橋墩和橋臺一般及局部沖刷原理及計算公式第一節(jié)泥沙運動第二節(jié)河床演變和河相關(guān)系第三節(jié)一般沖刷第四節(jié)局部沖刷第五節(jié)橋臺沖刷第六節(jié)最低沖刷線高程第一節(jié)泥沙運動要研究泥沙運動規(guī)律，首先應(yīng)了解泥沙的基本特性，它包括：1.幾何特性：泥沙顆粒的形狀、大小及群體泥沙的組合特性2.重力特性：泥沙顆粒的容重與淤積泥沙的干容重3.水力特性：泥沙顆粒的沉降速度泥沙類型懸移質(zhì)推移質(zhì)床沙泥沙運動泥沙運動一、泥沙的主要特性1幾何特性粒徑d粒徑級配曲線平均粒徑d和中值粒徑d用等容粒徑表示50粒配曲線：表示天然沙顆粒組成的曲線.繪制過程：取樣→烘干→篩分→稱重→點線→求各種特征值.曲線坐標(biāo)：半對數(shù)坐標(biāo)2重力特性用容重表示3水力特性用沉速表示單顆粒泥沙在靜止的無限大的清水水體中勻速下沉的速度(cm/s)。二、泥沙的運動泥沙的起動—在水流推動下，床面泥沙顆粒由靜止開始運動。起動流速---床面泥沙顆粒在各種外力作用下，失去平衡，泥沙開始運動時的水流垂線上的平均流速。費玉清起動流速公式：重力項粘粒項流速換算項張瑞瑾起動流速公式：流速換算項重力項粘粒項當(dāng)d≥2mm時，該式變?yōu)椋簭埲痂胶唾M玉清公式在計算起動流速時的差別三沙波運動沙質(zhì)河床的床面泥沙在水流作用下，泥沙起動后出現(xiàn)推移質(zhì)運動，形成床面沙波。當(dāng)Fr很小時，僅出現(xiàn)沙紋；當(dāng)Fr增大到一定程度，沙紋成長為沙壟；水流強度再增大，則變?yōu)樯城?。裸露的黃河河床—沙紋

沙波運動是水流強度達到一定強度后，推移質(zhì)運動的集體形式此時，床面起伏不平的波浪形態(tài)，是推移質(zhì)運動的主要形態(tài)。四推移質(zhì)質(zhì)輸沙率沙波運動是推推移質(zhì)運動的的主要形式，，而推移質(zhì)輸輸沙率的大小小則反映推移移質(zhì)運動的強強烈程度。推移質(zhì)輸沙率率是單位時間間內(nèi)在過水?dāng)鄶嗝鎲挝缓硬鄄蹖挾壬希ㄍㄟ^的推移質(zhì)質(zhì)的質(zhì)量，用用表表示，單位位是kg/s.m竇國仁德推移移質(zhì)輸沙率公公式式中---系數(shù)，一般取取0.01---謝才系數(shù)，無無量綱，---起動流速---泥沙沉速---水和泥沙的容容重五含沙沙量和挾砂能能力六河河床的粗化含沙量—單位體積內(nèi)水水流中所含懸懸移質(zhì)的質(zhì)量量，kg/m在一定條件和和邊界條件下下，單位體積積的水流能夠夠挾帶泥沙的的最大數(shù)量或或質(zhì)量(包括推移質(zhì)和和懸移質(zhì))，稱為水流的的挾砂率。3在沖刷河段內(nèi)內(nèi)，床沙中的的細(xì)顆粒被水水流沖走，上上游來沙中的的粗顆粒泥沙沙慢慢沉下來來，這樣，河河床表面層的的泥沙粒徑逐逐漸增大，形形成自然鋪砌砌的現(xiàn)象，稱稱為河床的粗粗化。第二節(jié)河河床演化和和河相關(guān)系一副副流由于過水?dāng)嗝婷嫘螤畹母淖冏兓蚝硬鄣挠坝绊?，伴隨著著主流，在水水流內(nèi)部形成成一種尺度較較大的旋轉(zhuǎn)流流動，這種從從屬于主流而而存在的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)流動稱為副副流。副流立軸副流(回流)平軸副流(滾流)順軸副流(螺旋流)河相關(guān)系：水流與河床長長期相互作用用使河流朝著著平衡的方向向發(fā)展，當(dāng)其其處于平衡或準(zhǔn)準(zhǔn)平衡狀態(tài)時時，河床形態(tài)態(tài)與流域來水水、來沙條件件和河床邊界條條件之間存在在著的密切關(guān)關(guān)系。二河床演演變的基本概概念河床演變是水水流與河床不斷相互作用用的過程，在這一過程中中，泥沙運動是紐帶。任任一河段在特定水流條件件下有一定挾沙能力。河床演變是指指：河道在天然情情況下或受人工因素的的影響下所發(fā)生的變化化。當(dāng)上游來沙量量與水流挾沙沙能力互相適適應(yīng)時,水流處于輸沙平衡衡狀態(tài),河床保持相對對穩(wěn)定；如上上游來沙量與水流流挾沙能力不不適應(yīng),水流輸沙不平平衡,河床就產(chǎn)生相相應(yīng)沖淤變化化。河床變化化反過來又會改變水流條條件，從而引引起水流挾沙沙能力的變化，變化的趨趨勢是盡量使使上游來沙量量與水流挾沙沙能力相適應(yīng)，，使河床保持持相對平衡。。河流存在兩個個反饋系統(tǒng)：(1)水流挾帶泥沙沙，泥沙的存存在又影響水水流結(jié)構(gòu)；(2)水流作用于河河床，使河床床發(fā)生變化，，河床形態(tài)反反過來又影響響流速分布。。它們相互依存存，相互影響響，又相互制制約。水流與河床的的相互作用是是通過河流中中泥沙的沖刷刷、搬運和堆堆積而實現(xiàn)的的，泥沙在其其中起著紐帶帶作用。當(dāng)流速增加，，組成河床的的泥沙遭到?jīng)_沖刷，使河床床降低或拓寬寬；當(dāng)流速減小，，水中挾帶的的泥沙沉積于于河床上，使使河床抬高或或束窄，河床床就會發(fā)牛相相應(yīng)的變化。。河床演變是水水流、泥沙與與河床相互作作用的反映。。山區(qū)河流河床床演變特性1、山區(qū)河流常常具有寬窄相相間的外形，，洪水期峽谷谷進口、懸移移質(zhì)在上游寬寬闊段內(nèi)大量量落淤。非汛汛期寬闊段““走沙”時沖沖刷外移的泥泥沙，在進入入下游峽谷段段時，由于水水深流緩，大大部分在峽谷谷段淤積。（例：瀾滄江江）2、彎曲型河流流，由于兩岸岸受山崖階地地的鉗制，自自由活動的余余地較小，河河床蠕動只能能順著河谷方方向平移。3、分汊河流的的江心州和心心灘位置較固固定，以兩汊汊居多。4、河床卵石運運動在時間分分布上具有明明顯的不連續(xù)續(xù)性。同時，，卵石的輸沙沙率有很大的的波動。5、沿程有不少少溪溝入?yún)R，，在溝口發(fā)育育形成沖積扇扇，其伸人干干流部分成為為溪口灘（例），既影響河床床的演變又影影響航運。瀾滄江阿達箐箐灘平原河流的河河床演變主要表現(xiàn)：多多呈現(xiàn)周期性性的往復(fù)變形形、平面上的的擺動，沖淤淤變形速度快快、幅度大都天廟凹沖凸凸淤，且速度度均快和暢洲頭沖尾尾淤，江心洲洲不斷下移，，但頭沖快而而尾淤慢主流線不斷左左移引起凹岸岸沖刷，下移移引起和暢洲洲頭崩坍后退退影響河床演化化的因素1上游來水條件件，即流量的的大小和變化化流量大大，沖沖擊力力強，，對河河床沖沖刷嚴(yán)嚴(yán)重，，變形形快；；雨季季和旱旱季的的變化化，河河床也也出現(xiàn)現(xiàn)周期期性變變化。。2上游來來沙條條件，，即上上游來來沙量量及其其粒徑徑的變變化流量大大，挾挾砂能能力強強，泥泥沙顆顆粒也也大，，對河河床沖沖刷嚴(yán)嚴(yán)重，，變形形快。。3河床地地質(zhì)、、土質(zhì)質(zhì)條件件、河河床比比降為為河床床演變變提供供邊界界條件件。三河河相關(guān)關(guān)系造床流流量—河床形形態(tài)是是在無無數(shù)次次洪水水過程程中、、水沙沙相互互作用用下連續(xù)演演變的的結(jié)果果。為為研究究河相相關(guān)系系，人人們引引入““一個個與多多年連連續(xù)造床作作用相相當(dāng)?shù)牡哪硞€個流量量數(shù)值值”。。在橋梁梁工程程中，，取與與河灘灘水位位齊平平時的的河槽槽流量量作為為造床床流量量。特點：：造床床作用用最大大不是最最大流流量，，因為為其歷歷時短短不是最最小流流量，，因為為其流流量及及動量量小是流量量較大大歷時時較長長的某某級流流量基本河河寬公公式河槽寬寬度與與水深深的關(guān)關(guān)系B---平攤水水位(造床流流量)時的河河槽寬寬度H---平攤水水位(造床流流量)時的河河槽平平均水水深---斷面河相系系數(shù)單寬流量集集中系數(shù)A第三節(jié)橋橋下河河床斷面的的一般沖刷刷橋下河床沖沖刷計算，，是確定墩墩臺基礎(chǔ)埋埋深的重要要依據(jù)。河床變形分分為三類：：1.河道自然變變化引起，，稱為自然然沖刷；2.橋渡束狹水水流，增加加單寬流量量所引起的的全斷面沖沖刷，稱一一般沖刷，，用h表示；3.由橋墩阻水水使水流結(jié)結(jié)構(gòu)變化，，在橋墩周周圍發(fā)生的的沖刷，稱稱局部沖刷刷，用h表示。bp一般沖刷沖刷停止時時橋下的垂線水深深表示該垂線處的的一般沖刷深度。。橋墩前水流流形態(tài)發(fā)生生的變化橋墩前的局局部沖刷一、根據(jù)輸輸沙平衡原原理建立的的公式根據(jù)輸沙平平衡原理，，應(yīng)該是該該斷面推移移質(zhì)輸沙量量G的輸沙平衡衡。上游天然斷斷面橋下斷面GG12即---上游天然斷斷面河槽寬寬度---橋下河槽寬寬度，一般般砂性土河河床建橋后后，橋下河槽可擴展展到整個橋橋孔，B=L;否則，B=B22cq---上游天然斷斷面單寬輸輸沙率---橋下斷面單單寬輸沙率率式中將上式帶入入輸沙率公公式得：見表6-3-11964年甘城道將將上式改寫寫成：---系數(shù)---橋下河槽最最大水深---造床流量時時的最大水水深和平均均水深---單寬流量集集中系數(shù)---系數(shù)，一般般取0.216~~0.2431984~1990進一步簡化化為---橋下河槽通通過的流量量---計算斷面的的天然河槽槽流量Q---天然狀態(tài)下下，橋下河河灘部分通通過的流量量---該式被稱為為64-2簡化公式，，用于沙質(zhì)質(zhì)河床c二、根據(jù)沖沖止流速建建立的公式式1、砂性土河河槽的一般般沖刷公式式一般沖刷停停止時橋下下的垂線平平均流速，，稱為沖止止流速。沖止流速一般沖刷深深度橋下平均單單寬流量橋下最大單單寬流量該式又被稱稱為64-1公式E-可查表6-3-22、砂性土河河灘的一般般沖刷公式式----河灘部分的的沖止流速速---橋下河灘部部分通過的的部分設(shè)計計流量---河灘水深1m時，非粘性性土的不沖沖刷流速，，可查表6-3-3---天然狀態(tài)下下河灘部分分通過的流流量3、粘性土河河床的橋下下斷面一般般沖刷公式式平均粒徑小小于0.005mm的泥沙，稱稱為粘性土土。土力學(xué)中反反映粘土粘粘結(jié)力大小小的指標(biāo)為為液性指數(shù)數(shù)I和孔隙率e。I和e越小，粘土土的粘結(jié)力力越大，抗抗沖能力越越強，沖止止流速也就就越大。LL沖止流速橋下河槽橋下河灘三、根據(jù)別別列柳伯斯斯基假設(shè)建建立的公式式E.B.包爾達克夫夫根據(jù)別氏氏假設(shè)認(rèn)為為：橋下流流速達到天天然河槽平均流速時時，橋下沖沖刷即停止止，而且同同一垂線處處、沖刷后后的水深與沖刷刷前的水深深成正比，，又稱為包包爾達克夫夫公式，適適應(yīng)于穩(wěn)定性河河段的河槽槽。1、河槽土質(zhì)質(zhì)均勻時---沖刷前的面面積2、河槽土質(zhì)質(zhì)不均勻時時---河床易沖刷刷部分沖后后水深---沖刷前橋下下毛過水?dāng)鄶嗝婷娣e---沖刷前易沖沖刷部分毛毛過水?dāng)嗝婷婷娣e---沖刷后不易易沖刷（表表層土壤被被沖走后））的毛過水水?dāng)嗝婷娣e積第四節(jié)橋橋墩的的局部沖刷刷1.橋墩局部沖沖刷的機理理橋墩周圍的的水流：墩前水面涌涌波墩前迎水面面的向下水水流漩渦體系2.沖刷深度和和行近流速速行近流速是指橋墩上上游不遠處處，未受繞流影影響的墩前前天然流速速。取一般沖刷刷終止后的的墩前流速速作為墩前行行近流速，，相應(yīng)的墩墩前水深也是取取一般沖刷刷后的最大大水深hp來計算。1964年，橋渡沖沖刷學(xué)術(shù)會會議為了制制定橋渡局局部沖刷公公式，假定定：清水沖刷沖沖刷刷深度h隨行近流速速直直線增加；；動床沖刷刷沖刷深度h隨行近流速速呈呈下凹曲曲線形式增增大；在處這兩種狀狀態(tài)是連續(xù)續(xù)的。bb起沖流速起動流速二.65-2公式和65-2修正公式1.65-2公式---墩形系數(shù)，，見表6-4-1---計算墩寬---一般沖刷后后水深---起動流速起沖流速------行近流速系數(shù)---序號墩形示意圖圖墩形系數(shù)墩形計算寬寬度B1B1=d11.0B1=d234657891012112.65-2修正公式---起沖流速，，清水沖刷橋墩迎水面面兩側(cè)泥沙沙起沖流速計計算如下：：n---指數(shù)動床沖刷三.粘性土河床床橋墩局部部沖刷公式式二式的適應(yīng)應(yīng)范圍介介于于0.16~~1.48四.行近流速和和行近水深深假定局部沖沖刷是在一一般沖刷完完成后進行行的，應(yīng)取取一般沖刷刷后最大水水深作為行行近水深和和一般沖刷刷后垂線平平均流速作作為行近流流速。按輸沙平衡衡原理計算算一般沖刷刷時，行近近流速的計計算可近似似采用下式式：第五節(jié)橋橋臺沖刷一