桥涵水文-6桥梁墩台冲刷及基础埋置深度

桥涵水文桥涵水文HydrologyofBridgeandCulvert第六章桥梁墩台冲刷计算及基础埋深第六章桥梁墩台冲刷计算及基础埋深（桥涵水力计算）第一节桥下一般冲刷计算第一节桥下一般冲刷计算第二节桥墩局部冲刷计算第二节桥墩局部冲刷计算第三节桥台冲刷计算第三节桥台冲刷计算第四节基础埋深计算第四节基础埋深计算第一节桥下一般冲刷计算为了使设计洪水在桥下安全通过，不但要有足够的桥孔长度和桥梁高度，而且桥梁墩台基础还必须有足够的埋置深度。桥下冲刷直接影响着桥墩台的基础埋置深度，要保桥下冲刷直接影响着桥墩台的基础埋置深度，要保证桥梁安全，就必须将墩台基础放置在可靠的地基上。进行冲刷计算的目的是要找最大冲刷深度，决定不被冲走的地基面的标高。第一节桥下一般冲刷计算一、桥下冲刷的组成1.自然演变冲刷1.自然演变冲刷z定义：河床在水力作用及泥沙运动等因素的影响下，自然发育过程造成的冲刷现象，称为河床自然冲刷。z常见自然演变冲刷现象：河床逐年下切、淤积、边滩下移、河湾发展变形及截弯取直、河段深泓线摆动及一个水文周期内，河床随水位、流量变化而发生的周期性变形，以及人类活动(如河道整治、兴修水利等）都会引起河床的显著变形，桥位设计时都应予兴修水利等）都会引起河床的显著变形，桥位设计时都应予考虑。z计算方法：z计算方法：关于河床自然演变冲刷深度，目前尚无成熟的计算方法，一般多通过调查或利用桥位上、下游水文站历年实测断面资一般多通过调查或利用桥位上、下游水文站历年实测断面资料统计分析确定。第一节桥下一般冲刷计算对于各种河床的自然演变冲刷，在河流动力学和河道整治的有关书籍中，有一些计算方法可供参考。但由于影响河床演变的因素很多，又极其错综复杂，难以得到可靠的计算结果。目前在实际的工作中，主要是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，估计建桥似河流的观测资料，结合河段的特点和整治规划，估计建桥后可能发生的河床变形，作为桥梁墩台的自然（演变）冲刷，进行设计。具体做法，可以参阅《公路工程桥涵水文勘测设进行设计。具体做法，可以参阅《公路工程桥涵水文勘测设计规范》。2.一般冲刷第一节桥下一般冲刷计算2.一般冲刷建桥后，由于桥孔压缩河床，桥下过水面积减小，从而引起桥下流速的增大，水流携沙能力也随之增大，造成整个引起桥下流速的增大，水流携沙能力也随之增大，造成整个桥下断面的河床冲刷。这一冲刷过程，称为桥下断面的一般冲刷。冲刷。3.局部冲刷水流因受墩台阻挡，在墩台附近发生的冲刷现象叫局部冲刷。在桥墩的前缘与两侧形成冲刷坑。三种冲刷交织在一起，同时进行。计算时假定三种冲刷交织在一起，同时进行。计算时假定它们独立地相继进行，可分别计算，最后叠加。二、一般冲刷计算第一节桥下一般冲刷计算二、一般冲刷计算关于桥下断面一般冲刷深度计算，目前尚无成熟理论，主要按经验公式计算。常用的经验公式有64-1公式与64-2公式，以及包尔达可夫公式。其中64-1公式和64-2公式为1964年全国桥渡冲刷计算学术会议推荐试用，1991年《公路桥位勘测设计规范》(JTJ062-91)正式作为推荐公式。勘测设计规范》(JTJ062-91)正式作为推荐公式。一般冲刷深度：桥下河床在一般冲刷完成后从设计水位算起一般冲刷深度：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。（一）、64-1修正式第一节桥下一般冲刷计算（一）、64-1修正式›原理：根据冲止流速建立的冲刷公式桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速称为冲止流速。冲止流速理论认为：桥下断面内的任意垂线的流速冲止流速理论认为：桥下断面内的任意垂线的流速都会由于桥梁墩台对河床的挤束作用而提高，此时，桥下河床断面将发生一般冲刷。随着一般冲刷的发展，桥下河床断面将发生一般冲刷。随着一般冲刷的发展，桥下过水断面不断扩大，过水垂线深度不断加大，使垂线平均流速不断下降。当垂线平均流速降低至该垂线的冲止流速时，该垂线处冲刷停止，一般冲刷达到最大；当止流速时，该垂线处冲刷停止，一般冲刷达到最大；当桥下所有垂线的流速都降低至冲止流速时，桥下断面的一般冲刷即完全停止。一般冲刷即完全停止。›64-1公式第一节桥下一般冲刷计算›64-1公式根据水力学的连续性原理，一般冲刷停止时，桥下最大垂线水深hp与桥下断面最大单宽流量之间的关系为：sqh=一般冲刷后的最大水深：pzhv=般冲刷后的最大水深：桥下断面的最大单宽流量出现在桥下断面的最大水深处，可根据桥下断面的平均单宽流量推求。桥下断面的平均单宽流量对应着桥下断面的平均水深。由谢才-满宁公式可知，单宽流量与相应垂线水深的5/3次方成正比，所以：桥下平均单宽流量：sQq=桥下平均单宽流量：桥下最大单宽流量：qL55maxmax33()()shQhqq==桥下最大单宽流量：max()()qqhLh第一节桥下一般冲刷计算桥下河床的冲止流速，根据河流泥沙运动的特点，应该按三种不同情况分别计算：1、沙质河槽的一般冲刷计算：在沙质河槽中有推移质运动，冲刷过程中又有上游来在沙质河槽中有推移质运动，冲刷过程中又有上游来沙补偿，随着一般冲刷的发展，桥下各垂线处的单宽流量有向深槽集中趋势，且河槽越宽浅，越不稳定，单宽流量有向深槽集中趋势，且河槽越宽浅，越不稳定，单宽流量的集中趋势则越强。采用单宽流量集中系数Ad表示其集中程度，由观测资料分析得知，与河流的宽深比有关，即程度，由观测资料分析得知，与河流的宽深比有关，即0.15zdBAH⎛⎞=⎜⎟⎜⎟„式中，一般Ad取1.2—1.4dzH⎜⎟⎝⎠„对于游荡性河段，变迁性河段及宽滩性河段，当河槽宽阔，Bz值过大不易确定时，建议Ad值不超过1.8则，桥下冲刷前最大单宽流量与平均单宽流量的关系为：第一节桥下一般冲刷计算则，桥下冲刷前最大单宽流量与平均单宽流量的关系为：53hQ⎛⎞3cm2cm2dcmcjcq,hQqqAqBhμ⎛⎞==⎜⎟⎜⎟⎝⎠一般冲刷结束后计算一般冲刷深度公式中的冲止流速，对于沙质河槽而言，可以按下述经验公式计算：()1/62/3zpvEdh=我国桥梁实测资料„因此，计算沙质河槽桥下一般冲刷公式为：3552hQ⎡⎤cm23dcjcq2p1()hQABhqhvμ⎡⎤⎢⎥⎢⎥==⎢⎥z6vEd⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦第一节桥下一般冲刷计算2、沙质河滩的一般冲刷：桥孔只压缩部分河滩，河床土质又易于冲刷时，桥下河槽往往会扩宽，桥下河滩部分将被冲刷成河槽，则桥下断面的一般冲刷计算，可全部按河槽考虑。若经调查分析，河滩土质坚实，比较稳定，确无被冲刷成河槽的可能时，则桥下河滩部分的一般冲刷，应该按河滩的特点进行计算。河滩部分无推移质运动，冲刷后没有上游来沙的补偿，冲刷过程中，单宽流量的再分配现象极其微小甚至没有，可不予考虑。桥下河滩的一般冲刷，当流速降低到土壤的容许（不冲刷）流速时才停止，其冲止流速应该采用河滩土壤的不冲刷）流速时才停止，其冲止流速应该采用河滩土壤的容许（不冲刷）流速。则桥下河滩部分的般冲刷深度为第一节桥下一般冲刷计算tqh=则，桥下河滩部分的一般冲刷深度为：pz5hv=13tm15tH1tpzhQqvvhBhμ⎛⎞==⎜⎟⎜⎟⎝⎠其中，，tjtq556Bhμ⎜⎟⎝⎠⎡⎤63tm1hQBhμ⎡⎤⎛⎞⎢⎥⎜⎟⎢⎥⎜⎟⎝⎠⎢⎥tjtqpH1Bhhvμ⎢⎥⎜⎟⎝⎠⎢⎥∴=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦水深1m时非粘性土容许不冲刷流速v表：第一节桥下一般冲刷计算水深1m时非粘性土容许不冲刷流速vH1表：算第一节桥下一般冲刷计算‡定义：平均粒径d均＜0.05mm的泥沙，称为粘性土。3、粘性土河床一般冲刷计算‡定义：平均粒径d均＜0.05mm的泥沙，称为粘性土。按粘性土的物理力学性能，随着含水量增大，土壤可由固态变成液态(泥浆)粘结力则随之接近消失，抗冲刷能力也因此不再存在。态(泥浆)粘结力则随之接近消失，抗冲刷能力也因此不再存在。‡塑限：粘性土由半固态向可塑态过渡时的含水量称为塑限，以Wp表示‡液限：由可塑态向流态过渡时的含水量，称为流限，以W表示；‡液限：由可塑态向流态过渡时的含水量，称为流限，以WL表示；‡塑性指数：流限与塑限之差，称为塑性指数，以Ip表示；液性指数：天然含水量W与塑限的差值与塑性指数的比值，称为液性‡液性指数：天然含水量W0与塑限的差值与塑性指数的比值，称为液性指数，以IL表示。‡按上述定义，有：pLp0pI=−−0ppLII=由此可见，液性指数越小，则塑性指数越大，粘土的粘第一节桥下一般冲刷计算由此可见，液性指数越小，则塑性指数越大，粘土的粘结力也越大，抗冲刷能力越强，因而冲止流速也越大，有：v与I成反比。vz与IL成反比。粘性土的抗冲刷能力与粘结力有关，而粘土颗粒间的孔隙率e对粘结力也有影响。孔隙率越小，土壤越密实，粘结隙率e对粘结力也有影响。孔隙率越小，土壤越密实，粘结力越大，抗冲刷能力也越强，同样有:vz与e成反比。因此，目前常用粘性土冲止流速经验公式有两种，即31⎛⎞35zpL10.33vhI⎛⎞=⋅⎜⎟⎝⎠河槽部分：16zp10.33vhI⎛⎞=⋅⎜⎟⎝⎠河滩部分：LI⎝⎠将上式带入一般冲刷深度计算公式中，有第一节桥下一般冲刷计算将上式带入一般冲刷深度计算公式中，有558⎡⎤⎛⎞我国铁路部门根据3cm2dcjcqAhQBhhμ⎡⎤⎛⎞⎢⎥⎜⎟⎢⎥⎜⎟⎝⎠⎢⎥河槽部分我国铁路部门根据一定数量实际桥梁的资料对粘性土河流的jqp10.33LhI⎝⎠⎢⎥=⎢⎥⎛⎞⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎢⎥河槽部分：料，对粘性土河流的桥下一般冲刷进行了分析研究，于1979年65LI⎝⎠⎢⎥⎣⎦⎡⎤分析研究于年提出了调查分析报告，阐述了粘性土河床冲573tm1hQBhμ⎡⎤⎛⎞⎢⎥⎜⎟⎢⎥⎜⎟⎝⎠⎢⎥刷的特点，认为冲止流速与粘性土的性质有直接关系并推荐tjtqp10.33BhhIμ⎜⎟⎝⎠⎢⎥=⎢⎥⎛⎞⎜⎟⎢⎥⎝⎠河滩部分：有直接关系，并推荐了使用公式。LI⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎢⎥⎣⎦（二）64-2简化式第一节桥下一般冲刷计算（二）64-2简化式（按输沙平衡建立的公式，适用于有推移质运动的沙质河槽）‡此式按输沙平衡条件建立一般冲刷深度公式，故又称输沙平衡公式。衡公式。‡设G1为上游天然河道的来沙量，G2为桥下河槽断面的排沙量。显然，当G1＞G2时，桥下将出现淤积；当G1＜G2时，桥下。显然，当G1＞G2时，桥下将出现淤积；当G1＜G2时，桥下将发生冲刷；当G1=G2时，桥下冲淤平衡，一般冲刷深度至此达到最大值。达到最大值。‡由试验得出：单宽推移质输沙率与流速的4次方成正比，即4gvα=sgvα=第一节桥下一般冲刷计算44111s11111111QGBgBvBBhαα⎛⎞===⎜⎟⎝⎠11442BhQGBgBvBαα⎝⎠⎛⎞===⎜⎟⎜⎟22js222j2222j2GBgBvBBhαα===⎜⎟⎜⎟⎝⎠又因为桥下断面的排沙量为()2j21BBμλ=−又因为桥下断面的排沙量为122p31,GGhh==⎡⎤⎛⎞⎛⎞∵令又()44221p11121QBhhQBααμλ⎡⎤⎛⎞⎛⎞=⎢⎥⎜⎟⎜⎟−⎝⎠⎝⎠⎣⎦⎣⎦„考虑到单宽流量分布不匀及集中趋势的影响，实用上一般第一节桥下一般冲刷计算„考虑到单宽流量分布不匀及集中趋势的影响，实用上一般冲刷深度常按下式计算:()113421pdmax121mmQBhKAhQBμλ⎛⎞⎛⎞=⎜⎟⎜⎟⎜⎟−⎝⎠⎝⎠()12Qμ⎝⎠⎝⎠„1984年-1990年，总结使用经验，根据理论论证和我国实桥资料分析，建立简化公式：()0.660.90c2Pdcm1.041BQhAhQλ⎡⎤⎛⎞=⎢⎥⎜⎟⎢⎥()Pdcmccg1QBμλ⎢⎥⎜⎟−⎢⎥⎝⎠⎣⎦第二节桥墩局部冲刷计算桥墩局部冲刷计算桥墩局部冲刷计算修建在河床内的桥墩，经受着桥位河段及桥下断面的一般冲刷，同时，桥墩阻挡水流，水流在桥墩两侧绕的一般冲刷，同时，桥墩阻挡水流，水流在桥墩两侧绕流，形成十分复杂的，以绕流涡旋体系为主的绕流结构，引起桥墩周围急剧的泥沙运动，形成桥墩周围局部冲刷坑。为便于分析计算，假定桥墩局部冲刷是在一般冲刷坑。为便于分析计算，假定桥墩局部冲刷是在一般冲刷完成后的基础上进行的。第二节桥