第十三章 桥梁墩台冲刷计算

13-4 墩台局部冲刷深度
墩台局部冲刷深度hb——冲刷坑外缘与冲刷 坑底的最大深度。 决定冲刷坑深度的主要因素
水深
假定局部冲刷是在一般冲刷完成后进行的，应取一 般冲刷深度作为行近水深。
墩前水流的行进流速
计算桥墩局部冲刷时，应根据所采用的一般冲刷公 式，选用其对应的行近流速公式。
I P WL WP
1 vz IL
IL
W0 WP IP
（13-9）
1 vz e
22
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13-3 桥下断面一般冲刷深度
冲止流速经验公式
3 1 5 河槽： vz 0.33 I hp L
1 1 6 河滩： vz 0.33 I e hp L
（13-5）
20
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13-3 桥下断面一般冲刷深度
非黏性土河滩
vmax v h
qt max htp vmax
1 5 H 1 tp
5
（13-7）
QtP ht max 3 qt max ( ) Ltj ht
Q h tP . t max Ltj h t htp vH 1
24
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13-3 桥下断面一般冲刷深度
计算式
Q1 G1 B1 g s1 B v 1 B1 B h 1 1
4 1 1 1 4
h 2 hp，得： 令G1＝G2，
1 4
Q2 4 G2 B2 j g s 2 2 B2 j v2 2 B2 B h2 2j
平均粒径
d
d P
i i
P
i
（9-20）
中值粒径——大于和小于该粒径的泥沙质量（或重量） 各占一半。 重力特性 泥沙颗粒实体的单位体积的重力，即重度。 一般平均为26kN/m³ 。 水力特性 沉降速度——泥沙颗粒在静止的清水中均匀下沉的速度。
4
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5 3 5 6
（13-6）
一般冲刷深度
（13-8）
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13-3 桥下断面一般冲刷深度
粘性土河床
塑限Wp：粘性土由半固态向可塑态过渡时的含水量。 流限WL：由可塑态向流态过渡时的含水量。
塑性指数Ip：流限与塑限之差。
液性指数IL：天然含水量与塑限的差值与塑性指数 的比值。
推移质输沙率与流速4次方成正比，因此，大多数 推移质集中在流速最大的主流区内，而且一年中推 移质的很大部分是在几次大洪水过程中通过的。
8
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13-1 河流的泥沙运动与河床演变
含沙量——单位体积内水流中所含悬移质的重 量。 挟沙力——在一定的水力条件和边界条件下， 单位体积的水流能够挟带泥沙的最大重量。
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悬移质——颗粒较细的泥沙被水流带起，悬浮于水中 向下游运动 。 推移质——颗粒稍大的泥沙，在床面上滚动、滑动或 跳跃着间歇性地向下游移动。 床沙——下沉到河床床面静止不动的泥沙 。
泥沙的主要特性
几何特性 一般用泥沙颗粒的直径（粒径d）、粒径级配曲线、 平均粒径或中值粒径（d50）来表示。
（13-3）
qmax
QcP Lj
hmax h
5 3
（13-2）
冲止流速
非黏性土河槽
vz Ed h
QcP hp 1 L Ed 6 j
1 6
2 3 p
3 5
（13-4）
一般冲刷深度
hmax h
0.90
B1 (1 ) B 2
0.66
hmax
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13-3 桥下断面一般冲刷深度
包氏公式
包氏理论
当桥下流速达到天然河槽流速时，桥下冲刷即停止， 而且在同一垂线处，冲刷后的深度与冲刷前的深度 成正比。
计算式
定义：桥下河床全断面发生的冲刷现象。
一般冲刷原理 建桥后，由于断 面压缩使过水断面 变小，流速加快， 水流夹沙能力增强， 从而产生的冲刷。
（图 13-1）
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13-2 墩台冲刷类型
墩台局部冲刷
定义：水流受墩台阻挡，在墩台附近局部范围 内发生的冲刷现象。
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13-3 桥下断面一般冲刷深度
一般冲刷深度hp
定义：一般冲刷完成后从设计水位算起的桥下最大铅垂 水深。
64-1公式（冲止流速公式）
冲止流速vz——桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速。 冲止流速理论：桥下断面内的任一垂线流速都会由于桥 梁墩台对河床的压缩而提高，此时将发生一般冲刷。随 着冲刷的发展，垂线深度加大，垂线平均流速降低。当 垂线平均速度降低到该垂线的冲止流速时，一般冲刷停 止。
7
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13-1 河流的泥沙运动与河床演变
输沙率、含沙量与挟沙力
推移质输沙率——单位时间内在过水断面单位河槽 宽度上，通过的推移质的重量。
反映推移质运动的强烈程度。
窦国仁公式
k0 s v3 gb 2 (v v0 ) C0 s g
河床地质、土质条件、河床比降。
河相关系
河相关系——描述河床均衡形态的几何因素（河宽 B、 平均水深 h、比降 i、弯道半径 R 等）与来水、来沙条 件（Q、d 等）存在的对应关系。 造床流量——与多年连续造床作用相当的某个流量数 值。 稳定河宽公式
Q 0.5 B 0.2 i
γs γ 10 h 7 d 6.05 10 0.72 17.6 γ d
5
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13-1 河流的泥沙运动与河床演变
沙波运 动形式 示意图
6
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13-1 河流的泥沙运动与河床演变
天然河流中的沙波
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第十三章 桥梁墩台冲刷计算
13-1 13-2 13-3 13-4 13-5 河流的泥沙运动与河床演变 墩台冲刷类型 桥下断面一般冲刷深度 墩台局部冲刷深度 桥下河槽最低冲刷线
1
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13-1 河流的泥沙运动与河床演变
泥沙分类
4
B2 j 1 B2
Q B1 hp 2 2 h1 1 Q1 1 B2
3 4
25
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13-3 桥下断面一般冲刷深度
考虑单宽流量的分布不均匀、河床的特征和实 测的资料，得
13-1 河流的泥沙运动与河床演变
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。 泥沙起动的受力分析
起动流速v0：床面泥沙颗粒在各种外 力作用下，失去平衡，泥沙开始运动 时的水流垂线平均流速。 张瑞瑾公式 （图9-21）
0.5
h v0 d
0.14
桥孔净长Lj——桥长扣除全部桥墩宽度后的长度。
河床的粗化
在冲刷河段内，床沙中的细颗粒泥沙被水流冲走， 粗颗粒泥沙慢慢沉下来，河床表面层的泥沙粒径逐 渐增大，形成自然铺砌的现象。
9
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13-1 河流的泥沙运动与河床演变
河床演变
河床演变——在天然状况下或人类活动的干扰后，河 床形态逐渐的变化。 河床演变的基本原理
2
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13-1 河流的泥沙运动与河床演变
粒径——与泥沙颗粒同体积的球体直径，即等容直径。
测量方法：筛分法、水析法、直接量测长短轴
粒径级配曲线：表明沙样颗粒的大小和均匀程度。
（图 9-16）
3
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13-1 河流的泥沙运动与河床演变ຫໍສະໝຸດ Baidu
13-2 墩台冲刷类型
规范C30的一般规定：
14
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13-2 墩台冲刷类型
河床自然演变冲刷
定义：河床在水力作用及泥沙运动等因素影响 下自然发育过程造成的冲刷现象。 规范C30条文
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13-2 墩台冲刷类型
桥下断面一般冲刷
5 3
6 7
23
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13-3 桥下断面一般冲刷深度
64-2公式（输沙平衡公式）
输沙平衡理论
当上游天然河道的来沙量大于桥下河槽断面的排沙 量时，桥下断面出现淤积。
当上游天然河道的来沙量小于桥下河槽断面的排沙 量时，桥下断面出现冲刷。
当上游天然河道的来沙量等于桥下河槽断面的排沙 量时，桥下断面出现冲淤平衡，一般冲刷达到最大 值。
水流输沙不平衡引起河床演变 水流通过泥沙运动塑造河床形态，是最活跃的因素，起主导作 用。
副流的存在是河床冲淤变形的直接原因。
影响河床演变的主要自然因素
上游来水条件，即流量的大小和变化。
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13-1 河流的泥沙运动与河床演变
上游来沙条件，即上游来沙量及其粒径组成。
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13-3 桥下断面一般冲刷深度
连续性方程
q max hp vz
对宽浅式河渠，水力半径约等于平均水深
1 L j i 5 1 6 QP AC Ri (L j h) ( R ) Ri h3 n n
（12-17）
5
QP i 5 q h3 L j n
QP i 3 qmax hmax L j n
q max
Q[ P ] hmax 5 q( ) ( )3 L j h h hmax
19
5 3
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13-3 桥下断面一般冲刷深度
考虑单宽流量向深槽集中的趋势
B H
0.15
（9-25）
11
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13-1 河流的泥沙运动与河床演变
河槽宽度与水深的关系
B h
（9-24）
单宽流量集中系数

0.15
B H
0.15
（13-3）
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13-2 墩台冲刷类型
概述
64-2式：
Q hp K 2 Q1 K 1 0.02lg
4 m1
B1 1 B 2
3m1
H max Hd
hmax
（13-20）
Q2 h 1 . 04 64-2简化式： p AQ 1
均质河床： hp Ph （13-21） PA A 非均质河床，易冲土壤部分： hp q 2 （13-23） A1 h 无导流堤时桥台偏斜冲刷深度： hp P h h h max
hmax
（13-22）
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河滩：
一般冲刷深度
河槽：
hmax QcP Lj h hp 0.33 1 IL
5 3
（13-13）
5 8
Q h cP t max L j ht htp （13-14） 0.33 1 I e L
河道中水流驱使床面泥沙运动，泥沙运动后的 床面形态又影响水流结构，水沙运动相互依存， 相互影响，永恒变化。 桥梁设计中，必须合理地预估桥梁使用期间墩 台周边的冲刷，为确定墩台基础最小埋置深度 提供依据
桥梁墩台冲刷是桥梁水毁的直接原因，对桥梁 安全的危害极大。
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