第六章_冲刷计算

桥梁墩台冲刷计算中 如何简化复杂的冲刷
过程？
§6.1 桥下一般冲刷计算
（general scour of bridge pier）
建桥以后，桥孔压缩水流，桥下流速增大，引起 整个桥下断面河床的冲刷，称为一般冲刷。
建桥以后，桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流 挟沙能力随之增大，引起整个桥下断面河床的冲刷，
2、64-2简化式（按输沙平衡建立的公式）
建立的概念：
计算断面
桥位断面
记计算断面来沙Qb1， Q1 B1
桥下排沙为Qb2。
h1
Qb1 B2
Qb2Q2 h2=hP
建桥后，由于桥孔压缩水流，桥下流速增大，水流挟
沙能力加大，Qb1 < Qb2，桥下发生冲刷。随着冲刷的 发展，桥下断面不断扩大，桥下流速随之降低，水流
建桥后，除了河床的自然演变外，还有桥梁墩台 对水流和泥沙运动的干扰而引起河床的冲刷，它们交 织在一起，同时进行，所以桥下冲刷过程十分复杂。
桥梁墩台周围河床的最大冲刷深度，是设计桥 梁墩台基础埋置深度的依据。
最大冲刷深度是各种因素综合作用的结果，十分 复杂。为了便于研究和计算，桥涵水文中把这一复杂 的冲刷过程简化为独立的三部分——自然冲刷、一般 冲刷、局部冲刷，并假定它们相继发生，可以分别计 算，然后叠加，作为墩台的最大冲刷深度，并据以确 定墩台基础的埋置深度。
(1
)B2qb2
(1
)B2
V4
22
(1
)B22[(1
Q2
]4
)B2h2
当输沙平衡，令Qb1 = Qb2，整理得：
3
h2
(2 1
)1 4
(Q2 Q1
)
(1
B1
)B2
4
h1
① 输沙率公式不同，系数指数不同；
② 断面平均流速代替垂线平均流速需修正；
③ Q1=Qc，B1=Bc；
④ h1
hmax ，h2 hP；
Bh
2
h3
J
1 2
n
5
B h J3
1 2
n
q
5
1 h J3
1 2
n
qmax
15
1
3
2
n h J max
qmax
( hmax
)5 3
q
h
qmax
q( hmax )53 h
将q
QP
Lj
代入qmax，得：
qmax
QP
(
hmax
)5 3
Lj h
（1）河槽部分
(6 2)
冲刷停止后最大单宽流量与冲刷前最大单宽流量 的关系：
液性指数： IL
W0 W p WL Wp
W0 W p Ip
(6 12)
式中，IL为粘性土的液性指数； W0为粘性土的天然含水量 Wp为粘性土的塑限含水量 WL为粘性土的流限含水量。 Ip= WL- Wp为粘性土的塑性指数。
液性指数越小，粘性土的粘结力越大，抗冲能力 越大，冲止流速也越大。
1、河槽部分
第 6 章 桥下河床冲刷计算
（Bridge Pier Scour Calculation）
为了保证桥梁的安全和顺利宣泄洪水，桥梁不但 要有足够的桥孔长度和桥梁高度，而且，墩台基础还 要有足够的埋置深度，以免遭受洪水冲刷破坏。因此， 设计桥梁时，还必须合理的预计桥梁使用期内河床的 演变和墩台的冲刷，为确定墩台基础的埋置深度提供 依据。
(6 6)
QcP为桥下河槽部分通过的设计流量； Lcj为桥下河槽部分的桥孔净长。 应用说明：
① 当桥下断面全为河槽，Lcj = Lj = L- nd，QcP = QP。
② 当桥孔压缩部分河滩，桥下河槽不会扩宽至全
桥，则：
Lcj Lc nd
QcP
Qc Qc
Qt
QP
QcP
cCc
n
hc
QP
(iCi hi )
ZS
河底
hP
d1
d2
（2）d 1 d 2 ，先按 d1 计算，若结果位于 d1 层，即 为所求；若位于 d 2 层，改按 d 2 计算。
ZS
河底
hP
d1 d2
多层粒径不同的河床，处理方法相同，逐层渐进试算。
（2）河滩部分
hP
qst Vst
qst
QtP
( hmt
)5 3
Ltj ht
Vst
V h1 5 H1 P
对任一条垂线：
h q V
取最大水深垂线：当V=Vs时，h=hP， q=qs。
hP
qs Vs
(6 1)
qs为一般冲刷停止时桥下最大单宽流量。
求刚建桥，冲刷前的最大单宽流量 qmax。先求平均 单宽流量：
q QP
Lj
式中，Lj为桥孔净长；μ为侧收缩系数（压缩系数）。
由谢才-曼宁公式：
QP
21
R J3 2 n
hP
qs Vs
(6 1)
Vs
0.33(
1 IL
)h3 5 P
qs
Aqmax
A
QcP
(
hmax
)5 3
Lcj hc
(6 2,6 3)
5
hP
A
QcP
Lcj
(
hmax hc
)
5
3
8
0.33( 1 )
IL
(6 17)
式中，A为单宽流量集中系数，A=1.0~1.2；
IL为粘性土液性指数，本公式适用范围:
i 1
ZS
Q左 t
(6 8)
L
Lc
Q右 t
Qc Zmin
(6 7)
式中，Lcj为桥下河槽部分桥孔净长；
QcP为桥下河槽通过的设计流量；
Qc、Qt 分别为天然状态下桥下河槽、河滩通过的 流量。
Qt Q左 t Q右 t
c ,Cc , hc 为冲刷前桥下河槽部分的过水面积、谢才 系数、平均水深。
hs h hP hb
自然冲刷、一般冲刷、局部冲刷形成的原因各 不相同。
自然冲刷地确定方法： 由于影响河床演变的因素非常多，而且错综复杂，
难以得到可靠的计算结果。目前在实际工作中，主要 通过实地调查或参考类似河流的观测资料，结合河段 的特点和整治规划，估计建桥以后可能发生的河床演 变，作为设计桥梁墩台的自然冲刷深度。
i ,Ci , hi 为冲刷前桥下各部分（包括河槽、河滩部 分）的过水面积、谢才系数、平均水深。
③ 当桥孔压缩部分河滩，桥下河槽会扩宽至全桥， 则认为桥下全部为河槽，Lcj = Lj = L-nd，QcP=QP，
hc 不变。
④ hmax 值的确定：通常按桥位上游附近枯水位或中 hc
低水位实测过水断面图求得；也可利用设计水位时的 实测桥位断面图求得。
建立的概念：
垂线
任一垂线，在一般冲
刷的过程中，当断面扩大 使垂线的平均流速降到该 垂线的冲止流速时，冲刷 就停止了，一般冲刷深度
hP Vs
达到最大，并且桥下所有垂线的冲刷都停止时，整个 桥下断面的一般冲刷就停止了。
取桥下断面为计算断面： 按水力学的连续方程，单宽流量：
Q V q hV
h q V
E为经验系数，与历年汛期最大月平均含沙量的 平均值Spj有关。当Spj <1.0kg/m3，E=0.46；
当Spj=1.0~10.0kg/m3，E=0.66；
当Spj > 10.0kg/m3，E=0.86。
将式（6-3）（6-5）代入（6-1）：
3
3
hP
AQP
1
Lj Ed 6
( hmax h
)53
⑤ 需要考虑单宽流量集中系数A。
hP
1.04(
A
Q2 Qc
)0.90
(1
Bc
)B2
0.66
hmax
(6 11)
适用条件：沙质（非粘性土）河槽。桥下全部为 河槽或桥下河槽部分。
应用说明： ① 当桥下断面全为河槽，Q2 = QP，B2=Bc。 ② 当桥孔压缩部分河滩，桥下河槽不会扩宽至全 桥，则：
式中，VH1为河滩水深为1m时非粘性土容许不冲刷流 速，与河滩泥沙组成有关，可查表6-1。
5
hP
QtP
LtjVH
1
( hmt ht
)
5
3
6
(6 9)
式中，Ltj为桥下河滩部分桥孔净长； QtP为桥下河滩部分通过的设计流量；
QtP
Qt Qc Qt
QP
QtP
tCt
n
ht
QP
(iCi hi )
称为一般冲刷。
随着一般冲刷的发
ZS
展，河床不断刷深，桥
下断面逐渐扩大，过水
断面面积不断增大。
随着桥下断面的扩大，流速相应降低，水流挟沙 能力也随之降低。当流速降低到不能继续冲刷河床时， 冲刷即趋于停止了。此时，桥下过水断面最大，一般 冲刷的深度也达到最大。
表示方法：
通常用一般冲刷 停止时桥下的垂线水
IL=0.16~1.19。
QcP
Qc Qc
Qt
QP
(6 8)
QcP为桥下河槽部分通过的设计流量；
Lcj 为桥下河槽部分的桥孔净长。
Qc、Qt分别为天然状态下桥下河槽、河滩通过的 流量。 Qt Q左 t Q右 t
2、河滩部分
hP
qst Vst
Vst qst
0.33( QtP (
Ih1Lmt))h5P136
在实际工作中，一般可根据桥位河段的类型， 通过选择“计算断面”的方法来确定自然冲刷深度。
计算断面选择：
平原顺直型河段：桥位上游附近最大水深断面
最大水 深断面
:.· :.·
:.·:.·
:.·:.· ::..·· :.·:.·
hmax
h
平原弯曲型河段：桥位上游附近河湾半径最小的河 湾顶点断面
hmax h
天然河床由泥、土、沙、石等组成，统称为河流 泥沙（river sediment）。
河道中的水流和泥沙总是在不停的运动着，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 成河床淤积。在水流和泥沙的相互作用下，河床总是 在不停地冲淤变化，构成了河床的自然演变。
游荡型和变迁型河段：在桥位断面上、下游桥位河 段内取若干河床断面重叠后的外包线。
桥位
hmax
h
山区河段： 桥位断面
在河床演变不甚激烈的桥位河段，一般可用桥 位断面作为计算断面，同时，考虑桥位上游最大水 深可能下移，实际工作中常采用桥位上游附近实测 或调查的最大水深作为计算断面的最大水深。
5
AQP
1
Lj Ed 6
5
hmax h
(6 6)
QP为设计流量； Lj为桥孔净长。 适用条件：桥下全部为河槽（单式断面）或桥下河 槽部分（复式断面）。
桥下河槽部分，故可改为：
3
3
hP
AQcP
Lcj Ed
1 6
( hmax hc
)5 3
5
AQcP
1
Lcj Ed 6
5
hmax hc
Q2 QP B2 L
6.1.1 粘性土河床一般冲刷计算 （cohesive soil river bed general scour calculation）
平均粒径小于0.05mm的泥沙称为粘性土。粘性土 颗粒很细，在其表面形成很薄且结合紧密的薄膜水， 使颗粒之间具有一定的粘性力。土力学中，用液性指 数IL表示粘性土粘结力大小的指标。
垂线 ZS
深表示该垂线处的一 般冲刷深度，以hP表 示。桥下一般冲刷停
hP Vs
止时的垂线平均流速，
称为冲止流速，以Vs表示，m/s。
6.1.1 非粘性土河床一般冲刷计算
（non-cohesive soil river bed general scour calculation） 1、64-1修正式（按冲止流速建立的公式）
挟沙能力也随着降低。当断面扩大到使流速降到Qb2 ≈ Qb1 ，输沙平衡，桥下一般冲刷就停止了，此时，桥 下过水断面最大，水深也达到最大。
来沙： 单宽输沙率： 断面输沙率： 排沙：
qb1 1V14
Qb1
B1qb1
B11V14
B11
(
Q1 B1h1
)4
单宽输沙率：
qb2
V4
22
断面输沙率： Qb2
L
ZS
Q左 t
Lc
Q右 t
Qc
Zmin
Q2 QcP , B2 Lc
QcP
Qc Qc Qt
QP
(6 8)
0.66
hP
1.04(
A
QcP Qc
)0.90
(1
Bc
)Lc
hmax
(6 11)
式中，Lc建桥后桥下河槽宽度。
③ 当桥孔压缩部分河滩，桥下河槽会扩宽至全桥， 则认为桥下全部为河槽：
i 1
(6 10) (6 10' )
Qc、Qt 分别为天然状态下桥下河槽、河滩通过的流 量。Qt Q左 t Q右 t
t ,Ct , ht 为冲刷前桥下河滩部分的过水面积、谢才 系数、平均水深。
i ,Ci , hi 为冲刷前桥下各部分（包括河槽、河滩部 分）的过水面积、谢才系数、平均水深。
河滩泥沙分层处理方法与河槽相同。
hc c
Lc
hmax Z S Zm
⑤ 当桥下河床由多层成分不同的土质组成，分层土 河床的冲刷可采用逐层渐进试算方法进行。
（1）d 1 d 2，先按 d1 计算，若计算hP位于 d1 层，即 为所求；若计算hP位于 d 2 层，改用 d 2计算，若结果位 于 d 2层，即为所求，若位于 d1 层，取两层交界面为冲 刷线标高，或取按第一层粒径的计算结果。
Ltj ht
6
hP
QtP
Ltj
( hmt ht
)
qs Aqmax
(6 3)
A称为单宽流量集中系数。
A 0.15 ( B )0.15
H
(6 4)
稳定河段：A=1.0~1.2；次稳定河段：A=1.3~1.4；不稳
定河段：A=1.5~1.7，最大不超过1.8。
冲止流速：
Vs
Ed h 1 6
2 3
P
源自文库
(6 5)
式中，d 为河槽泥沙平均粒径，mm；