第六章 冲刷计算

计算断面选择： 计算断面选择：
平原顺直型河段： 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： 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
游荡型和变迁型河段：在桥位断面上、 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。 段内取若干河床断面重叠后的外包线。
′ ′ Qt′ = Q左t + Q右t
系数、平均水深。 系数、平均水深。
为冲刷前桥下河槽部分的过水面积、 桥下河槽部分的过水面积 ω c , C c , hc 为冲刷前桥下河槽部分的过水面积、谢才
为冲刷前桥下各部分（包括河槽、 桥下各部分 ω i , C i , 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。 的过水面积、谢才系数、平均水深。
式中， 为河槽泥沙平均粒径，mm； 式中，d 为河槽泥沙平均粒径，mm； E为经验系数，与历年汛期最大月平均含沙量的 为经验系数， 为经验系数 平均值S 有关。 平均值 pj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。 。
最大冲刷深度是各种因素综合作用的结果， 最大冲刷深度是各种因素综合作用的结果，十分 是各种因素综合作用的结果 复杂。为了便于研究和计算， 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 自然冲刷、 的冲刷过程简化为独立的三部分 自然冲刷 冲刷、局部冲刷，并假定它们相继发生， 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 然后叠加，作为墩台的最大冲刷深度， 定墩台基础的埋置深度。 定墩台基础的埋置深度。
垂线
hP Vs
达到最大，并且桥下所有垂线的冲刷都停止时， 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。 桥下断面的一般冲刷就停止了。
取桥下断面为计算断面： 取桥下断面为计算断面： 按水力学的连续方程，单宽流量： 按水力学的连续方程，单宽流量：
Q = ωV
q = h ⋅V
q h= V q 对任一条垂线： 对任一条垂线： h= V 取最大水深垂线： 取最大水深垂线：当V=Vs时，h=hP， q=qs。 ，
qs hP = (6 − 1) Vs qs为一般冲刷停止时桥下最大单宽流量。 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 先求平均 求刚建桥，冲刷前的最大单宽流量 qmax。先求平均 单宽流量： 单宽流量：
ZS
随着桥下断面的扩大，流速相应降低， 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， 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， 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。 冲刷的深度也达到最大。
当桥孔压缩部分河滩，桥下河槽会扩宽至全桥， 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， 则认为桥下全部为河槽，Lcj = Lj = L-nd，QcP=QP， - ， 不变。 h c 不变。
hmax 值的确定： ④ 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； 低水位实测过水断面图求得；也可利用设计水位时的
hs = ∆h+ hP + hb
自然冲刷、一般冲刷、 自然冲刷、一般冲刷、局部冲刷形成的原因各 不相同。 不相同。
自然冲刷地确定方法： 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， 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， 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， 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， 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。 作为设计桥梁墩台的自然冲刷深度。 设计桥梁墩台的自然冲刷深度 在实际工作中，一般可根据桥位河段的类型， 在实际工作中，一般可根据桥位河段的类型， 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。 通过选择“计算断面”的方法来确定自然冲刷深度。 选择
⋅⋅ Q ⋅ ⋅ Q ⋅⋅
⋅ ⋅ ⋅⋅⋅ ⋅⋅ ⋅⋅⋅ ⋅⋅ ⋅⋅ ⋅Q ⋅ ⋅⋅ ⋅ ⋅
⋅Q ⋅ Q ⋅ QQ ⋅ Q
⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅⋅ ⋅ ⋅
hmax
桥位
⋅
Q
∆h
Q
⋅ ⋅ ⋅ Q⋅ ⋅
山区河段： 山区河段： 桥位断面 在河床演变不甚激烈的桥位河段， 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， 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 深可能下移，实际工作中常采用桥位上游附近实测 桥位上游附近 或调查的最大水深作为计算断面的最大水深。 或调查的最大水深作为计算断面的最大水深。
桥下河槽部分，故可改为： 桥下河槽部分，故可改为：
AQ hmax cP hP = ( ) hc µLcj E d
1 6
5
3
AQ cP = µLcj E d
5
3
1
6
5h max hc
3
( 6 − 6)
QcP为桥下河槽部分通过的设计流量； 桥下河槽部分通过的设计流量； 通过的设计流量 Lcj为桥下河槽部分的桥孔净长。 桥下河槽部分的桥孔净长。 的桥孔净长 应用说明： 应用说明： 当桥下断面全为河槽， ① 当桥下断面全为河槽，Lcj = Lj = L- nd，QcP = QP。
桥梁墩台冲刷计算中 如何简化复杂的冲刷 过程？ 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， 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 一般冲刷。 整个桥下断面河床的冲刷，称为一般冲刷。
将式（ ）（ ）（6-5）代入（ ） 将式（6-3）（ ）代入（6-1）：
AQ hmax P hP = ( ) h µLj E d
1 6
5
3
AQ P = µLj E d
5
3
1
6

3
5
hmax h
( 6 − 6)
QP为设计流量； 为设计流量； Lj为桥孔净长。 为桥孔净长。 适用条件：桥下全部为河槽（单式断面） 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）。 槽部分（复式断面）。
qmax
1 = hmax J n
qmax hmax ) =( q h QP 代入q 将q = 代入 max，得： µL j
5 3
qmax
hmax ) = q( h
5
3
qmax
（1）河槽部分 ）
QP hmax ( ) = µL j h
5
3
( 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： 的关系： qs = Aqmax ( 6 − 3) A称为单宽流量集中系数。 称为单宽流量集中系数。 称为单宽流量集中系数
B 0.15 A=ξ ) ( 6 − 4) =( H 稳定河段： 稳定河段：A=1.0~1.2；次稳定河段：A=1.3~1.4；不稳 ；次稳定河段： ；
0.15
定河段： 定河段：A=1.5~1.7，最大不超过 。 ，最大不超过1.8。 冲止流速： 冲止流速：
Vs = Ed hP
2
1 6
3
(6 − 5)
天然河床由泥、 天然河床由泥、土、沙、石等组成，统称为河流 石等组成，统称为河流 泥沙（ 泥沙（river sediment）。 ）。 河道中的水流和泥沙总是在不停的运动着， 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， 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， 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， 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。 在不停地冲淤变化，构成了河床的自然演变。 自然演变
建桥以后，桥孔压缩水流，桥下流速增大， 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， 挟沙能力随之增大，引起整个桥下断面河床的冲刷， 称为一般冲刷。 称为一般冲刷。 一般冲刷 随着一般冲刷的发 展，河床不断刷深，桥 河床不断刷深， 下断面逐渐扩大， 下断面逐渐扩大，过水 断面面积不断增大。 断面面积不断增大。
第 6 章
桥下河床冲刷计算
（Bridge Pier Scou洪水， 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 要有足够的桥孔长度和桥梁高度，而且， 要有足够的埋置深度，以免遭受洪水冲刷破坏。因此， 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 设计桥梁时， 演变和墩台的冲刷， 演变和墩台的冲刷，为确定墩台基础的埋置深度提供 依据。 依据。
QP q = µL j
式中， 为桥孔净长； 为侧收缩系数（压缩系数）。 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： 由谢才 曼宁公式： 曼宁公式