第六章 冲刷计算

水流挟沙能力（silt-carrying capacity）： 在一定水力条件和边界条件下，单位体积的水 流所能挟带泥沙的最大数量（质量），称为水流挟
沙能力，包括推移质和悬移质，以kg/m3计。
当上游来沙量大于本河段水流挟沙能力时，泥
沙将下沉使河床淤积；反之，当上游来沙量小于本
河段水流挟沙能力时，则会由本河段泥沙补充挟沙
推移质输沙率用来反映推移质运动的强烈程度。
（3）沙波运动（ sand ripple movement ）
河床床面因推移质运动，常呈现此起彼伏波浪状 的泥沙团，称为沙波；形体巨大的沙波，称为沙丘 （sand -drift）；更大的称为沙洲（sand bar or sand shoal）；位于主槽两侧的沙滩，称为边滩 （sandbank）；位于河槽中心部位的沙滩，称为中心 滩（central bar）。它们都是由推移质运动形成的。 沙波运动是推移质 运动的主要形式。
不动 床面
推移质

床沙
hs
以上三种划分是相对的，泥沙会随水流条件和边 界条件的变化而交换。
（2）按泥沙的来源和颗粒大小划分：
① 冲泻质（wash load）：泥沙中较细的部分，来源
于流域面上，经过研究河段（如桥位河段）一泻而过，
与研究河段的泥沙不发生交换，不参与造床作用（塑
造河床），在河段的床沙中很少或没有，这部分泥沙 称为冲泻质。

② 床沙质（ river bed material ）：泥沙中较粗的部
分，来源于上游河段，经过研究河段时，与研究河段
的泥沙发生交换，直接参与造床作用，与河道冲淤变
化关系密切，在床沙中大量存在，这部分泥沙称为床 沙质。
2、泥沙的定量指标及度量单位：
（1）悬移质泥沙 含沙量ρ （ sediment concentration, silt content ）：单 位体积的浑水中所含悬移质泥沙的重量，称为含沙量， 以kg/m3计。 悬移质输沙率QS（sediment flux）：单位时间通过 断面悬移质泥沙的重量称为悬移质输沙率，kg/s 。
h
V

休止角与泥沙的粒
径大小和形状有关。
V
（4）泥沙的沉降速度ω
泥沙颗粒在静水中的等速下沉的速度，以cm/s
或m/s计。
泥沙粒径一定，其沉降速度为一常数，故沉速又
称为水力粗度。
可查设计手册。
2、推移质运动
（1）泥沙的起动
泥沙的起动条件：河床面上的泥沙由静止状态变为运 动状态时的临界水流条件称为泥沙的起动条件。
Px
G F
Pz
O
床面
表示方式：
起动流速vc（threshold velocity）：河床床面泥沙随
着流速的增大，从静止状态变为运动状态时的临界
流速。用垂线平均流速表示。
起动流速是推移质运动产生的条件。
h
umax
vc ud
0
Px
G F
Pz
O
床面
（2）推移质输沙率 单宽推移质输沙率：单位时间内在过水断面单位河槽
一、河床冲刷概述
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。
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
能力，造成河床的冲刷；当上游来沙量等于本河段
水流挟沙能力时，此时输沙平衡，河段处于不冲不
淤状态。 对于泥沙颗粒很细的平原区河流，悬移质占绝 大部分，可以用最大悬移质含沙量代表水流挟沙能 力。
2.3.3
河床演变（river bed evolution）
1、河床演变基本原理
河床的几何形状，称为河床形态（river
变形，它是河流横向输沙不平衡引起的。
如：河湾发展；河槽扩宽；塌岸；分汊；改道；裁弯
等。
（2）影响河床演变的主要因素
1） 来水条件
2） 来沙条件
来水量的大小及其过程；
来沙量的大小、过程及其组成等；
3） 河床边界条件 河流比降、河流宽度、河床河岸 土质组成及其抗冲性等。 河段横向变形和纵向变形对桥孔设计的影响见 表2-4、表2-5。
如：河流河源与上游河床的下切；下游河床的淤高； 由于洪水期和枯水期或丰水年和枯水年河床局部冲 淤周期性变形。
又如：受涉河工程（structures in river affecting the
bridge engineering）影响的河流，水库库区壅水区内
河床淤积，水坝下游河床冲刷等。
2） 横向变形 河床平面形状的变化，称为河床的横向
宽度上通过的推移质数量（质量），以kg/(s.m)计。
若无实测资料，可用下式估算：
v 3 d 110 qb 2.08d (v vc )( ) ( ) vc H
式中：v为垂线平均流速，m/s。
( 2 39)
实验表明，单宽推移质输沙率与垂线平均流速的
4次方成正比，即：
qb v
4
Q 4 Qb B q b B( ) BH
morphology）。河流中的水流推动泥沙运动，引起河
床变形；变形后的河床又反作用于水流，引起水流结
构的变化。水流和河床永远处于相互作用、相互制约、
不断变化的过程中。在天然状态下或人类活动的干扰
下，河床形态的变化，称为河床演变。
水流通过泥沙运动塑造河床，在河床演变中， 水流是最活跃的因素，但河床演变的根本原因是河 流输沙不平衡，它是河床泥沙运动的结果。 （1）河床形态变化的类型 1）纵向变形 河床沿水流方向高程的变化，称为河 床的纵向变形，它是河流纵向输沙不 平衡引起的。
1、泥沙主要特性
（1）泥沙粒径和级配曲线
1）粒径
粒径d（grain diameter）：等容粒径，mm 2）粒径级配曲线 （grain-size distribution curve）：
河流泥沙是由粒径
不同的泥沙组成的。沙
样中小于各种粒径泥沙
重量占沙样总重量的百
分数，称为泥沙的粒径
级配。其图形称为泥沙
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。
推移质泥沙起动的条件是什么？用 什么指标表示推移质泥沙运动 的强烈程度？ 推移质泥沙以什么形式运动的？
什么是造床流量？桥梁设 计中如何确定造床流量？
’ §6-1 桥下河床冲刷概述
及自然冲刷的确定
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。
次稳定性河段：ξ = 5~20
变迁性河段：
游荡性河段：
ξ = 15~40
（2）稳定河宽
Q 0.5 BS 0.2 J ( 2 43)
式中，BS ：稳定河宽，m；
Q ：造床流量，m3/s；
J ：水面比降，以小数计；
η ：稳定河宽系数，
稳定沙质河段： η = 1.1~1.3 不稳定河段 ： η = 1.3~1.7
涵工程、港口工程的建设都有很大影响。因此，工程
建设必须研究河流泥沙特性及其运行规律。
1、
河流泥沙分类：
（1）按泥沙在河槽的运动状态划分：
① 悬移质（suspended load）：悬浮在水中的泥沙，
随水流的运动而运动，其流速与水流流速相同。
V
4）沙样的均匀程度
沙样的非均匀系数：
d 75 d 25
（2）泥沙的容重
( 2 33)
泥沙容重（重度）γs：单位体积的泥沙颗粒实体的重 力称为泥沙的容重，或重度，即为γs，取26 kN/m3。
（3）水下休止角
静水中的泥沙，由
于摩擦力的作用，河床
可以形成一定的倾斜面 而不至塌落，此斜面与 水平面的夹角β 称为泥 沙水下休止角。
QS Q
（2）推移质泥沙
推移质输沙率Qb：单位时间内通过断面推移质泥沙
的重量，以kg/s计。
（3）断面输沙率
断面输沙率QS（sediment flux）：单位时间通过全
断面泥沙的重量（包括悬移质泥沙和推移质泥沙）
称为断面输沙率，以kg/s计 。 上述泥沙指标可通过仪器测量。
（4）输沙量 输沙量WS（sediment flux）：某时段通过断面泥沙




2.3.4
造床流量与河相关系
1、造床流量（formative discharge）
造床流量：与多年流量过程综合造床（塑造河床）
作用相当的流量称为造床流量。
确定方法：平滩水位（bankfull stage）相应的流
量，或多年平均洪水流量。 物理解释：当水流低于河漫滩时，流速较小，塑造 河床作用不强；当水位高于河漫滩时，水流分散， 造床作用降低；当水流平滩时，其造床作用最大。
的重量称为输沙量，以kg或 t 计 。
由实测的输沙率，可计算日平均输沙率、月平均 输沙率、年平均输沙率和年输沙量（annual sediment discharge）
W s Qs T
2.3.2
泥沙运动基本规律
天然河床是由大小不同、形状各异的泥沙颗粒 组成的。在桥梁的上、下游，由于水流急剧变化， 引起桥下河床的变形和墩台附近的冲刷，其中起主 要作用的是推移质泥沙和床沙。因此，了解和掌握 河流泥沙的运动规律是桥涵工程设计必不可少的内 容。
粒径级配曲线。
单对数纸
福州洪塘大桥床沙粒径级配曲线
3）平均粒径 d 和中值粒径 d50
平均粒径 d ：mm
d d Pj i 1n
Pi d i
i 1
n
Pi
( 2 32)
d 上 d 下 d 上d 下 di 3
中值粒径 d50：沙样中大于和小于这个粒径的泥沙重 量各占一半的粒径。 d5、 d95 、d75、 d25
2、河相关系（river facies relation）
河相关系：河床的几何形态与水力因素及泥沙因素
（水流、泥沙、边界条件等）之间的关系
称为河相关系。 （1）横断面宽深比ξ （河相系数）
B H
( 2 42)
ξ 的大小在一定程度上反映河段的稳定性。 ξ 越大，则河槽越宽浅，河床的稳定性越差。 稳定性河段： ξ = 2~5 ξ = 5~30
不动 床面
推移质
Leabharlann Baidu
床沙
hs
② 推移质（river bed load）：沿河底移动或滚动的 泥沙，其流速比水流流速小。 ③ 床沙或 河床质（river bed material）：相对静止 停留在河床上的泥沙。
V
第 6 章
桥下河床冲刷计算
（Bridge Pier Scour Calculation）
§2.3 泥沙运动与河床演变
（Sediment Movement and River Bed Evolution）
2.3.1 河流泥沙
河道中的水流挟带的泥、土、沙、石称为河流泥
沙（river load ，river silt，river sediments）。 河流 中泥沙的冲淤变化，对河道整治、水利水电工程、桥
2、建桥后的河床演变
（1）平原顺直型河段（属于稳定性河段）
:.· :.· :.· :.· :.· :.· :.· :.· :.· :.· :.· :.· :.·
（2）平原弯曲型河段（属于次稳定性河段）
（3）平原游荡型河段和山前区变迁型河段