水力学与桥涵水文第十三章.ppt

叶镇国 彭文波 编著 水力学与桥涵水文 叶镇国 彭文波 编箸 水力学与桥涵水文 水力学与桥涵水文 第十三章 桥梁墩台冲刷计算 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 13-2 墩台冲刷类型 13-3 桥下断面一般冲刷深度 13-4 墩台局部冲刷深度 13-5 桥下河槽最低冲刷线 * 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 泥沙分类 悬移质——颗粒较细的泥沙被水流带起，悬浮于水中向下游运动 。 推移质——颗粒稍大的泥沙，在床面上滚动、滑动或跳跃着间歇性地向下游移动。 床沙——下沉到河床床面静止不动的泥沙 。 泥沙的主要特性 几何特性 一般用泥沙颗粒的直径（粒径d）、粒径级配曲线、平均粒径或中值粒径（d50）来表示。 * 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 粒径——与泥沙颗粒同体积的球体直径，即等容直径。 测量方法：筛分法、水析法、直接量测长短轴 粒径级配曲线：表明沙样颗粒的大小和均匀程度。 （图 9-16） * 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 平均粒径 中值粒径——大于和小于该粒径的泥沙质量（或重量）各占一半。 重力特性 泥沙颗粒实体的单位体积的重力，即重度。 一般平均为26kN/m3 。 水力特性 沉降速度——泥沙颗粒在静止的清水中均匀下沉的速度。 （9-20） * 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 泥沙的起动 泥沙的起动：在水流推动下，床面泥沙颗粒由静止开始运动。 泥沙起动的受力分析 起动流速v0：床面泥沙颗粒在各种外力作用下，失去平衡，泥沙开始运动时的水流垂线平均流速。 张瑞瑾公式 （图9-21） * 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 沙波运动形式示意图 * 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 天然河流中的沙波 * 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 输沙率、含沙量与挟沙力 推移质输沙率——单位时间内在过水断面单位河槽宽度上，通过的推移质的重量。 反映推移质运动的强烈程度。 窦国仁公式 推移质输沙率与流速4次方成正比，因此，大多数推移质集中在流速最大的主流区内，而且一年中推移质的很大部分是在几次大洪水过程中通过的。 * 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 含沙量——单位体积内水流中所含悬移质的重量。 挟沙力——在一定的水力条件和边界条件下，单位体积的水流能够挟带泥沙的最大重量。 桥孔净长Lj——桥长扣除全部桥墩宽度后的长度。 河床的粗化 在冲刷河段内，床沙中的细颗粒泥沙被水流冲走，粗颗粒泥沙慢慢沉下来，河床表面层的泥沙粒径逐渐增大，形成自然铺砌的现象。 * 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 河床演变 河床演变——在天然状况下或人类活动的干扰后，河床形态逐渐的变化。 河床演变的基本原理 水流输沙不平衡引起河床演变 水流通过泥沙运动塑造河床形态，是最活跃的因素，起主导作用。 副流的存在是河床冲淤变形的直接原因。 影响河床演变的主要自然因素 上游来水条件，即流量的大小和变化。 * 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 上游来沙条件，即上游来沙量及其粒径组成。 河床地质、土质条件、河床比降。 河相关系 河相关系——描述河床均衡形态的几何因素（河宽 B、平均水深 h、比降 i、弯道半径 R 等）与来水、来沙条件（Q、d 等）存在的对应关系。 造床流量——与多年连续造床作用相当的某个流量数值。 稳定河宽公式 （9-25） * 13-1 河流的泥沙运动与河床演变 河槽宽度与水深的关系 单宽流量集中系数 （9-24） （13-3） * 13-2 墩台冲刷类型 概述 河道中水流驱使床面泥沙运动，泥沙运动后的床面形态又影响水流结构，水沙运动相互依存，相互影响，永恒变化。 桥梁设计中，必须合理地预估桥梁使用期间墩台周边的冲刷，为确定墩台基础最小埋置深度提供依据 桥梁墩台冲刷是桥梁水毁的直接原因，对桥梁安全的危害极大。 * 13-2 墩台冲刷类型 规范C30的一般规定： * 13-2 墩台冲刷类型 河床自然演变冲刷 定义：河床在水力作用及泥沙运动等因素影响下自然发育过程造成的冲刷现象。 规范C30条文 * 13-2 墩台冲刷类型 桥下断面一般冲刷 定义：桥下河床全断面发生的冲刷现象。 一般冲刷原理 建桥后，由于断面压缩使过水断面变小，流速加快，水流夹沙能力增强，从而产生的冲刷。 （图 13-1） * 13-2 墩台冲刷类型 墩台局部冲刷 定义：水流受墩台阻挡，在墩台附近局部范围内发生的冲刷现象。 * 13-3 桥下断面一般冲刷深度 一般冲刷深度hp 定义：一般冲刷完成后从设计水位算起的桥下最大铅垂水深。 64-1公式（冲止流速公式） 冲止流速vz——桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速。 冲止流速理论：桥下断面内的任一垂线流速都会由于桥梁墩台对河床的压缩而提高，此时将发生一般冲刷。随着冲刷的发展，垂线深