位計算，若結(jié)果位于于 層，即為所求，若位于層，即為所求，若位于 層，取兩層交界面為沖層，取兩層交界面為沖刷線標高。刷線標高。hPZS河底河底21dd 1d2d1d1d2d2d2d1dhPZS河底河底1d2d2d（2） ，先按，先按 計算，若結(jié)果位于計算，若結(jié)果位于 層，即層，即為所求；若位于為所求；若位于 層，改按層，改按 計算。計算。21dd 1d1d2d多層粒徑不同的河床，處理方法

39、相同，逐層漸進試算。多層粒徑不同的河床，處理方法相同，逐層漸進試算。（2）河灘部分）河灘部分ststPVqh 35)(tmttjtPsthhLQq 511PHsthVV 式中，式中，VH1為河灘水深為為河灘水深為1m時非粘性土容許不沖刷流時非粘性土容許不沖刷流速，與河灘泥沙組成有關(guān)，可查表速，與河灘泥沙組成有關(guān)，可查表6-1。)96()(65351 tmtHtjtPPhhVLQh )106( PtcttPQQQQQ)106()(1 PniiiittttPQhChCQ 式中，式中，Ltj為為橋下河灘部分橋下河灘部分橋孔凈長；橋孔凈長； QtP為為橋下河灘橋下河灘通過的設(shè)計流量；通過的設(shè)計流量；河

40、灘泥沙分層處理方法與河槽相同。河灘泥沙分層處理方法與河槽相同。Qc、 分別為天然狀態(tài)下分別為天然狀態(tài)下橋下橋下河槽、河灘通過的流河槽、河灘通過的流 量。量。ttthC , 為沖刷前為沖刷前橋下橋下河灘部分的過水面積、謝才河灘部分的過水面積、謝才系數(shù)、平均水深。系數(shù)、平均水深。iiihC , 為沖刷前為沖刷前橋下橋下各部分（包括河槽、河灘部各部分（包括河槽、河灘部分）的過水面積、謝才系數(shù)、平均水深。分）的過水面積、謝才系數(shù)、平均水深。tttQQQ右右左左 tQ 2 2、64-264-2簡化式（按輸沙平衡建立的公式）簡化式（按輸沙平衡建立的公式）Q1h1B1Qb1B2Qb2Q2h2=hP建立的概念

41、：建立的概念：記記計算斷面計算斷面來沙來沙Qb1，橋下排沙為橋下排沙為Qb2。建橋后，由于橋孔壓縮水流，橋下流速增大，水流挾建橋后，由于橋孔壓縮水流，橋下流速增大，水流挾沙能力加大，沙能力加大，Qb1 V0，根據(jù)式（，根據(jù)式（6-21）：）：m60. 4 （2）65-2公公式式河床泥沙顆粒影響系數(shù)：河床泥沙顆粒影響系數(shù)：59. 049. 6375. 049. 60023. 0375. 00023. 024. 02 . 224. 02 . 22 ddK smdV/75. 0)7 . 049. 6(28. 0)7 . 0(28. 05 . 05 . 00 smdV/35. 0)5 . 049. 6

42、(12. 0)5 . 0(12. 055. 055. 00 516. 0)19. 475. 0()(49. 6lg19. 023. 0lg19. 023. 002 dVVnmVVVhBKKhnPb88. 4)75. 035. 019. 4(31.1134. 359. 02 . 1)(516. 015. 06 . 00015. 06 . 022 因因V V0 ：取取65-2公式計算結(jié)果公式計算結(jié)果4.88m。（3）橋下河槽橋墩基底埋置高程）橋下河槽橋墩基底埋置高程總沖刷深度：總沖刷深度：hs=h + hP + hb = 0+11.31+4.88 = 16.19m基底埋深安全值基底埋深安全值c=2.5m，橋墩基底埋置高程：，橋墩基底埋置高程：mhZZcssjd49.745 . 219.1618.93 2、河灘橋墩局部沖刷深度和橋墩基底埋深計算、河灘橋墩局部沖刷深度和橋墩基底埋深計算（1）左灘）左灘 左河灘一般沖刷深度在第二層底，左河灘一般沖刷深度在第二層底，VH1=0.99m/s，hP=10.55m，墩前行近流速（，墩前行近流速（沖止流速沖止流速）：）：smhVVPH/98. 355.1099. 051511 橋墩計算寬度：橋墩計算寬度：mB25. 355.10)63.8270.87(6 . 4)70.8718.93(0 . 2 起沖流速：起沖流速：smVBdV/59. 022.