第六章冲刷计算.

第6章桥下河床冲刷计算（BridgePierScourCalculation）§2.3泥沙运动与河床演变（SedimentMovementandRiverBedEvolution）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（riverload，riversilt，riversediments）。河流中泥沙的冲淤变化，对河道整治、水利水电工程、桥涵工程、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（suspendedload）：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不动床面床沙推移质sh②推移质（riverbedload）：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（riverbedmaterial）：相对静止停留在河床上的泥沙。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。V不动床面床沙推移质sh（2）按泥沙的来源和颗粒大小划分：①冲泻质（washload）：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（riverbedmaterial）：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（sedimentconcentration,siltcontent）：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（sedimentflux）：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。QQS（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（sedimentflux）：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（sedimentflux）：某时段通过断面泥沙的重量称为输沙量，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（annualsedimentdischarge）TQWss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。1、泥沙主要特性（1）泥沙粒径和级配曲线1）粒径粒径d（graindiameter）：等容粒径，mm2）粒径级配曲线（grain-sizedistributioncurve）：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）平均粒径和中值粒径d50平均粒径：mmdd)322(11niiniiiPjPdPdd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、d253下上下上dddddi4）沙样的均匀程度沙样的非均匀系数：)332(2575dd（2）泥沙的容重泥沙容重（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26kN/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。休止角与泥沙的粒径大小和形状有关。hVV（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。xPzPFGO床面表示方式：起动流速vc（thresholdvelocity）：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。xPzPFGO床面hmaxucvdu0（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：)392()())((08.21013Hdvvvvdqccb式中：v为垂线平均流速，m/s。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：4vqb4)(BHQBqBQbb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（sandripplemovement）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（sandbarorsandshoal）；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（centralbar）。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。水流挟沙能力（silt-carryingcapacity）：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（riverbedevolution）1、河床演变基本原理河床的几何形状，称为河床形态（rivermorphology）。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。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（structuresinriveraffectingthebridgeengineering）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）来水条件来水量的大小及其过程；2）来沙条件来沙量的大小、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。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2.3.4造床流量与河相关系1、造床流量（formativedischarge）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（bankfullstage）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。2、河相关系（riverfaciesrelation）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）)422(HB稳定性河段：ξ=2~5次稳定性河段：ξ=5~20变迁性河段：ξ=5~30游荡性河段：ξ=15~40ξ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。（2）稳定河宽)432(2.05.0JQBS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。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。一、河床冲刷概述建桥后，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。自然冲刷、一般冲刷、局部冲刷形成的原因各不相同。bPshhhh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。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。二、自然冲刷的确定方法hmaxh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:.·:.·:.·:.·:.·:.·:.·:.·:.·:.·:.·:.·:.·桥位hmaxh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maxh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h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