桥涵水文_第七章 桥墩和桥台冲刷.ppt

第七章 桥墩和桥台冲刷 为了保证桥梁的安全和顺利宣泄设计洪水，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，以免遭受洪水冲刷而破坏。因此，设计桥梁时，必须合理地预计桥梁使用期限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。 第七章 桥墩和桥台冲刷 建桥后，除河床的自然演变以外，还有桥梁孔径压缩水流和墩台阻挡水流引起的冲刷，各种冲刷交织在一起同时进行，冲刷过程非常复杂。墩台周围河床的最大冲刷深度，是各种冲刷综合作用的结果，直接威胁着墩台基础的安全。为了便于研究和计算，把这一复杂综合的冲刷过程，分为独立的三部分，即自然（演变）冲刷、一般冲刷和局部冲刷，并假定它们独立地相继进行，可以分别计算，然后叠加，作为墩台的最大冲刷深度和确定墩台基础的埋置深度的依据。 第七章 桥墩和桥台冲刷 第一节 泥沙运动 天然河床是由大小不同、形状各异的泥沙所组成。根据泥沙在河槽内运动的状态，可分为悬移质和推移质两类。 悬移质：在河流中，泥沙处于运动状态，颗粒较细的泥沙被水流中的紊流游涡带起，悬浮于水中向下游运动，前进的速度与水流的流速基本相同，这种泥沙称为悬移质 推移质：在河流的运动过程中，颗粒稍大的泥沙，在河床表面上滚动、滑动或跳跃着向下游移动，前进的速度远远小于水流的流速，这种泥抄称为推移质。推移质群体的运动形态，呈现为床面上的沙波运动。 床沙：比推移质颗粒更大的泥沙，下沉到河床上静止不动，称为床沙。 悬移质、推移质和床沙之间颗粒大小的分界是相对的，随水流的流速大小而变化，并且三者之间还存在着相互交换的现象。 第一节 泥沙运动 第一节 泥沙运动 对于河槽内处于运动状态的泥沙，根据颗粒粗细及其来源又分为床沙质和冲泻质两类。 床沙质：某一河段来自上游的泥沙中，一部分颗粒较粗，在床沙的组成中大量存在，可以认为它们直接来自上游的河床，并与本河段床沙有交换现象，这一部分泥沙就称为床沙质。 冲泻质：另一部分颗粒较细的泥沙，在床沙的组成中只有少量存在或根本不存在，可以认为它们来自流域的表面冲蚀，随水流冲泻而下，沿程与床沙无交换现象，并且也很少沉积，称为冲泻质 床沙质与冲泻质的颗粒粗细也是相对的，随着水流条件及河流形态的改变，也将互相转化。床沙质、冲泻质和悬移质、推移质，是对运动中的泥沙的两种分类，不可混淆。 床沙质直接参与造床作用，是河床演变的主要影响因素，而冲泻质的影响则很小。对于桥梁上下游，因水流急剧变化，引起河床变形和墩台附近的冲刷，起主要作用的是推移质和床沙；颗粒很细的悬移质泥沙，对长河段的河床演变才起主要作用。 第一节 泥沙运动 一、泥沙的主要特征 几何特征 河床泥沙是由大小不同、形状各异的泥沙颗粒组成的集合。泥沙的几何 特性一般用泥沙颗粒的粒径(d)、粒径级配曲线(粒配曲线)、平均粒径( )或中值粒径(d50)来表示。 重力特征 泥沙的重力特性用泥沙颗粒实体的单位体积的重力来表示，称为容重γs(或重度)，单位为N/m3。另外，干容重γ’也表示沙洋的重力特性，用单位体积的原状土样中颗粒的重力来表示，γ’越大，泥沙越密实。泥沙的重度随岩石成分而不同，但实测资料表明其变化不大，一般可采用26k N/m3。 水力特征 泥沙的水力特性，由泥沙颗粒在静止的清水中均匀下沉的速度来表示，称为沉速，符号为ω(cm/s)。沉速是反映泥沙运动和河床冲淤可能性的重要参数。 1、几何特征 1）粒径：泥沙颗粒形状极不规则，通常采用与泥沙颗粒同体积的球体直径，即等容直径d来表示泥沙颗粒的大小，以m或mm计 第一节 泥沙运动 第一节 泥沙运动 3）平均粒径和中值粒径：平均粒径和中值粒径都可以作为沙样的代表粒径。 平均粒径：沙样中各级粒径(重量)的加权平均值。沙样平均粒径的计算公式为： （7-1-1） di—各级粒径，若用筛分法格局筛径将沙样分为几组，di为上下两级筛孔的均值； pi—各级泥沙的质量(或重量)。 中值粒径d50，是沙样中大于和小于这种粒径的泥沙质量(或重量)各占一半的那种粒径，可从沙样的粒配曲线上查得。 第一节 泥沙运动 二、泥沙的起动 泥沙的起动—河床上的泥沙在水流作用下，由静止状态转变为运动状态 泥沙的起动条件—泥沙起动是泥沙运动和河床变形的临界状态，此时的临界水流条件称为泥沙的起动条件。 泥沙颗粒的起动，是床面泥沙颗粒收到的驱动力和抗拒力以及这些力产生的力矩时区平衡的结果。泥沙颗粒周围的水流和受力状态如图7-1-2所示。 第一节 泥沙运动 颗粒受