桥涵水文-6桥梁墩台冲刷及基础埋置深度

第一节 桥下一般冲刷计算 （二）64-2简化式 （按输沙平衡建立的公式，适用于有推移质运动的沙质河槽）
此式按输沙平衡条件建立一般冲刷深度公式，故又称输沙平 衡公式。 设G1为上游天然河道的来沙量，G2为桥下河槽断面的排沙量 。显然，当G1 ＞ G2时，桥下将出现淤积；当G1 ＜ G2时，桥下 将发生冲刷；当G1 = G2时，桥下冲淤平衡，一般冲刷深度至此 达到最大值。 由试验得出：单宽推移质输沙率与流速的4次方成正比，即
三种冲刷交织在一起，同时进行。计算时假定 它们独立地相继进行，可分别计算，最后叠加。
第一节 桥下一般冲刷计算
二、一般冲刷计算
关于桥下断面一般冲刷深度计算，目前尚无成熟理论， 主要按经验公式计算。常用的经验公式有64-1公式与64-2公 式，以及包尔达可夫公式。其中64-1公式和64-2公式为1964 年全国桥渡冲刷计算学术会议推荐试用，1991年《公路桥位 勘测设计规范》(JTJ062-91)正式作为推荐公式。
⎞3m1 B2 ⎠⎟⎟ hmax
1984年-1990年，总结使用经验，根据理论论证和我国实 桥资料分析，建立简化公式：
( ) hP
⎛ = 1.04⎜
⎝
Ad
Q2 Qc
⎞0.90 ⎟ ⎠
⎡
⎢ ⎣⎢
μ
Bc
1− λ
⎤ 0.66
⎥ Bcg ⎦⎥
hcm
第二节 桥墩局部冲刷计算
桥墩局部冲刷计算 修建在河床内的桥墩，经受着桥位河段及桥下断面 的一般冲刷，同时，桥墩阻挡水流，水流在桥墩两侧绕 流，形成十分复杂的，以绕流涡旋体系为主的绕流结构， 引起桥墩周围急剧的泥沙运动，形成桥墩周围局部冲刷 坑。为便于分析计算，假定桥墩局部冲刷是在一般冲刷 完成后的基础上进行的。
桥下河滩的一般冲刷，当流速降低到土壤的容许（ 不冲刷）流速时才停止，其冲止流速应该采用河滩土壤的 容许（不冲刷）流速。
第一节 桥下一般冲刷计算
则，桥下河滩部分的一般冲刷深度为：
hp
=
qt vz
5
其中，qt
=
Q1
μ Btj
⎛ ⎜⎜⎝
htm htq
⎞3 ⎟⎟⎠ ，vz
=
1
vH1ht5p
5
∴ hp
=
⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢
⎛1⎞
5
⎞3 ⎠⎟⎟
⎤8 ⎥ ⎥ ⎥ ⎥
⎢ ⎢
0.33 ⎜ ⎝
IL
⎟ ⎠
⎥ ⎥
⎣
⎦
6
河滩部分：hp
=
⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢
Q1
μ Btj
⎛ ⎜⎜⎝
htm htq
⎛ 0.33 ⎜
⎝
1 IL
5
⎞3 ⎟⎟⎠
⎞ ⎟ ⎠
⎤7 ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥
⎣
⎦
我国铁路部门根据一 定数量实际桥梁的资 料，对粘性土河流的 桥下一般冲刷进行了 分析研究，于1979年 提出了调查分析报告， 阐述了粘性土河床冲 刷的特点，认为冲止 流速与粘性土的性质 有直接关系，并推荐 了使用公式。
gs = αv4
第一节 桥下一般冲刷计算
G1
=
B1 g s1
= α1B1v14
= α1B1
⎛ ⎜ ⎝
Q1 B1h1
⎞4 ⎟ ⎠
G2
=
B2j gs2
= α2 B2jv24
= α2B2
⎛ ⎜⎜⎝
Q2 B2jh2
⎞4 ⎟⎟⎠
又因为桥下断面的排沙量为
B2j = μ (1− λ ) B2
令 G1 = G2 , 又∵ h2 = hp
河床逐年下切、淤积、边滩下移、河湾发展变形及截弯 取直、河段深泓线摆动及一个水文周期内，河床随水位、流 量变化而发生的周期性变形，以及人类活动(如河道整治、 兴修水利等）都会引起河床的显著变形，桥位设计时都应予 考虑。 z计算方法：
关于河床自然演变冲刷深度，目前尚无成熟的计算方法， 一般多通过调查或利用桥位上、下游水文站历年实测断面资 料统计分析确定。
冲刷坑外缘与桥墩前端坑底的最大高差，就是最大局部冲刷 深度hb。
一般冲刷深度是从设计水位至一般冲刷线的最大深度，而局 部冲刷则是从一般冲刷线至冲刷坑底的最大深度。
第二节 桥墩局部冲刷计算
2.影响局部冲刷的因素
影响桥墩局部冲刷深度的因素很多，其中最主要的
影响因素是涌向桥墩的流速、桥墩宽度、桥墩形式、墩
Q1
μ Btj
⎛ ⎜⎜⎝
htm htq
vH1
5
⎞3 ⎟⎟⎠
⎤6 ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥
⎢⎣
⎥⎦
第一节 桥下一般冲刷计算 水深1m时非粘性土容许不冲刷流速vH1表：
第一节 桥下一般冲刷计算 3、粘性土河床一般冲刷计算
定义：平均粒径d均＜0.05mm的泥沙，称为粘性土。
按粘性土的物理力学性能，随着含水量增大，土壤可由固态变成液
桥下冲刷直接影响着桥墩台的基础埋置深度，要保 证桥梁安全，就必须将墩台基础放置在可靠的地基上。 进行冲刷计算的目的是要找最大冲刷深度，决定不被冲 走的地基面的标高。
第一节 桥下一般冲刷计算
一、桥下冲刷的组成
1.自然演变冲刷 z定义：河床在水力作用及泥沙运动等因素的影响下，自然 发育过程造成的冲刷现象，称为河床自然冲刷。 z常见自然演变冲刷现象：
第一节 桥下一般冲刷计算 2.一般冲刷
建桥后，由于桥孔压缩河床，桥下过水面积减小，从而 引起桥下流速的增大，水流携沙能力也随之增大，造成整个 桥下断面的河床冲刷。这一冲刷过程，称为桥下断面的一般 冲刷。 3.局部冲刷
水流因受墩台阻挡，在墩台附近发生的冲刷现象叫局部 冲刷。在桥墩的前缘与两侧形成冲刷坑。
1
3
hp
=
⎛ ⎜ ⎝
α2 α1
⎞4 ⎟ ⎠
⎛ ⎜ ⎝
Q2 Q1
⎞⎡
⎟ ⎠
⎢ ⎣
μ
B1
(1− λ )
B2
⎤4 ⎥ ⎦
h1
第一节 桥下一般冲刷计算
考虑到单宽流量分布不匀及集中趋势的影响，实用上一般 冲刷深度常按下式计算:
( ) hp
=
K
⎛ ⎜ ⎝
Ad
Q2 Q1
⎞4m1 ⎟ ⎠
⎛ ⎝⎜⎜
μ
B1
1− λ
因此，目前常用粘性土冲止流速经验公式有两种，即
河槽部分：vz
=
⎛ 0.33⎜
⎝
1 IL
⎞3 ⎟ ⋅ hp5 ⎠
河滩部分：vz
=
⎛ 0.33⎜
⎝
1 IL
⎞1 ⎟ ⋅ hp6 ⎠
第一节 桥下一般冲刷计算
将上式带入一般冲刷深度计算公式中，有
5
河槽部分：hp
=
⎡
⎢ ⎢
A
d
⎢
⎢
Q2μ Bcj来自⎛ ⎝⎜⎜hcm hcq
③ 当v大于v0’ 并继续增大时，冲刷坑逐渐加深和扩大， 局部冲刷深度与v近似呈直线关系增大，
④ 当v增大到v0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v> v0并继续增大时，冲 刷坑深度的增长因有泥沙补给而减缓，局部冲刷深度hb 与v呈曲线关系。
，Bz值过大不易确定时，建议Ad值不超过1.8
第一节 桥下一般冲刷计算 则，桥下冲刷前最大单宽流量与平均单宽流量的关系为：
5
qcm
=
Q2
μ Bcj
⎛ ⎜⎜⎝
hcm hcq
⎞3 ⎟⎟⎠
, 一般冲刷结束后q2
=
Ad qcm
计算一般冲刷深度公式中的冲止流速，对于沙质河槽而言， 可以按下述经验公式计算：
( ) vz
第二节 桥墩局部冲刷计算
1.墩周水流结构及局部冲刷机理
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，床面附近形成漩涡 ，剧烈淘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扩大，坑底流速逐渐降低，水流挟沙 能力随之减弱，上游进入冲刷坑的泥沙与水流冲走的泥沙趋 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 于平衡，冲刷随之停止，局部冲刷坑达到最深。
桥涵水文
Hydrology of Bridge and Culvert
第六章 桥梁墩台冲刷计算及基础埋深 （桥涵水力计算）
第一节 第二节 第三节 第四节
桥下一般冲刷计算 桥墩局部冲刷计算 桥台冲刷计算 基础埋深计算
第一节 桥下一般冲刷计算
为了使设计洪水在桥下安全通过，不但要有足够的 桥孔长度和桥梁高度，而且桥梁墩台基础还必须有足够 的埋置深度。
宽流量与相应垂线水深的5/3次方成正比，所以：
桥下平均单宽流量：q = Qs
L
桥下最大单宽流量：qmax
=
q ( hmax h
5
)3
=
Qs L
(
hmax
)
5 3
h
第一节 桥下一般冲刷计算
桥下河床的冲止流速，根据河流泥沙运动的特点，应该 按三种不同情况分别计算：
1、沙质河槽的一般冲刷计算：
在沙质河槽中有推移质运动，冲刷过程中又有上游来
河槽往往会扩宽，桥下河滩部分将被冲刷成河槽，则桥下 断面的一般冲刷计算，可全部按河槽考虑。若经调查分析 ，河滩土质坚实，比较稳定，确无被冲刷成河槽的可能时 ，则桥下河滩部分的一般冲刷，应该按河滩的特点进行计 算。
河滩部分无推移质运动，冲刷后没有上游来沙的补 偿，冲刷过程中，单宽流量的再分配现象极其微小甚至没 有，可不予考虑。
沙补偿，随着一般冲刷的发展，桥下各垂线处的单宽流量
有向深槽集中趋势，且河槽越宽浅，越不稳定，单宽流量
的集中趋势则越强。采用单宽流量集中系数Ad表示其集中 程度，由观测资料分析得知，与河流的宽深比有关，即