第七章 桥墩和桥台冲刷总结

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7.2 河床演变和河相关系
一、副流
平轴副流
通过弯道的水流在重力和离心力的共同作用下，面流流向凹岸，底流流 向凸岸，形成向前流动的螺旋流，如图7-2-3所示。河湾螺旋流的旋转轴方 向与主流流向一致，称为顺轴副流。 螺旋流在横断面上的投影，称为断面横向环流，使凹岸冲刷，凸岸淤积 ；凹岸冲刷在弯道出口断面附近冲刷最深。
7.1 泥沙运动
五、含沙量和携沙能力 含沙量(g)是单位体积内水流中所含悬移质的质量，单位是kg/m3。 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 大数量(质量)，包括悬移质和推移质的全部泥沙数量，称为水流的挟沙能力 。对于颗粒很细的平原区河流，悬栘质占绝大部分，挟沙能力可近似地用最 大含沙量来表示。
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7.1 泥沙运动
四、推移质输沙率
起动流速是推移质运动产生的条件，而推移质运动的强烈程度则用推移 质输沙率来表示； 推移质输沙率是单位时间内在过水断面单位河槽宽度上，通过的推栘质 的质量，单位是kg／s.m。我国桥下河槽一般冲刷计算中，采用了以流速为 主要参数的推栘质输沙率公式。
v3 (v − vk ) gb = 2 ⋅ gω C0 (γ s − γ )
h d
0.14
10 + h 29d + 0.000000605 0.72 d
0.5
0.5
(7-12)
沙玉清
( 0.7 − ε )4 0.75 + 1.1 v0 = 0.43d d
h 0.2
(7-13)
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7.1 泥沙运动
三、沙波运动
凹岸超高：
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7.2 河床演变和河相关系
二、河床演变
河流断面形态的变化。 纵向变形
横向变形 河床演变是水流与泥沙长期 相互作用的结果，并通过泥沙运 动来实现；
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7.2 河床演变和河相关系
二、河床演变 河道输沙不平衡是河床演变的根本原因。当上游来沙量大于本河段的水 流挟沙力时，水流没有能力把上游来沙全部带走，产生淤积，河床升高。当 上游来沙量小于本河段的水流的挟沙力时，便产生冲刷，河床下降。在一定 条件下，河床发生淤积时，淤积速度逐渐减少，直至淤积停止，河床发生冲 刷时，冲刷速度逐渐减低，直至冲刷停止。 河流横断面输沙不平衡，引起河床横向变形。河湾水流受重力和离心 力共同作用，形成螺旋流水流在弯顶及其下游集中沿凹岸流动，凹岸一侧侠 沙能力大，冲刷严重；螺旋流的底流把凹岸泥沙带到下游的凸岸，沉积下来 ，形成河湾凹岸后退、凸岸增长、河湾发展的现象。
K0
γ sγ
式（7-15）表明，推移质输沙率gb与流速4次方成正比，表明推移质输 沙率对流速十分敏感。因此，大多数椎栘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。 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。
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4 m1
B1 µ (1 − λ )B 2
3 m1
hmax
64-2简化公式（1984-1990）
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7.1 泥沙运动
二、泥沙的起动
泥沙起动条件可用起动流速v0和起动床面切应力τ0两种形式来表示。我 国桥梁冲刷计算中，采用起动流速作为判别床面泥沙是静止还是运动状态的 标准。 起动流速就是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（m/s）。 张瑞瑾 v0 =
X1
B1 g s1 = B2 g s 2
B1 hmax B 2
X2
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7.3 桥下河床断面的一般冲刷
一、64-2简化公式——输沙平衡原理
1964年“全国桥渡冲刷学术会议”推荐由交通部科学研究院甘城道研 究员导出的公式为全国试用公式，即
Q2 hP = 1.04 AQ 1
一、64-2简化公式——输沙平衡原理 原理：桥下河槽断面的上游来沙量小于桥下断面的水流 挟沙能力，则发生冲刷。随着冲刷的发生，桥 下断面增大，流速和挟沙能力逐渐减小。当上 游来沙量和桥下排沙量趋于平衡，冲刷趋于停 止，达到最大冲刷深度。 上游断面来沙量G1=下游断面输沙量G2
Q2 hP = K AQ 1
d
中值粒径（d50）
d =
∑ d i Pi
i =1 n
n
∑ Pi
i =1
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7.1 泥沙运动
一、泥沙主要特性
2. 重力特性 泥沙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）。 3. 水力特性 泥沙的水力特性，用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，符号为ω（cm/s）。
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7.1 泥沙运动
二、泥沙的起动
在水流推动下，床面泥沙颗粒由静止开始运动，称为泥沙的起动。泥沙 起动是泥沙运动和河床变形开始的临界状态。 泥沙颗粒的起动，是床面泥沙颗粒受到的驱动力和抗拒力以及这些力产 生的力矩失去平衡的结果。泥沙颗粒周围的水流和受力状态如图7-1-2所示
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7.2 河床演变和河相关系
三、河相关系
造床流量：在为了研究河相关系，引用一个与多年连续综合造床作用相当 的某个流量数值作为代表流量，称为造床流量； 最大洪水流量对河床作用强烈，但历时短，造床作用不是最大；枯水流量 历时长，但流量小，造床作用也不是最大，因而，造床流量应该是一个比较 大，而历时比较长的某一级洪水流量。 桥位设计中，通常采用与平滩水位相应的流量作为造床流量。因为水位升 高、漫滩时，水流分散，造床作用降低；水位低于滩面时，流速较小，造床 作用也不是最强。 对于河滩河槽难以划分的游荡性、变迁性河段，可用多年平均的最大洪水 流量作为造床流量
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7.2 河床演变和河相关系
二、河床演变 影响河床演变的因素是非常复杂的，但对于任何一个河段，影响水流与 河床相互作用的主要因素有如下几个方面： （1）河段的来水量及其变化过程； （2）河段的来沙量、来沙组成及其变化过程； （3）河段的河道比降及其变化过程； （4）河段的河床形态及地质情况。
悬移质、推移质和床沙之间颗粒大小的分界是相对的，是随水流流 速大小而变化的． 对桥梁上下游，因水流急剧变化，引起河床变形和桥墩附近的冲刷 ，起主要作用的是推移质和床沙。
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7.1 泥沙运动
一、泥沙主要特性
1. 几何特性 粒径（d） 颗粒级配曲线 平均粒径
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7.3 桥下河床断面的一般冲刷
河槽一般冲刷hP的计算公式有以下三类： 第一类是按桥下河槽输沙平衡原理建立的64—2简化公式和按垂 线冲止流速建立的64-1修正公式，此类公式用于非粘性土河床 的一般冲刷计算； 第二类是粘性土一般冲刷公式； 第三类是包尔达柯夫公式。
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7.3 桥下河床断面的一般冲刷
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7.2 河床演变和河相关系
河床演变：在天然状况或人类活动的干扰后，河床形态逐 渐的变化。 河床演变是水流与河床的相互作用的结果。 水流推动泥沙 河床变形
水流
副流
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7.2 河床演变和河相关系
一、副流 副流：河床中，水流内部从属于主流而存在的尺度较大的旋转流动。 副流于漩涡流不同，它是一种位置和旋转中心相对稳定的、明显的、大 尺度的高速漩涡或环流。副流的存在是河床冲淤变形的直接原因，对于河床 中建筑物（桥涵、堤坝、涵闸等）引起的各种副流ห้องสมุดไป่ตู้必须密切注意。 立轴副流（回流） 平轴副流（滚流） 顺轴副流（螺旋流）
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7.2 河床演变和河相关系
二、河床演变
纵向变形 横向变形
河流纵向输沙不平衡引起河床沿水流方向高程的 变化，亦即河流纵断面的变化称为纵向变形； 河流横向输沙不平衡导致河湾发展，河槽拓宽、 分汊、改道、裁弯等河床平面形状的变化，称为
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7.2 河床演变和河相关系
二、河床演变 桥墩、桥台、丁坝等建筑物周围，高速旋转的绕流旋涡卷起床面泥沙， 带往下游，形成局部冲刷。河槽中床面泥沙处于运动之中，桥墩局部冲刷停 止的条件为单位时间内上游落入冲刷坑内的泥沙量与旋涡卷走的泥沙量相等 ，即输沙平衡；河滩水深小，床面糙率大，流速小(一般河滩流速小于床面 起动流速)，床面泥沙处于静止状态，墩台周围泥沙被绕流旋涡带走而形成 的冲刷坑内，没有来沙的补给，随冲刷深度增大，绕流流速逐渐减小，当流 速降低到坑内泥沙起动流速时，冲刷就停止。习惯上，河槽中墩台的冲刷称 为动床冲刷，河滩中墩台的冲刷称为清水冲刷。
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本节课到此结束
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7.2 河床演变和河相关系
三、河相关系
冲积河床在水沙长期相互作用下，逐渐形成一种均衡的河床形态。 描述这些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)存在一定的对应关系，称为河相关系，又 称均衡关系。
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第七章 桥墩和桥台冲刷
1 3 2 3 4 3 4 泥沙运动
河床演变和河相关系 桥下河床断面的一般冲刷
桥墩局部冲刷 桥台冲刷 最低冲刷线高程和计算实例
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7.1 泥沙运动
天然河床是由大小不同，形状各异的泥沙颗粒组成的。根据泥沙在 河槽内运动的状态，分为悬移质和推移质两类。 悬移质：悬浮于水中向下游运动，一般颗粒比较细； 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，前进的速度远小于水流的流速。 床 沙：比推移质颗粒更大的泥沙，则下沉到河床床面静止不动。
桥墩和桥台冲刷
六安市舒城县七里河大桥水毁隐患
第七章 桥墩和桥台冲刷
自然演变冲刷： 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； 一般冲刷： 指急剧流过桥孔的水流，冲走桥孔上下游床面 的泥沙，形成桥孔附近床面的冲刷； 局部冲刷： 指水流急剧流入桥孔，在桥台前缘、桥墩周围 或调治构造物边缘等部位，形成绕流，流速、 流向急剧变化，引起漩涡并向下游传播和发展， 产生很大的床面切力，形成冲刷坑，称为局部 冲刷。
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7.2 河床演变和河相关系
立轴副流
形成于桥台前缘、丁坝头部或河槽宽度突变处；水流在此扰流，产生边 界层分离，在分离点靠近边界一侧形成高速旋转的立轴漩涡，漩涡不停地向 下游传播和扩展，形成下游的回流区。 其结果使分离点床面形成冲刷坑，下游回流区产生淤积。
平轴副流
形成与急流与缓流衔接处，水面产生面滚，水底产生底滚。 多发生在小桥涵出口处，底滚造成垂裙冲刷，引起小桥涵的水毁。
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7.2 河床演变和河相关系
二、河床演变 当河床因外界条件变化面出现冲刷后，过水断面逐渐增大，流速逐渐减 小，挟沙能力减弱，同时床面粗化，抗冲能力增强，冲刷过程逐渐减缓，冲 刷趋向停止；对于淤积河段，也有这种使河床变形逐渐减缓，使变形趋向停 止的现象。冲积河流水沙相互作用，产生河床变形，然后又使其趋于停止的 现象，称为冲积河流的自动调整现象。
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7.1 泥沙运动
六、河床粗化 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，这样，河床表面层的泥沙粒径逐渐增大，形成自然铺砌的 现象，称为河床床面的粗化。水库下游、桥梁上下游等冲刷河段的床面都有 床面粗化现象。
沙质河床的床面泥沙在水流作用下，泥沙起动后出现推移质运动，形成 床面沙波。沙波的形态与水流强度有密闭关系，当弗汝德数很小时，床面出 现沙波，当弗汝德数增大到一定程度后，沙波成长为沙垄；水流强度再增大 ，则沙垄成长为沙丘。 沙波沙谷对基础埋深的影响。
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7.2 河床演变和河相关系
三、河相关系
我国公路桥孔长度的确定和桥墩冲刷计算，都应用了河相关系式。 1.基本河宽公式
2. 河槽宽度和水深的关系
单宽流量集中系数
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7.3 桥下河床断面的一般冲刷
基本概念： 一般冲刷：由于建桥后压缩水流而在桥下河床全断面内发 生的普遍冲刷，称为一般冲刷。 一般冲刷深度hP ： 系指桥下河床在一般冲刷完成后从设 计水位算起的某一垂线水深。