Chapter06-桥梁墩台冲刷计算

4
(1 ) B 2
4
2 hP 1

1 4
Q 2 Q 1
B1 (1 ) B 2
h 1
3 4
考虑单宽流量分布不均匀和集中趋势的影响。
Q 2 hP K Q 1
液性指数 IL W WP IP
1.3
2 3
I p WL－WP
z
1 IL
z
1 e
1 z 0.23 I L
hP
目前粘性土冲止流速经验公式有 则
Qcp L j hp 1.3 1 0.23 IL
5 3
B H
－单宽流量集中系数;
H －平滩水位时的河槽平均水深； B－平滩水位时的河槽宽度；
非粘性土河床冲止流速
z E d hP
1 6
2 3
E－与含沙量 有关的系数， 9.81 N / m 3 , E 0.46; 9.81 98 .1N / m 3 , E 0.66; 98 .1N / m 3 , E 0.86; 查表 6－ ～ 1 d －土壤平均粒径， mm ； h p－一般冲刷深度， m；
4 m1
B1 (1 ) B 2

3 m1
hmax
K 1 0.02 lg
H m ax Hd
m1－指数; H m ax－造床流量（或平滩流量）时的断面最大水深; H－造床流量（或平滩流量）时的断面平均水深;
《公路工程水文勘测设计规范》JTG C30－2002 64－2简化式
则由输沙平衡方程
Q 1 1 Bh 1 1
4
G1 G2
令
4
h 2 hP
Q2 B 2 1 (1 ) B2 hP
(1 ) B 2
64－2公式
Q 1 1 Bh 1 1
Q2 B 2 1 (1 ) B2 hP
Aq－冲刷前桥下计算毛过水面积，m 2； A1－冲刷前易冲刷部分的过水面积，m 2；
A 2－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；
包氏公式没有考虑土质因素和计及单宽流量集中 情况，只适用于平原或山区的稳定性河段。
3 桥墩局部冲刷计算
C
3.1 桥墩冲刷机理
冲刷深度h
对均匀沙床面，当桥墩 动床冲刷深度 上游行近流速v增大到始冲 流速v0,时，桥墩迎面两侧的 A 泥沙开始冲走，产生冲刷。 v v0‘ v0 若增大值小于床沙起动流速 行近流速 v0 时，床面无泥沙运动，桥 墩冲刷坑没有上游泥沙补给， 在清水冲刷阶段，当流速趋于泥沙 则为清水冲刷。若行近流速 超过床沙起动流速v0 ，床面 起动流速时，冲刷趋于停止，在动床冲 流沙处于运动状态，上游泥 刷阶段，当冲刷坑内泥沙补给率和输出 沙落入冲刷坑内补给，则为 率平衡时，冲刷趋向停止，此称为平衡 冲刷。 动床冲刷。
b） 无粘性河滩
htP qtm
m ax
qtm
QtP htm Ltj ht

5 6
5 3
m ax H htP
1
6 5
Q tp htp Ltj H 1
htm ht

5 3
Qtp
1. 墩台冲刷类型
河床自然演变冲刷：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。调查统计分析确定。 桥下断面一般冲刷：建桥后压缩水流在桥下河床全断面发 生的冲刷现象。 墩台局部冲刷：水流因墩台阻挡，在墩台附近发生的冲刷 现象。
局部冲刷深度hb ：局部冲刷达到冲淤平衡时冲刷坑的最 大深度。
h－桥下断面平均水深；
－桥孔侧收缩系数；
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越强和偏大， 即实际最大单宽流量将大于上计算值。
q pm qm ax
QcP hm ax L j h
0.15
zc
1 3 h 5 0.33 I P L
河滩
Q htm tp Ltj h t htp 1 0.33 I L

tz
1 1 h 6 0.33 I tP L

0.23 0.19 lg d
－一般冲刷后墩前行近流速，m/s;
‘ 0－墩前河床泥沙的起冲流速，m/s;
0－河床泥沙起动流速，m/s;
d－河床泥沙的平均粒径，mm;
2－指数
3.2 无粘性土河床桥墩局部冲刷计算
《公路工程水文勘测设计规范》JTG C30－2002 65－1修正式
Qt Qt Qc
QP
htp－桥下河滩一般冲刷深 度； htm－河滩最大水深； h t －河滩平均水深； L tj－河滩桥孔净长； Qtp－桥下河滩部分的计算 流量; H1 －非粘性土壤水深为 1m的容许不冲刷流速 , 查表 6－2；
2.2 粘性土河床
塑性指数
粘性土：平均粒径小于0.05mm的泥沙。
Hale Waihona Puke Baidu） 无粘性河槽
64－1公式
水力学连续原理
根据水流连续性方程 则
Q A
hP
q m ax
z
qm ax－桥下断面最大单宽流量;
z－冲止流速；
hP－一般冲刷停止时桥下最大水深，出现在最大单宽流量q m ax处;
对宽浅式河渠，水力半径R可近似按断面平均水深计算
C 1 n R
1 6
1 n
1 6
h
A Lj h
QcP AC hi
q QcP i n h
L j i
n
5 3
5 3
h
L j
qm ax
5 3
i n
5 3
hm ax
5 3
则
qm ax
QcP hm ax q L j h
hm ax h
QcP－桥下河槽部分的计算流量; L j－河槽部分桥孔净长;
2.3 包尔达可夫公式 均质土
h p Ph
h p－一般冲刷深度，m； h－冲刷前垂线深度，m； P－冲刷系数；
无导流堤时的桥台偏斜冲刷深度
h h ' P (hmax h) h P hmax
2.3 包尔达可夫公式
岩土河床易冲土壤部分的冲刷深度
h"
P
PAq A2 A1
0.66
Q 2 hP 1.04 Q c
0.9
Bc (1 ) B cg

hcm
B c－天然状态下河槽宽度 ，m; B cg－桥长范围内的河槽宽 度， 当河槽能扩宽至全桥时 取用桥孔总长度 ; Q 2 天然状态下桥下河槽部 分设计流量， m 3 / s; Q c 桥下断面河槽通过流量 ，m 3 / s; hcm 河槽最大水深， m; hcq 桥下河槽平均水深， m; －单宽流量集中系数， 山前变迁、游荡、宽滩 河 段通常限用1.8, 对河滩，单宽流量无再 分现象取1
hP
q m ax
z
q pm qm ax
1 6
QcP hm ax L j h
2 3
5 3
z E d hP
Q2 hp B E d cj
3 5
Q cP hp L E d j
3 5
hm ax h
Qcp L j hp 1 0.22 I L e
1 z 0.22 I L 3e
1.3
5

1.15
hP
2 3
hm ax h
0.5
2
2.4
0 0.28 (d 0.7)
'
K
2
0.0023
2.2
0.375d
d
h b－桥墩局部冲刷深度，m;
2
0 0.12 (d 0.5)
0.5
K －墩形系数； B1－桥墩计算宽度，m;
K －河床颗粒的影响系数；
0 2
2.2 粘性土河床 《公路工程水文勘测设计规范》JTG C30－2002 推荐公式
河槽
hcp
Q h cp m ax Lcj h 1 0.33 IL
5 3
5 3

6 7
5 8
4
g s1 11
4
1
Q1 B1 h 1
1－上游天然河道河槽流速，m / s；
B1－上游天然河道河槽河宽，m ；
h 1－上游天然河道河槽平均水深，m ；
故
Q 1 G1 1 Bh 1 1
B 1
4
64－2公式
桥下断面的排沙量
G2 g s 2 Q 2 4 B2 j＝ 2 2 B2 j＝ 2 B h 2j 2 Q 2 B B 2 2j 2j B2 j h 2
B cj－桥下河槽部分桥孔过水净宽，m，当桥下河槽扩宽至全桥时，取全桥桥孔过水净宽；
A） 无粘性河槽
64－2公式
输沙平衡原理
推移质的输沙率gs:指单位时间单位河宽通过推移质的 质量，kg/m·s。
gs
则上游天然河道的来沙量
1－上游天然河道比例系数;
Q1－上游天然河道河槽流量，m 3 / s;
清 水 B 冲 刷
动床冲刷
3.2 无粘性土河床桥墩局部冲刷计算
《公路工程水文勘测设计规范》JTG C30－2002 65－2式
当 0
当 0
' 0 hb K K B10.6 h0.15 p 2 0 ' 0 hb K K B10.6 h0.15 p 2 0
1 6

3 5
hm ax h
《公路工程水文勘测设计规范》JTG C30－2002 64－1修正公式
h cm h cq
1 6
Q2
Qc Qc Qt1
Q2－桥下河槽部分通过的设计流量，m 3 / s,当桥下河槽能扩宽至全桥时取用Q p ; Q P －频率为P％的设计流量，m 3 / s； Qc －天然状态下河槽部分设计流量，m 3 / s； Qt1 －天然状态下桥下河滩部分设计流量，m 3 / s； hcm－河槽最大水深，m； hcq－桥下河槽平均水深，m；
4 4
B2 j (1 ) B2
2－桥下断面比例系数 ;
Q2－桥下断面河槽通过流 量，m 3 / s;
2－桥下断面河槽流速， m / s；
B2－桥下断面河槽宽度， m；
h 2 －桥下断面平均水深， m； －桥墩水流侧向压缩系 数； －设计水位下，桥墩阻 水总面积与桥下过水面 积的比值；
Hydrology of Bridge & Culvert
Chapter 6 桥梁墩台冲刷计算
PhD / Professor
Mingwu WANG
School of Civil Engineering Hefei University of Technology
Chapter 6 桥梁墩台冲刷计算
1.2 大中桥设计一般规定
2 桥下一般冲刷深度
一般冲刷深度hp：一般冲刷停止时的桥下铅直水深。（河 床在一般冲刷完成后从设计水位算起的 某一垂线水深。） 一般冲刷深度计算现主要按经验公式计算，常用 有64－1公式、64－2公式和包尔达可夫公式。 2.1 无粘性土河床 A） 河槽 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。