第六章 桥墩和桥台冲刷

v0 5.39h0.14d 0.36
（6-1-4）
第一节 泥沙运动
当水深为1m时，绘制起动流速v0与粒径d的关系曲线如图6-3，在d＝ 0.15mm附近，起动流速都有个最小值。该值右侧，起动以克服重力为 主，起动流速随粒径的增大而增大；该值左侧，起动以克服粘结力为 主，起动流速随粒径的减小而增大。当d≥2mm时，粘结力作用可以忽 略不计；当≤0.02mm时，重力作用可以忽略不计。
第一节 泥沙运动
对于河槽内处于运动状态的泥沙，根据颗粒粗细及其来源又分为床沙质 和冲泻质两类。 床沙质：某一河段来自上游的泥沙中，一部分颗粒较粗，在床沙的组成 中大量存在，可以认为它们直接来自上游的河床，并与本河段床沙有交 换现象，这一部分泥沙就称为床沙质。 冲泻质：另一部分颗粒较细的泥沙，在床沙的组成中只有少量存在或根 本不存在，可以认为它们来自流域的表面冲蚀，随水流冲泻而下，沿程 与床沙无交换现象，并且也很少沉积，称为冲泻质。 床沙质与冲泻质的颗粒粗细也是相对的，随着水流条件及河流形态的改 变，也将互相转化。床沙质、冲泻质和悬移质、推移质，是对运动中的 泥沙的两种分类，不可混淆。 床沙质直接参与造床作用，是河床演变的主要影响因素，而冲泻质的影 响则很小。对于桥梁上下游，因水流急剧变化，引起河床变形和墩台附 近的冲刷，起主要作用的是推移质和床沙；颗粒很细的悬移质泥沙，对 长河段的河床演变才起主要作用。
g
vk——起动流速(m/s)； ω——泥沙沉速(m/s)； γ，γs——分别为水和泥沙的容重。
第一节 泥沙运动
五、含沙量和挟沙能力
含沙量(g)：单位体积内水流中所含悬移质的质量，单位是kg/m3。 挟沙能力：在一定的水力条件和边界条件下单位体积的水流能挟带泥 沙的最大数量(质量)，成为水流的挟沙能力，单位是kg/m3。它是一个 临界值，包括推移质和悬移质全部泥沙数量，并且随着水流和边界条 件的不同而时刻变化。
4 0.5
（6-1-3）
式中：V0——起动流速(m/s) h——水深(m) d——粒径(mm) ε——孔隙率，自然淤积稳定孔隙率约为0.4。 两个公式中括号内的第一项反映重力对起动的抗拒，第二项反映分子 粘结力对起动的抗拒，对于大颗粒泥沙第一项的数值为主，对于细颗 粒的泥沙则以第二项为主。 当d≥2mm时，张瑞瑾公式可简化为
第一节 泥沙运动
1、几何特征
1）粒径：泥沙颗粒形状极不规则，通常采用与泥沙颗粒同体积的球 体直径，即等容直径d来表示泥沙颗粒的大小，以m或mm计。 粒径大于0.05mm的泥沙，一般采用筛选法量测，以标准筛的孔径来确 定粒径的大小；粒径小于0.05mm的泥沙，则采用水沂法，根据泥沙在 静水中的沉降速度与粒径的关系来确定粒径的大小。对于大颗粒的原 石，可以直接量测。 2）粒径级配曲线：河流泥沙是由大小不同的颗粒组成的群体，各种 颗粒的粒径在群体中所占的比例用级配曲线来表示，如图6-1所示。粒 径级配曲线通常画在半对数坐标纸上，横坐标表示粒径大小，纵坐标 表示小于某粒径的颗粒，在整个沙样中所占的重量百分数。 粒径级配曲线能清楚地表明沙样颗粒的大小和均匀程度，在图6-1中， 沙样a的粒径较粗而大小级配均匀，沙样b的粒径较细而且大小级配不 均匀。
第六章 桥墩和桥台冲刷
第一节 泥沙运动
第二节 河床演变和河相关系
目录
第三节 桥下河床断面的一般冲刷
第四节 桥墩局部冲刷 第五节 桥台冲刷
第六节 最低冲刷线高程
第一节 泥沙运动
天然河床是由大小不同、形状各异的泥沙所组成。根据泥沙在河槽内运 动的状态，可分为悬移质和推移质两类。
悬移质：在河流中，泥沙处于运动状态，颗粒较细的泥沙被水流中的紊 流游涡带起，悬浮于水中向下游运动，前进的速度与水流的流速基本相 同，这种泥沙称为悬移质
推移质：在河流的运动过程中，颗粒稍大的泥沙，在河床表面上滚动、 滑动或跳跃着向下游移动，前进的速度远远小于水流的流速，这种泥抄 称为推移质。推移质群体的运动形态，呈现为床面上的沙波运动。 床沙：比推移质颗粒更大的泥沙，下沉到河床上静止不动，称为床沙。 悬移质、推移质和床沙之间颗粒大小的分界是相对的，随水流的流速大 小而变化，并且三者之间还存在着相互交换的现象。
第一节 泥沙运动
二、泥沙的起动
泥沙的起动—河床上的泥沙在水流作用下，由静止状态转变为运动状态
泥沙的起动条件—泥沙起动是泥沙运动和河床变形的临界状态，此时的临 界水流条件称为泥沙的起动条件。
泥沙颗粒的起动，是床面泥沙颗粒收到的驱动力和抗拒力以及这些力产生 的力矩时区平衡的结果。泥沙颗粒周围的水流和受力状态如图6-2所示。
六、河床的粗化
对于某一河段，若上游的来沙量大于本河段的水流挟沙能力，多余的 泥沙就会沉积下来，使河床发生淤积；若来沙量小于本河段的水流挟 沙能力，则将由本河段补偿不足的泥沙，造成河床冲刷。 在冲刷河段内，床沙中的细颗粒泥沙被水流冲走，上游来沙中的粗颗 粒泥沙慢慢沉下来，是河床表面层的泥沙粒径逐渐增大，形成自然铺 砌的现象，成为河床床面的粗化。
Bridge and Culvert Hydrology
第六章 桥墩和桥台
冲刷
第六章
桥墩和桥台冲刷
为了保证桥梁的安全和顺利宣泄设计洪水，不 但要有足够的桥孔长度和桥梁高度，而且墩台 基础还要有足够的埋臵深度，以免遭受洪水冲 刷而破坏。因此，设计桥梁时，必须合理地预 计桥梁使用期限内河床的演变和墩台的冲刷， 为确定墩台基础的埋臵深度提供依据。 河床中水流作用于床面泥沙（沙，石、泥、 土等），泥沙颗粒伴随着水流不停地运动。 床面上的泥沙被水流冲起带走，使床面下切 ，形成河床的冲刷；水流所挟带的泥沙沉积 下来，使床面淤高，形成河床的淤积。在水 流和泥沙的相互作用下，不停地冲淤变化， 构成了河床的自然演变。
第六章 桥墩和桥台冲刷
建桥后，除河床的自然演变以外，还有桥梁孔径压缩水流和墩台阻挡 水流引起的冲刷，各种冲刷交织在一起同时进行，冲刷过程非常复杂 。墩台周围河床的最大冲刷深度，是各种冲刷综合作用的结果，直接 威胁着墩台基础的安全。为了便于研究和计算，把这一复杂综合的冲 刷过程，分为独立的三部分，即自然（演变）冲刷、一般冲刷和局部 冲刷，并假定它们独立地相继进行，可以分别计算，然后叠加，作为 墩台的最大冲刷深度和确定墩台基础的埋臵深度的依据。
第一节 泥沙运动
本节课到此结束！
第二节 河床演变和河相关系
水流促使泥沙运动，引起河床变形，变形后的河床又反作用于水流，使 水流的内部结构发生变化，水流与河床永远处于相互作用的变化过程中 ，河床形态也随之不断地变化。 河床演变：在天然状况下或人类活动的干扰后，河床形态的不断变化， 称为河床演变。 河床演变是水流与河床长期相互作用的结果，并通过泥沙运动来实现。 水流通过泥沙运动塑造河床形态的过程中，水流是最活跃的因素，往往 起主要作用。
a) 垂线流速分布
b）床面泥沙颗粒受力状态
图 6-2 泥沙颗粒周围的水流结构和受力状态
第一节 泥沙运动
颗粒受力分析：
泥沙颗粒的受力可以概括为：推移力Px 、上举力PZ 、重力G和阻力F。 接近床面的水流受到泥沙颗粒的阻挡，在颗粒的迎水面产生向前的冲压力 ；同时，泥沙颗粒附近的水统形成绕流，在颗粒的上方流速加快、压力减 小，与底面产生压力差而形成向上的负压力；在颗粒的背水面，由于绕流 漩涡的作用，使颗粒表面产生了向前的负压力；在泥沙颗粒的下面，由于 水流受阻，产生向上和向前的表面压力。泥沙颗粒表面上的这些水流作用 合成为向前的推移力Px和向上的上举力PZ驱使泥沙颗粒运动。 抗拒泥沙颗粒运动的阻力主要是指颗粒之间的摩擦力，对于细颗粒还存在 颗粒间的粘结力。
图6-3 起动流速与粒径的关系曲线
第一节 泥沙运动
三、沙波运动
沙波的形态与水流强度有密切的关系： 1）弗汝德数Fr很小时，床面出现波纹。 2）弗汝德数Fr增大到一定程度，沙纹成为沙垄。 3）弗汝德数Fr再增大，沙垄成为沙丘。
沙波运动不是泥沙的整体移动，而是泥沙颗粒运动的综合成果。沙波 迎水坡面附近的流速是沿程增大的，使该区域发生冲刷，泥沙颗粒被 冲起后落入背水坡面的漩涡区内，又被水流挟带到背水面的坡脚处停 滞淤积起来，逐渐淤高；这种泥沙颗粒的搬运结果，形成沙波向下游 缓慢地移动。 桥梁墩台处的河床随沙波的运动而变化，直接影响墩台的冲刷深度。 大江大河中沙波尺度是很大的，桥梁墩台及其他河道建筑物基础的埋 臵深度，应计入沙波波谷移到建筑物附近时床面下降的深度。
第一节 泥沙运动
一、泥沙的主要特征
几何特征 河床泥沙是由大小不同、形状各异的泥沙颗粒组成的集合。泥沙的几 何 特性一般用泥沙颗粒的粒径(d)、粒径级配曲线(粒配曲线)、平均粒 径( d )或中值粒径(d50)来表示。 重力特征 泥沙的重力特性用泥沙颗粒实体的单位体积的重力来表示，称为容重 γs(或重度)，单伦为N/m3。另外，干容重γ’也表示沙洋的重力特性，用 单位体积的原状土样中颗粒的重力来表示，γ’越大，泥沙越密实。泥 沙的重度随岩石成分而不同，但实测资料表明其变化不大，一般可采 用26k N/m3。 水力特征 泥沙的水力特性，由泥沙颗粒在静止的清水中均匀下沉的速度来表示 ，称为沉速，符号
图6-5 推移质运动示意图
第一节 泥沙运动
窦国仁根据推动推移质的水流能力与泥沙运动动能相平衡的条件， 导出的输沙率公式为：
3 s K v gs g (v vk ) C0 s g
（6-1-6）
式中：gs——推移质输沙率(kg/s· m)； k0——系数，k0=0.01； C C0——无量纲，谢才系数 C0
黄河下游某段河床的演变
第二节 河床演变和河相关系
一、副流
主流：河道中的水流，受河床壁面的制约和河床走向的影响，决定 了总的流动趋势，与总的流动趋势一致的水流称为主流。 副流：由于过水断面形状的改变或河湾的影响，伴随着主流，在水 流内部形成一种尺度较大的旋转流动，这种从属主流而存在的漩涡 流动称为副流。
第一节 泥沙运动
泥沙受力
起动力
阻力
推移力、上举力
重力、摩擦力、粘结力
泥沙颗粒起动的临界条件，是推动颗拉运动的各力对支点O的力矩之 和等于抗拒颗粒运动的各力对支点O的力矩之和。
第一节 泥沙运动
起动流速的计算：
起动流速是床面泥沙颗粒在各种外力的作用下，失去平衡，泥沙开 始运动时的水流垂线平均流速(m/s)，常用公式有张瑞瑾导出的起动 流速公式和沙玉清建立的起动流速公式。 张瑞瑾公式：
第一节 泥沙运动
图6-1 粒径级配曲线
第一节 泥沙运动
3）平均粒径和中值粒径：平均粒径和中值粒径都可以作为沙样的 代表粒径。 平均粒径：沙样中各级粒径(重量)的加权平均值。沙样平均粒径的 n 计算公式为：
d
d p
i 1 n i
i
p
i 1
（6-1-1）
i
di—各级粒径，若用筛分法格局筛径将沙样分为几组，di为上下两 级筛孔的均值； pi—各级泥沙的质量(或重量)。 中值粒径d50，是沙样中大于和小于这种粒径的泥沙质量(或重量)各 占一半的那种粒径，可从沙样的粒配曲线上查得。
第一节 泥沙运动
图6-4 天然河流中的沙波
第一节 泥沙运动
四、推移质输沙率
沙波运动是推移质运动的主要形成，而推移质输沙率的大小，反映了推 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，通过的推移 质质量，单位为kg/(s· m)。一般采用以流速为主要参数的推移质输沙率 公式进行计算。 桥梁墩台和丁坝等建筑物附近的冲刷主要与推移质运动有关。推移质运 动如图6-5所示。若水流的垂线平均流速为V，推移质的前进速度为Vs， 推移质的床面层厚度为hs、动密实系数为ms、重度为γs、重力加速度为g ，则推移质输沙率gs为 （6-15）
h 0.14 10 h V0 ( ) (29d 0.000000605 0.72 )0.5 d d
式中：V0——起动流速(m/s) h——水深(m)
（6-1-2）
d——粒径(m)
第一节 泥沙运动
沙玉清公式：
(0.7 ) 0.2 0.75 V0 0.43d 1.1 h d