第十三章_桥梁墩台冲刷计算
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2013-7-27
桥墩局部冲刷的水流结构示意图
h
2013-7-27
与桥墩局部冲刷深度有关的主要因素：
1、冲向桥墩的流速 2、桥墩的宽度 3、桥墩型式 4、水深 5、床沙粒径
2013-7-27
桥墩的局部冲刷
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，剧烈掏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，水流挟沙能力随之喊弱， 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 冲作用也趋向平衡，冲刷随之停止，局部冲刷坑达 到最深。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。
2013-7-27
床面开始冲刷时的流速，称为床沙起冲流速， 以v0’表示 床面泥沙起动时的流速，称为床沙起动流速， 以v0表示 冲刷停止时的垂线平均流速，称为冲止流速， 以vz表示
2013-7-27
桥墩的局部冲刷
冲刷深度与行近流速关系
2013-7-27
§13.2 桥下断面一般冲刷深度
一般冲刷深度：通常用冲刷停止时桥下的垂线水
深来表示 尚无成熟理论，主要按经验公式（64-1； 64-2；）或包尔达可夫公式计算 64-1公式、64-2公式为1964年全国桥渡冲刷学 术会议推荐试用，1991年《公路桥位勘测设计规 范》正式作为推荐公式，《公路工程水文勘测设 计规范》（JTG C30-2002）采用简化式。
2013-7-27
64-1公式3个： 非粘性土河槽 非粘性河滩 粘性土河床
Bz — —造床流量下的河槽宽度（m）， 对复式河床可取平滩水位时河槽宽度；
— —设计水位下，在Bcg宽度范围内，
桥墩阻水总面积与过水面积的比值；
2013-7-27
— —桥墩水流侧向压缩系数，按表7.3.1 1确定；
hcm — —河槽最大水深（m）；
Ad — —单宽流量集中系数，山前变迁、游荡、宽滩河段 当Ad 1.8时，Ad 值可采用 .8 1
3 m1
hmax
13 - 20
K 1 0.02 lg
H max Hd
2013-7-27
64-2 公式：基于输沙平衡理论
适用于 非粘性土河槽
规范：64-2 简化式
Q2 h p 1.04 Ad Q c
0.90 0.66
Bc 1 B cg
A1 — —冲刷前易冲刷部分的过水面积（m ）
A2 — —冲刷后不可冲刷部分， 表层可冲土壤被冲去后的毛过水面积（m 2）
2013-7-27
§13.3 墩台局部冲刷深度
墩台局部冲刷深度：墩台周围因水流冲刷 形成的冲刷坑最大深度。
墩台局部冲刷原因：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 面附近形成旋涡，剧烈淘刷桥墩迎水端和 周围的泥沙，形成局部冲刷坑。
H z — —造床流量下的河槽平均水深（m），对复式河床可取 平滩水位时河槽平均水深。
2013-7-27
§13.2.3 包尔达可夫公式
包尔达可夫按别列柳伯斯基假定建
立的一般冲刷公式；只适用于稳定性河
段（没有考虑土质因素和单宽流量集中 情况）
2013-7-27
1、均质河床：
hP Ph
hP — —一般冲刷深度
§13 桥梁墩台冲刷计算
§13.1 墩台冲刷类型
大中桥水力计算的三大基本内容： 桥长、桥面最低 标高、墩台基础最小埋置深度。 一、河床自然演变冲刷： h 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 h 二、桥下断面一般冲刷： p 桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流挟沙能力 也随之增大，引起断面河床冲刷的现象 三、墩台局部冲刷：hb 水流受墩台阻挡，在墩台附近发生的冲刷现象
2）64-1修正式
Qcp hmax hp 16 L j Ed h
Q2 hcm Ad Bcj hcq hp 16 Ed
53
2013-7-27
35
K 2
2013-7-27
0.0023 0.375d 0.24 2.2 d
式中：
K 2 — —河床颗粒影响系数；
n 2 — — 指数。
2013-7-27
粘性土河床桥墩局部冲刷可按下式计算：
hP 1 当 2.5时，hb 0.83K B10.6 I L.25V B1
hP 0.6 0.1 1.0 当 2.5时，hb 0.55K B1 hP I L V B1
2013-7-27
桥墩的局部冲刷
桥墩局部冲刷的机理
2013-7-27
第四节 桥墩的局部冲刷
桥墩局部冲刷的机理
2013-7-27
桥墩的局部冲刷
冲刷深度与行近流速关系 桥墩局部冲刷深度与冲向桥墩的水流速度(以垂线平 均流速表示)有关。当速度V增大到一定程度时，桥 墩迎水面两侧的泥沙首先被水流冲走，床面开始冲 刷，此时冲向桥墩的水流行近流速（垂线平均流速） 称为桥墩起冲流速v’0。桥墩起冲流速v’0一般为床沙 起动流速v0的0.4～0.6倍。 流速小于v0 的冲刷为清水冲刷，大于v0 的为动床 冲刷。
2013-7-27
桥墩的局部冲刷
冲刷深度与行近流速关系
2013-7-27
桥墩的局部冲刷
冲刷深度与行近流速关系
2013-7-27
一般冲刷深度与局部冲刷深度的区别：
1、一般冲刷深度是从设计水位至一般冲刷线 的最大深度 2、局部冲刷深度是从一般冲刷线至冲刷坑底 的最大深度
2013-7-27
《公路桥位勘测设计规范》JTGC30-2002 推荐的65-1，65-2修正后的新公式
htm — —桥下河滩最大水深（m）；
htq — —桥下河滩平均水深（m）；
Btj — —河滩部分桥孔净长（m）；
VH 1 — —河滩水深1m时非粘性土不冲刷流速（m / s）， 可按表7.3.1 3选用。
2013-7-27
2013-7-27
64-1：粘性土河床
一、河槽部分
Q2 hcm Ad Bcj hcq hp 1 0.33 I L
h — —冲刷前的垂线水深
P — —冲刷系数
2013-7-27
2、无导流堤时桥台偏斜冲刷深度
h h P (hmax h) h hmax
' P
2013-7-27
3、岩土河床易冲土壤部分的冲刷深度
h
'' P
PAq A2 A1
2
2
Aq — —冲刷前桥下毛过水面积（m ）
二、非粘性土河滩
Q h 1 tm Btj htq hp VH 1
53
56
7.3.1 5
Qt1 Q1 Qp Qc Qt1
2013-7-27
(7.3.1 6)
式中：
Q1 — —桥下河滩部分通过的设计流量（m 3 / s）；
2013-7-27
桥墩的局部冲刷
冲刷深度与行近流速关系 根据模型试验和观测资料可知，桥墩局部冲刷深度 与涌向桥墩的流速V有关。 当V逐渐增大到一定数值时，桥墩迎水面两侧的泥沙 开始被冲走而产生冲刷，此时涌向桥墩的垂线平均 流速称为墩旁床沙的起冲流速v’0。 当v大于V’0 （V表示河床泥沙的起动流速)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， 当V增大到V。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。
hcm
7.3.1 - 1
Qc Q2 Qp Qc Qt1
2013-7-27
7.3.1 2
Bz Ad Hz
0.15
7.3.1 3
式中：
h p — —桥下一般冲刷后的最大水深（m）；
Q p — —频率为P%的设计流量（m 3 / s） ；
hb K K 2 B h
0.6 0.15 1 P
当V V0
VV V 0
' 0
n2
2013-7-27
V0 0.28d 0.7
V 0.12d 0.5
' 0
0.5
0.55
V0 n2 V
0.23 0.19 lg d
13 5
35
7.3.1 4
式中：
即为全桥桥孔过水净宽；
Bcj — —河槽部分桥孔过水净宽（m），当桥下河槽能扩宽至全桥时，
hcq — —桥下河槽平均水深（m）；
d — —河槽泥沙平均粒径（mm）；
E — —与汛期含沙量有关的系数，可按表7.3.1 2选用。
2013-7-27
2013-7-27
V0 — —河床泥沙起动流速（m / s）；
V — —墩前泥沙起冲流速（m / s）；
' 0
V — —一般冲刷后墩前行近流速（m / s）， 按规范7.4.4条规定计算；
d — —河床泥沙平均粒径（mm）；
n1 — —指数。
2013-7-27
2、65-2公式
当V V0 V V0' 0.6 0.15 hb K K 2 B1 hP V 0
V0
V0 n1 V
2013-7-27
0.25d 0.19
式中：
K1 — —河床颗粒影响系数；
K — —墩形系数，可按附录表格选用；
hb — —桥墩局部冲刷深度（m）；
B1 — —桥墩计算宽度（m）；
Байду номын сангаас
2013-7-27
墩型系数表
2013-7-27
墩型系数表
2013-7-27
53
58
7.3.2 1
（13-13）
2013-7-27
式中：
Ad — —单宽流量集中系数，取1.0～1.2；
I L — —冲刷坑范围内粘性土液性指数， 适用范围0.16～1.19。
2013-7-27
二、河滩部分
Q h 1 tm Btj htq hp 0.33 1 I L
一、非粘性土河床的局部冲刷深度 1、65-1修正式
(1)、 当V V0时，hb K K B (V V )
0.6 1 1 ' 0
V V (2)、 当V V0时，hb K K1 B (V0 V ) ' V V 0 0
0.6 1 ' 0 ' 0
n1
2013-7-27
K1
1 1 0.8 0.45 0.15 d d
0.14
hP V0 0.0246 d
d V 0.462 B 1
' 0
10 hP 332d 0.72 d
0.5
0.06
一、非粘性土河槽 基本假定：当河槽断面流速等于冲止流 速时，桥下一般冲刷随即停止，且一般冲 刷深度达到最大，由此有，
2013-7-27
qmax qmax hp V Vz
h p — —桥下一般冲刷深度
(13 1)
qmax — —桥下断面最大单宽流量
V — —水流速度
Vz — —冲止流速
2013-7-27
53
67
7.3.2 2
（13-14）
2013-7-27
64-2 公式：基于输沙平衡理论
适用于 非粘性土河槽
64-2 公式（p139）：
Q2 hp K Q 1
4 m1
Bc 1 B 2
当河槽能扩宽至全桥时取用Q p；
2013-7-27
Q2 — —桥下河槽部分通过的设计流量（m 3 / s），
Qc — —天然状态下河槽部分设计流量（m / s）；
3
3
Qt1 — —天然状态下桥下河滩部分设计流量（m / s）；
Bcg — —桥长范围内的河槽宽度（m）， 当河槽能扩宽至全桥时取用桥孔总长度；
桥墩局部冲刷的水流结构示意图
h
2013-7-27
与桥墩局部冲刷深度有关的主要因素：
1、冲向桥墩的流速 2、桥墩的宽度 3、桥墩型式 4、水深 5、床沙粒径
2013-7-27
桥墩的局部冲刷
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，剧烈掏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，水流挟沙能力随之喊弱， 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 冲作用也趋向平衡，冲刷随之停止，局部冲刷坑达 到最深。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。
2013-7-27
床面开始冲刷时的流速，称为床沙起冲流速， 以v0’表示 床面泥沙起动时的流速，称为床沙起动流速， 以v0表示 冲刷停止时的垂线平均流速，称为冲止流速， 以vz表示
2013-7-27
桥墩的局部冲刷
冲刷深度与行近流速关系
2013-7-27
§13.2 桥下断面一般冲刷深度
一般冲刷深度：通常用冲刷停止时桥下的垂线水
深来表示 尚无成熟理论，主要按经验公式（64-1； 64-2；）或包尔达可夫公式计算 64-1公式、64-2公式为1964年全国桥渡冲刷学 术会议推荐试用，1991年《公路桥位勘测设计规 范》正式作为推荐公式，《公路工程水文勘测设 计规范》（JTG C30-2002）采用简化式。
2013-7-27
64-1公式3个： 非粘性土河槽 非粘性河滩 粘性土河床
Bz — —造床流量下的河槽宽度（m）， 对复式河床可取平滩水位时河槽宽度；
— —设计水位下，在Bcg宽度范围内，
桥墩阻水总面积与过水面积的比值；
2013-7-27
— —桥墩水流侧向压缩系数，按表7.3.1 1确定；
hcm — —河槽最大水深（m）；
Ad — —单宽流量集中系数，山前变迁、游荡、宽滩河段 当Ad 1.8时，Ad 值可采用 .8 1
3 m1
hmax
13 - 20
K 1 0.02 lg
H max Hd
2013-7-27
64-2 公式：基于输沙平衡理论
适用于 非粘性土河槽
规范：64-2 简化式
Q2 h p 1.04 Ad Q c
0.90 0.66
Bc 1 B cg
A1 — —冲刷前易冲刷部分的过水面积（m ）
A2 — —冲刷后不可冲刷部分， 表层可冲土壤被冲去后的毛过水面积（m 2）
2013-7-27
§13.3 墩台局部冲刷深度
墩台局部冲刷深度：墩台周围因水流冲刷 形成的冲刷坑最大深度。
墩台局部冲刷原因：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 面附近形成旋涡，剧烈淘刷桥墩迎水端和 周围的泥沙，形成局部冲刷坑。
H z — —造床流量下的河槽平均水深（m），对复式河床可取 平滩水位时河槽平均水深。
2013-7-27
§13.2.3 包尔达可夫公式
包尔达可夫按别列柳伯斯基假定建
立的一般冲刷公式；只适用于稳定性河
段（没有考虑土质因素和单宽流量集中 情况）
2013-7-27
1、均质河床：
hP Ph
hP — —一般冲刷深度
§13 桥梁墩台冲刷计算
§13.1 墩台冲刷类型
大中桥水力计算的三大基本内容： 桥长、桥面最低 标高、墩台基础最小埋置深度。 一、河床自然演变冲刷： h 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 h 二、桥下断面一般冲刷： p 桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流挟沙能力 也随之增大，引起断面河床冲刷的现象 三、墩台局部冲刷：hb 水流受墩台阻挡，在墩台附近发生的冲刷现象
2）64-1修正式
Qcp hmax hp 16 L j Ed h
Q2 hcm Ad Bcj hcq hp 16 Ed
53
2013-7-27
35
K 2
2013-7-27
0.0023 0.375d 0.24 2.2 d
式中：
K 2 — —河床颗粒影响系数；
n 2 — — 指数。
2013-7-27
粘性土河床桥墩局部冲刷可按下式计算：
hP 1 当 2.5时，hb 0.83K B10.6 I L.25V B1
hP 0.6 0.1 1.0 当 2.5时，hb 0.55K B1 hP I L V B1
2013-7-27
桥墩的局部冲刷
桥墩局部冲刷的机理
2013-7-27
第四节 桥墩的局部冲刷
桥墩局部冲刷的机理
2013-7-27
桥墩的局部冲刷
冲刷深度与行近流速关系 桥墩局部冲刷深度与冲向桥墩的水流速度(以垂线平 均流速表示)有关。当速度V增大到一定程度时，桥 墩迎水面两侧的泥沙首先被水流冲走，床面开始冲 刷，此时冲向桥墩的水流行近流速（垂线平均流速） 称为桥墩起冲流速v’0。桥墩起冲流速v’0一般为床沙 起动流速v0的0.4～0.6倍。 流速小于v0 的冲刷为清水冲刷，大于v0 的为动床 冲刷。
2013-7-27
桥墩的局部冲刷
冲刷深度与行近流速关系
2013-7-27
桥墩的局部冲刷
冲刷深度与行近流速关系
2013-7-27
一般冲刷深度与局部冲刷深度的区别：
1、一般冲刷深度是从设计水位至一般冲刷线 的最大深度 2、局部冲刷深度是从一般冲刷线至冲刷坑底 的最大深度
2013-7-27
《公路桥位勘测设计规范》JTGC30-2002 推荐的65-1，65-2修正后的新公式
htm — —桥下河滩最大水深（m）；
htq — —桥下河滩平均水深（m）；
Btj — —河滩部分桥孔净长（m）；
VH 1 — —河滩水深1m时非粘性土不冲刷流速（m / s）， 可按表7.3.1 3选用。
2013-7-27
2013-7-27
64-1：粘性土河床
一、河槽部分
Q2 hcm Ad Bcj hcq hp 1 0.33 I L
h — —冲刷前的垂线水深
P — —冲刷系数
2013-7-27
2、无导流堤时桥台偏斜冲刷深度
h h P (hmax h) h hmax
' P
2013-7-27
3、岩土河床易冲土壤部分的冲刷深度
h
'' P
PAq A2 A1
2
2
Aq — —冲刷前桥下毛过水面积（m ）
二、非粘性土河滩
Q h 1 tm Btj htq hp VH 1
53
56
7.3.1 5
Qt1 Q1 Qp Qc Qt1
2013-7-27
(7.3.1 6)
式中：
Q1 — —桥下河滩部分通过的设计流量（m 3 / s）；
2013-7-27
桥墩的局部冲刷
冲刷深度与行近流速关系 根据模型试验和观测资料可知，桥墩局部冲刷深度 与涌向桥墩的流速V有关。 当V逐渐增大到一定数值时，桥墩迎水面两侧的泥沙 开始被冲走而产生冲刷，此时涌向桥墩的垂线平均 流速称为墩旁床沙的起冲流速v’0。 当v大于V’0 （V表示河床泥沙的起动流速)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， 当V增大到V。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。
hcm
7.3.1 - 1
Qc Q2 Qp Qc Qt1
2013-7-27
7.3.1 2
Bz Ad Hz
0.15
7.3.1 3
式中：
h p — —桥下一般冲刷后的最大水深（m）；
Q p — —频率为P%的设计流量（m 3 / s） ；
hb K K 2 B h
0.6 0.15 1 P
当V V0
VV V 0
' 0
n2
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V0 0.28d 0.7
V 0.12d 0.5
' 0
0.5
0.55
V0 n2 V
0.23 0.19 lg d
13 5
35
7.3.1 4
式中：
即为全桥桥孔过水净宽；
Bcj — —河槽部分桥孔过水净宽（m），当桥下河槽能扩宽至全桥时，
hcq — —桥下河槽平均水深（m）；
d — —河槽泥沙平均粒径（mm）；
E — —与汛期含沙量有关的系数，可按表7.3.1 2选用。
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2013-7-27
V0 — —河床泥沙起动流速（m / s）；
V — —墩前泥沙起冲流速（m / s）；
' 0
V — —一般冲刷后墩前行近流速（m / s）， 按规范7.4.4条规定计算；
d — —河床泥沙平均粒径（mm）；
n1 — —指数。
2013-7-27
2、65-2公式
当V V0 V V0' 0.6 0.15 hb K K 2 B1 hP V 0
V0
V0 n1 V
2013-7-27
0.25d 0.19
式中：
K1 — —河床颗粒影响系数；
K — —墩形系数，可按附录表格选用；
hb — —桥墩局部冲刷深度（m）；
B1 — —桥墩计算宽度（m）；
Байду номын сангаас
2013-7-27
墩型系数表
2013-7-27
墩型系数表
2013-7-27
53
58
7.3.2 1
（13-13）
2013-7-27
式中：
Ad — —单宽流量集中系数，取1.0～1.2；
I L — —冲刷坑范围内粘性土液性指数， 适用范围0.16～1.19。
2013-7-27
二、河滩部分
Q h 1 tm Btj htq hp 0.33 1 I L
一、非粘性土河床的局部冲刷深度 1、65-1修正式
(1)、 当V V0时，hb K K B (V V )
0.6 1 1 ' 0
V V (2)、 当V V0时，hb K K1 B (V0 V ) ' V V 0 0
0.6 1 ' 0 ' 0
n1
2013-7-27
K1
1 1 0.8 0.45 0.15 d d
0.14
hP V0 0.0246 d
d V 0.462 B 1
' 0
10 hP 332d 0.72 d
0.5
0.06
一、非粘性土河槽 基本假定：当河槽断面流速等于冲止流 速时，桥下一般冲刷随即停止，且一般冲 刷深度达到最大，由此有，
2013-7-27
qmax qmax hp V Vz
h p — —桥下一般冲刷深度
(13 1)
qmax — —桥下断面最大单宽流量
V — —水流速度
Vz — —冲止流速
2013-7-27
53
67
7.3.2 2
（13-14）
2013-7-27
64-2 公式：基于输沙平衡理论
适用于 非粘性土河槽
64-2 公式（p139）：
Q2 hp K Q 1
4 m1
Bc 1 B 2
当河槽能扩宽至全桥时取用Q p；
2013-7-27
Q2 — —桥下河槽部分通过的设计流量（m 3 / s），
Qc — —天然状态下河槽部分设计流量（m / s）；
3
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Qt1 — —天然状态下桥下河滩部分设计流量（m / s）；
Bcg — —桥长范围内的河槽宽度（m）， 当河槽能扩宽至全桥时取用桥孔总长度；