第7章橋梁墩臺沖刷計算

1、第第7章橋梁墩臺沖刷計算章橋梁墩臺沖刷計算 橋梁墩臺沖刷計算的目的是確定橋下最大沖刷深度，并確定橋梁墩臺沖刷計算的目的是確定橋下最大沖刷深度，并確定橋梁墩臺基礎(chǔ)最小埋置深度橋梁墩臺基礎(chǔ)最小埋置深度.。 橋梁墩臺的沖刷，除河床自然演變沖刷外，還有橋孔壓縮水橋梁墩臺的沖刷，除河床自然演變沖刷外，還有橋孔壓縮水流和墩臺阻水所引起的沖刷變形，這一過程是復(fù)雜的，現(xiàn)階段流和墩臺阻水所引起的沖刷變形，這一過程是復(fù)雜的，現(xiàn)階段我們采用的計算方法只能將這復(fù)雜的過程給出特定條件，分解我們采用的計算方法只能將這復(fù)雜的過程給出特定條件，分解為河床的自然演變沖刷、橋下一般沖刷、墩臺局部沖刷三個獨為河床的自然演變沖刷、橋

2、下一般沖刷、墩臺局部沖刷三個獨立的部分，并假定這三部分沖刷先后進行，可以分別計算，然立的部分，并假定這三部分沖刷先后進行，可以分別計算，然后疊加，作為橋梁墩臺的最大沖刷深度，從而確定墩臺基礎(chǔ)埋后疊加，作為橋梁墩臺的最大沖刷深度，從而確定墩臺基礎(chǔ)埋置深度。置深度。 河床的自然演變沖刷包括河床的自然演變沖刷包括4種類型：種類型：（1）河流發(fā)育成長過程中河床縱斷面的變形，如河源段的逐年）河流發(fā)育成長過程中河床縱斷面的變形，如河源段的逐年下切、河口段的逐年淤積。下切、河口段的逐年淤積。（2）河流橫向移動引起的變形，如邊灘下移、河灣發(fā)展、移動）河流橫向移動引起的變形，如邊灘下移、河灣發(fā)展、移動和裁彎取直

3、等。和裁彎取直等。（3）河段中泓線擺動引起的沖刷變形。）河段中泓線擺動引起的沖刷變形。（4）在一個水文周期內(nèi)，河槽隨水位、流量變化而發(fā)生的周期）在一個水文周期內(nèi)，河槽隨水位、流量變化而發(fā)生的周期性變形。性變形。 如何選取造床流量？如何選取造床流量？ 一般是選取一個較長的河段作為依據(jù)，在某一流量下，若各一般是選取一個較長的河段作為依據(jù)，在某一流量下，若各斷面的水位基本上與該河段的河灘齊平時，此流量即為造床流斷面的水位基本上與該河段的河灘齊平時，此流量即為造床流量。因為，此時的水流恰好充滿河槽，對河槽形態(tài)的塑造作用量。因為，此時的水流恰好充滿河槽，對河槽形態(tài)的塑造作用最大，水位再升高，則水流漫過河

4、灘，造床作用反而削弱。最大，水位再升高，則水流漫過河灘，造床作用反而削弱。1.橋下一般沖刷的計算橋下一般沖刷的計算 河上建橋后，由于橋梁壓縮水流，致使橋下流速增大，水流挾沙河上建橋后，由于橋梁壓縮水流，致使橋下流速增大，水流挾沙能力增強，在橋下斷面產(chǎn)生沖刷，隨著沖刷的發(fā)展，橋下河床不斷能力增強，在橋下斷面產(chǎn)生沖刷，隨著沖刷的發(fā)展，橋下河床不斷加深，過水面積加大，流速逐漸下降；待達到新的輸沙平衡狀態(tài)，加深，過水面積加大，流速逐漸下降；待達到新的輸沙平衡狀態(tài)，或橋下流速降低到河床的允許不沖流速時，沖刷即停止。這種由于或橋下流速降低到河床的允許不沖流速時，沖刷即停止。這種由于建橋后壓縮水流而在橋下河

5、床全斷面內(nèi)發(fā)生的普遍沖刷，稱為一般建橋后壓縮水流而在橋下河床全斷面內(nèi)發(fā)生的普遍沖刷，稱為一般沖刷。沖刷。 一般沖刷深度一般沖刷深度hP是指橋下河床在一般沖刷完成后從設(shè)計水位是指橋下河床在一般沖刷完成后從設(shè)計水位算起的某一垂線水深。算起的某一垂線水深。 當一般沖刷停止時，垂線平均流速為當一般沖刷停止時，垂線平均流速為Vz(m/s)，即沖止流速；流，即沖止流速；流速降低到?jīng)_止流速時，水深達到最大一般沖刷垂線水深速降低到?jīng)_止流速時，水深達到最大一般沖刷垂線水深hp(m)，即一般沖刷深度。即一般沖刷深度。 （1）非粘性土河床的一般沖刷）非粘性土河床的一般沖刷1）河槽部分（用）河槽部分（用64-1修正式

6、或修正式或64-2簡化式）簡化式）64-1修正式（見修正式（見P146147的推導(dǎo)）：的推導(dǎo)）： maxpzqhVmaxpzqhV5/3 1/2maxmax1qhin5/3 1/21qhinQQPPjqLL5/35/3Q()()maxmaxPmaxjhhqqhLhdmaxmaxqA qz0.15dz()BAH1/62/3zpVEdhp5/3maxdjmaxp1/6zQ()hALhqhVEdh2/3pp5/3maxdj3/5p1/6Q()hALhhEd （64-1修正式）修正式） 64-2簡化式簡化式 （自己看（自己看P147的推導(dǎo)）的推導(dǎo)）5/3ccmdcjc3/5p1/6Q()hABhhEd

7、41111 11sGgBVBc11 1QVB h4c1111 1Q()GBB h4222222(1)(1)sGgBVBdc222Q(1- )AVB h4c22222Q(1- )dAGBB h44cc11221 12pQQ()(1- )dABBB hB h1/43/4c21p11c2Q()()Q(1)dBhAhB （64-2簡化式）簡化式） 0.900.66cpc mccgQ1.04()Q(1)cdBhAhB2）河灘部分河灘部分 非粘性土河灘的一般沖刷深度可采用下式計算：非粘性土河灘的一般沖刷深度可采用下式計算： 5/3ttmtjtq5/6PH1Q()hBhhV.（2）粘性土河床的一般沖刷）粘性

8、土河床的一般沖刷 0p0pLLpP-WWWWIW -WI粘性土的液性指數(shù)粘性土的液性指數(shù)1）河槽部分）河槽部分3/5zpL10.33()VhIp5/3maxdj5/8pLQ()10.33()hALhhI 2）河灘部分）河灘部分 1/6pL10.33()zVhI5/3ttmtjtq6/7PLQ()10.33()hBhhI（3）建橋后橋下流量）建橋后橋下流量 通常在緩流河段建橋以后，橋梁構(gòu)筑物及橋梁兩端的引道會壓通常在緩流河段建橋以后，橋梁構(gòu)筑物及橋梁兩端的引道會壓縮一部分河道，使橋下流量產(chǎn)生再分配，河床斷面形態(tài)的勘測工縮一部分河道，使橋下流量產(chǎn)生再分配，河床斷面形態(tài)的勘測工作、橋梁及橋前引道的設(shè)

9、計工作大多做在建橋之前，而橋下沖刷作、橋梁及橋前引道的設(shè)計工作大多做在建橋之前，而橋下沖刷卻主要發(fā)生在橋梁使用期間（如建橋期間也發(fā)生特大洪水），建卻主要發(fā)生在橋梁使用期間（如建橋期間也發(fā)生特大洪水），建橋河段的水流及泥沙運動狀態(tài)會因橋梁的修建而發(fā)生改變，因橋河段的水流及泥沙運動狀態(tài)會因橋梁的修建而發(fā)生改變，因此，在沖刷計算的過程中，應(yīng)采用再分配后的流量。建橋前后的此，在沖刷計算的過程中，應(yīng)采用再分配后的流量。建橋前后的流量再分配形式如下圖所示。流量再分配形式如下圖所示。cpQQ tQ0 ccpctQQ =QQ +Q當建橋之后橋下河槽不能擴寬時：當建橋之后橋下河槽不能擴寬時：ttpctQQ =Q

10、Q +Q建橋后橋下河槽通過的設(shè)計流量建橋后橋下河槽通過的設(shè)計流量 建橋后橋下河灘通過的設(shè)計流量建橋后橋下河灘通過的設(shè)計流量 建橋前橋下河灘通過的設(shè)計流量建橋前橋下河灘通過的設(shè)計流量 建橋前橋下河槽通過的設(shè)計流量建橋前橋下河槽通過的設(shè)計流量 當建橋之后橋下河槽可以擴寬至全橋時：當建橋之后橋下河槽可以擴寬至全橋時： 2.橋墩的局部沖刷計算橋墩的局部沖刷計算 （1）橋墩沖刷機理）橋墩沖刷機理 流向橋墩的水流受到橋墩的阻擋，使橋墩周圍的水流發(fā)生急劇流向橋墩的水流受到橋墩的阻擋，使橋墩周圍的水流發(fā)生急劇變化。橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)主要包括墩前向下水流、墩前水面涌變化。橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)主要包括墩前向下水流、

11、墩前水面涌波和尺度很大的螺旋形旋渦體系。旋渦體系是一種綜合水流結(jié)構(gòu)，波和尺度很大的螺旋形旋渦體系。旋渦體系是一種綜合水流結(jié)構(gòu)，其中包括在墩前沖刷坑邊緣形成的繞橋墩兩側(cè)流向下游的螺旋形其中包括在墩前沖刷坑邊緣形成的繞橋墩兩側(cè)流向下游的螺旋形旋渦、橋墩兩側(cè)水流分離引起的尾流旋渦。旋渦體系在墩后及兩旋渦、橋墩兩側(cè)水流分離引起的尾流旋渦。旋渦體系在墩后及兩側(cè)還不斷地由床面附近釋放出小旋渦，向水面發(fā)展。墩前水流流側(cè)還不斷地由床面附近釋放出小旋渦，向水面發(fā)展。墩前水流流線接近橋墩頭部發(fā)生急劇變化，劇烈淘刷橋墩周圍，特別是迎水線接近橋墩頭部發(fā)生急劇變化，劇烈淘刷橋墩周圍，特別是迎水面的河床泥沙，開始產(chǎn)生橋墩

12、頭部的局部沖刷坑。隨著沖刷坑的面的河床泥沙，開始產(chǎn)生橋墩頭部的局部沖刷坑。隨著沖刷坑的不斷加深和擴大，水流流速減小，挾沙能力也隨之降低。與此同不斷加深和擴大，水流流速減小，挾沙能力也隨之降低。與此同時，沖刷坑內(nèi)發(fā)生了土壤粗化現(xiàn)象，留下了粗粒土壤覆蓋在沖刷時，沖刷坑內(nèi)發(fā)生了土壤粗化現(xiàn)象，留下了粗粒土壤覆蓋在沖刷坑表面上，增大了土壤的抗沖能力和坑底的粗糙度，一直到水流坑表面上，增大了土壤的抗沖能力和坑底的粗糙度，一直到水流對河床泥沙的沖刷作用與河床泥沙抗沖作用達到平衡時，沖刷則對河床泥沙的沖刷作用與河床泥沙抗沖作用達到平衡時，沖刷則停止。沖刷坑外緣與坑底的最大高差，稱作最大局部沖刷深度。停止。沖刷

13、坑外緣與坑底的最大高差，稱作最大局部沖刷深度。見下圖：見下圖： 右圖為根據(jù)模型試驗和實測右圖為根據(jù)模型試驗和實測 資料繪出的沖刷深度與墩前行資料繪出的沖刷深度與墩前行 近流速的關(guān)系曲線。從圖中可近流速的關(guān)系曲線。從圖中可 以看出，在清水沖刷以看出，在清水沖刷 （ ） 階段，沖刷深度階段，沖刷深度hb隨行近流速隨行近流速V 直線增加；在動床沖刷階段直線增加；在動床沖刷階段 （V V0）階段，沖刷深度）階段，沖刷深度hb 隨行近流速隨行近流速V呈下凹曲線形式增加；在呈下凹曲線形式增加；在V=V0處，這兩種狀處，這兩種狀 態(tài)是連續(xù)的。態(tài)是連續(xù)的。00VVV 沖刷坑的深度和大小與很多因素有關(guān)，除墩前行

14、近流速沖刷坑的深度和大小與很多因素有關(guān)，除墩前行近流速V外外，主要的還有橋墩寬度、墩形、水深、床沙粒徑等。主要的還有橋墩寬度、墩形、水深、床沙粒徑等。 （2）非粘性土河床橋墩局部沖刷計算）非粘性土河床橋墩局部沖刷計算 公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范（JTG C302002）推薦使用）推薦使用65-2和和65-1修正式：修正式：1）65-2式式0VV0.60.150b21p0()VVhK KBhV當當時：時： 當當VV0時：時： 2n0.60.150b21p0()VVhK KBhV0.2422.20.00230.375Kdd0.500.28(0.7)Vd0.5500.12(0.

15、5)Vd0.23 0.19102n()gdVV 2）65-1修正式修正式當當0VV時：時： 0.6b110()hK K BVV當當VV0時：時： 1n0.60b110000()()VVhK K BVVVVpp0.1400.72100.0246()332hhVddd0.060010.462()dVVB10.450.15110.8()Kdd0.190.2501()dVnV3）一般沖刷后墩前行近流速）一般沖刷后墩前行近流速V的計算的計算對于非粘性土河槽：對于非粘性土河槽： 按按64-1修正式計算一般沖刷深度修正式計算一般沖刷深度hp時：時： 1/62/3pVEdh按按64-2簡化式計算一般沖刷深度簡

16、化式計算一般沖刷深度hp 時：時：42/3cccmcccgcQ() ()1.04 Q(1)dABhVVBh對于非粘性土河灘，按對于非粘性土河灘，按64-1修正式計算一般沖刷深度修正式計算一般沖刷深度hp時：時：1/5H1pVV h對于粘性土河槽，按式（對于粘性土河槽，按式（7.24)計算一般沖刷深度計算一般沖刷深度hp時：時：3/5zpL10.33()VhI對于粘性土河灘，按式（對于粘性土河灘，按式（7.26)計算一般沖刷深度計算一般沖刷深度hp時：時：1/6zpL10.33()VhI 3.橋臺沖刷計算橋臺沖刷計算 （1）橋臺的沖刷機理）橋臺的沖刷機理 橋臺附近的水流由于主流

17、區(qū)（無旋流動），下游回流區(qū)（有旋橋臺附近的水流由于主流區(qū)（無旋流動），下游回流區(qū)（有旋流動）和上游滯流區(qū)（有旋流動）三部分組成。被束窄的主流導(dǎo)流動）和上游滯流區(qū)（有旋流動）三部分組成。被束窄的主流導(dǎo)致上游壅水和河道的一般沖刷。急速繞過橋臺的水流，在橋臺上致上游壅水和河道的一般沖刷。急速繞過橋臺的水流，在橋臺上游邊緣與壁面邊界層分離，形成強烈的豎軸旋渦體系，并不斷地游邊緣與壁面邊界層分離，形成強烈的豎軸旋渦體系，并不斷地向下游擴散，形成回流區(qū)。旋渦中心形成負壓，吸起床面泥沙，向下游擴散，形成回流區(qū)。旋渦中心形成負壓，吸起床面泥沙，卷向下游回流區(qū)沉淀下來，形成橋臺沖刷和回流區(qū)淤積，如下兩圖卷向下游

18、回流區(qū)沉淀下來，形成橋臺沖刷和回流區(qū)淤積，如下兩圖所示。橋臺前緣上游側(cè)，水流與橋臺壁面分離處，不斷生成旋渦。所示。橋臺前緣上游側(cè)，水流與橋臺壁面分離處，不斷生成旋渦。渦心床面泥沙壓強較無旋渦處的壓強減小。這里流速最大，床面壓渦心床面泥沙壓強較無旋渦處的壓強減小。這里流速最大，床面壓強最小，沖刷最深。強最小，沖刷最深。 （2）非粘性土河床橋臺沖刷計算公式）非粘性土河床橋臺沖刷計算公式 1）95-1公式公式0.200.50srzA1.95hFAC Co90o90橋軸與水流斜交，兩岸橋臺橋軸與水流斜交，兩岸橋臺a不同，一岸不同，一岸，另，另一岸一岸，如下圖，如下圖所示：所示： 0.15o()90aa

19、C 2）美國聯(lián)邦公路局（）美國聯(lián)邦公路局（FHWA）推薦公式）推薦公式125ah0.400.33s1112.15()rhaFhh（3）粘性土河床橋臺的沖刷計算公式）粘性土河床橋臺的沖刷計算公式125ah0.33s114rhFh1.975/8L3(1.05)1sAhqIeC C（4）橋梁墩臺基底最小埋深）橋梁墩臺基底最小埋深 在洪水的沖刷過程中，河床在洪水的沖刷過程中，河床的自然演變沖刷、一般沖刷和的自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷三種沖刷是交織在一局部沖刷三種沖刷是交織在一起進行的，但是為了便于分析起進行的，但是為了便于分析和計算，假定局部沖刷在一般和計算，假定局部沖刷在一般沖刷的基礎(chǔ)上進行，

20、將三種沖沖刷的基礎(chǔ)上進行，將三種沖刷分別計算，然后疊加。刷分別計算，然后疊加。mPpb()ZZhhh 橋下河床通常由一層層不同物理力學(xué)性質(zhì)的土質(zhì)組成，不同土橋下河床通常由一層層不同物理力學(xué)性質(zhì)的土質(zhì)組成，不同土層的抗沖刷能力也不相同，因此就產(chǎn)生了多層土壤構(gòu)成的河床上層的抗沖刷能力也不相同，因此就產(chǎn)生了多層土壤構(gòu)成的河床上沖刷的計算問題。分層土河床的沖刷可采用逐層漸近計算法進行，沖刷的計算問題。分層土河床的沖刷可采用逐層漸近計算法進行，以兩層不同的土壤構(gòu)成的河床為例說明：以兩層不同的土壤構(gòu)成的河床為例說明： 當?shù)诙油寥谰哂斜鹊谝粚油寥栏蟮目箾_刷能力時，如果采當?shù)诙油寥谰哂斜鹊谝粚油寥栏蟮?/p>

21、抗沖刷能力時，如果采用第一層土壤的特征計算的沖刷線位于第一層內(nèi)時，此沖刷線可用第一層土壤的特征計算的沖刷線位于第一層內(nèi)時，此沖刷線可以作為沖刷線的采用值；如果采用第一層土壤的特征計算的沖刷以作為沖刷線的采用值；如果采用第一層土壤的特征計算的沖刷線位于第二層內(nèi)并使用第二層的土壤特征計算的沖刷線位于第一線位于第二層內(nèi)并使用第二層的土壤特征計算的沖刷線位于第一層內(nèi)時，取一二層的交界處作為沖刷線的采用值。層內(nèi)時，取一二層的交界處作為沖刷線的采用值。 當當?shù)诙油寥赖目箾_刷能力比第一層土壤小時，如果采用第一第二層土壤的抗沖刷能力比第一層土壤小時，如果采用第一層土壤的特征計算的沖刷線位于第一層內(nèi)，此時沖刷

22、線到本層底層土壤的特征計算的沖刷線位于第一層內(nèi)，此時沖刷線到本層底面應(yīng)留有一定的安全值面應(yīng)留有一定的安全值B，對挾沙的河槽要求達到，對挾沙的河槽要求達到B0.17hP，對，對不挾沙的河灘水流要求達到不挾沙的河灘水流要求達到B0.147hP，滿足上述要求時，計算，滿足上述要求時，計算沖刷線即為采用沖刷線；當安全值沖刷線即為采用沖刷線；當安全值B不能滿足上述要求時，應(yīng)采不能滿足上述要求時，應(yīng)采用第二層土壤特征計算的沖刷線，如果其仍位于第一層內(nèi)，此計用第二層土壤特征計算的沖刷線，如果其仍位于第一層內(nèi)，此計算值可作為沖刷線的采用值，如果計算沖刷線仍位于第二層內(nèi)，算值可作為沖刷線的采用值，如果計算沖刷線

23、仍位于第二層內(nèi)，應(yīng)按上述方法考慮第三層土壤的沖刷可能性。應(yīng)按上述方法考慮第三層土壤的沖刷可能性。 如上圖所示，對于天然地基上的淺基礎(chǔ)（埋置深度如上圖所示，對于天然地基上的淺基礎(chǔ)（埋置深度5m時），在確定墩臺基礎(chǔ)的基底標高時，需要考慮的因素很時），在確定墩臺基礎(chǔ)的基底標高時，需要考慮的因素很多，如地基的地質(zhì)條件、當?shù)氐牡匦螚l件、橋梁的形式、當多，如地基的地質(zhì)條件、當?shù)氐牡匦螚l件、橋梁的形式、當?shù)氐膬鼋Y(jié)深度（寒冷地區(qū)）、地基的承載能力、河流的沖刷地的凍結(jié)深度（寒冷地區(qū)）、地基的承載能力、河流的沖刷深度等。實際設(shè)計時，為了確保基礎(chǔ)的穩(wěn)定和安全，多個因深度等。實際設(shè)計時，為了確保基礎(chǔ)的穩(wěn)定和安全，多個

24、因素往往需要綜合考慮，以確定墩臺基礎(chǔ)的基底標高。素往往需要綜合考慮，以確定墩臺基礎(chǔ)的基底標高。 位于非巖性地基上的淺基礎(chǔ)，對于有沖刷的河流，為了防位于非巖性地基上的淺基礎(chǔ)，對于有沖刷的河流，為了防止橋梁墩臺基礎(chǔ)四周和基底下的土層被水流淘空沖走，不致止橋梁墩臺基礎(chǔ)四周和基底下的土層被水流淘空沖走，不致使墩臺基礎(chǔ)失去支持而倒塌，基礎(chǔ)必須埋置在設(shè)計洪水的最使墩臺基礎(chǔ)失去支持而倒塌，基礎(chǔ)必須埋置在設(shè)計洪水的最大沖刷線以下一定的深度，以保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。在一般情大沖刷線以下一定的深度，以保證基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。在一般情 況下，小橋涵基礎(chǔ)底面應(yīng)設(shè)置在設(shè)計洪水沖刷以下不小于況下，小橋涵基礎(chǔ)底面應(yīng)設(shè)置在設(shè)計洪水沖刷以下不小