1、第第 6 6 章章 橋下河床沖刷計算橋下河床沖刷計算 （Bridge Pier Scour Calculation） 為了保證橋梁的安全和順利宣泄洪水，橋梁不但為了保證橋梁的安全和順利宣泄洪水，橋梁不但要有足夠的橋孔長度和橋梁高度，而且，墩臺基礎還要有足夠的橋孔長度和橋梁高度，而且，墩臺基礎還要有足夠的埋置深度，以免遭受洪水沖刷破壞。因此，要有足夠的埋置深度，以免遭受洪水沖刷破壞。因此，設計橋梁時，還必須合理的預計橋梁使用期內河床的設計橋梁時，還必須合理的預計橋梁使用期內河床的演變和墩臺的沖刷，為確定墩臺基礎的埋置深度提供演變和墩臺的沖刷，為確定墩臺基礎的埋置深度提供依據。依據。 天然河床由泥

2、、土、沙、石等組成，統稱為天然河床由泥、土、沙、石等組成，統稱為河流河流泥沙泥沙（river sediment）。）。 河道中的水流和泥沙總是在不停的運動著，床面河道中的水流和泥沙總是在不停的運動著，床面上的泥沙被水流沖起帶走，使床面下切，形成河床的上的泥沙被水流沖起帶走，使床面下切，形成河床的沖刷；水流所挾帶的泥沙沉積下來，使床面淤高，形沖刷；水流所挾帶的泥沙沉積下來，使床面淤高，形成河床淤積。在水流和泥沙的相互作用下，河床總是成河床淤積。在水流和泥沙的相互作用下，河床總是在不停地沖淤變化，構成了河床的在不停地沖淤變化，構成了河床的自然演變自然演變。 建橋后，除了河床的自然演變外，還有橋梁墩

3、臺建橋后，除了河床的自然演變外，還有橋梁墩臺對水流和泥沙運動的干擾而引起河床的沖刷，它們交對水流和泥沙運動的干擾而引起河床的沖刷，它們交織在一起，同時進行，所以橋下沖刷過程十分復雜。織在一起，同時進行，所以橋下沖刷過程十分復雜。 橋梁墩臺周圍河床的最大沖刷深度，是設計橋梁墩臺周圍河床的最大沖刷深度，是設計橋橋梁墩臺基礎埋置深度的依據。梁墩臺基礎埋置深度的依據。 最大沖刷深度最大沖刷深度是各種因素綜合作用的結果，十分是各種因素綜合作用的結果，十分復雜。為了便于研究和計算，橋涵水文中把這一復雜復雜。為了便于研究和計算，橋涵水文中把這一復雜的沖刷過程簡化為獨立的三部分的沖刷過程簡化為獨立的三部分自然

4、沖刷、一般自然沖刷、一般沖刷、局部沖刷，沖刷、局部沖刷，并假定它們相繼發生，可以分別計并假定它們相繼發生，可以分別計算，然后疊加，作為墩臺的最大沖刷深度算，然后疊加，作為墩臺的最大沖刷深度，并據以確，并據以確定墩臺基礎的埋置深度。定墩臺基礎的埋置深度。 自然沖刷、一般沖刷、局部沖刷形成的原因各自然沖刷、一般沖刷、局部沖刷形成的原因各不相同。不相同。bPshhhh 自然沖刷地確定方法：自然沖刷地確定方法： 由于影響河床演變的因素非常多，而且錯綜復雜，由于影響河床演變的因素非常多，而且錯綜復雜，難以得到可靠的計算結果。目前在實際工作中，主要難以得到可靠的計算結果。目前在實際工作中，主要通過實地調查

5、或參考類似河流的觀測資料，結合河段通過實地調查或參考類似河流的觀測資料，結合河段的特點和整治規劃，估計建橋以后可能發生的河床演的特點和整治規劃，估計建橋以后可能發生的河床演變，作為變，作為設計設計橋梁墩臺的自然沖刷深度。橋梁墩臺的自然沖刷深度。 在實際工作中，一般在實際工作中，一般可根據橋位河段的類型，可根據橋位河段的類型，通過通過選擇選擇“計算斷面計算斷面”的方法來確定自然沖刷深度。的方法來確定自然沖刷深度。hmaxh計算斷面選擇：計算斷面選擇：平原順直型河段：平原順直型河段：橋位上游附近最大水深斷面橋位上游附近最大水深斷面:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.:.最大水最大水深斷面深

6、斷面hmaxh平原彎曲型河段：平原彎曲型河段：橋位上游附近河灣半徑最小的河橋位上游附近河灣半徑最小的河 灣頂點斷面灣頂點斷面maxh游蕩型和變遷型河段：游蕩型和變遷型河段：在橋位斷面上、下游橋位河在橋位斷面上、下游橋位河 段內取若干河床斷面重疊后的外包線。段內取若干河床斷面重疊后的外包線。橋位橋位h 在河床演變不甚激烈的橋位河段，一般可用橋在河床演變不甚激烈的橋位河段，一般可用橋位斷面作為計算斷面，同時，考慮橋位上游最大水位斷面作為計算斷面，同時，考慮橋位上游最大水深可能下移，實際工作中常采用深可能下移，實際工作中常采用橋位上游附近橋位上游附近實測實測或調查的最大水深作為計算斷面的最大水深。或

7、調查的最大水深作為計算斷面的最大水深。山區河段：山區河段： 橋位斷面橋位斷面橋梁墩臺沖刷計算中橋梁墩臺沖刷計算中如何簡化復雜的沖刷如何簡化復雜的沖刷過程？過程？6.1 橋下一般沖刷計算橋下一般沖刷計算 （general scour of bridge pier） 建橋以后，橋孔壓縮水流，橋下流速增大，引起建橋以后，橋孔壓縮水流，橋下流速增大，引起整個橋下斷面河床的沖刷，稱為整個橋下斷面河床的沖刷，稱為一般沖刷一般沖刷。 建橋以后，橋孔壓縮水流，橋下流速增大，水流建橋以后，橋孔壓縮水流，橋下流速增大，水流挾沙能力隨之增大，引起整個橋下斷面河床的沖刷，挾沙能力隨之增大，引起整個橋下斷面河床的沖刷，

8、稱為稱為一般沖刷一般沖刷。 隨著一般沖刷的發隨著一般沖刷的發展，河床不斷刷深，橋展，河床不斷刷深，橋下斷面逐漸擴大，過水下斷面逐漸擴大，過水斷面面積不斷增大。斷面面積不斷增大。 隨著橋下斷面的擴大，流速相應降低，水流挾沙隨著橋下斷面的擴大，流速相應降低，水流挾沙能力也隨之降低。當流速降低到不能繼續沖刷河床時，能力也隨之降低。當流速降低到不能繼續沖刷河床時，沖刷即趨于停止了。此時，橋下過水斷面最大，一般沖刷即趨于停止了。此時，橋下過水斷面最大，一般沖刷的深度也達到最大。沖刷的深度也達到最大。ZS垂線垂線hP 通常用一般沖刷通常用一般沖刷停止時橋下的垂線水停止時橋下的垂線水深表示該垂線處的一深表示

9、該垂線處的一般沖刷深度，以般沖刷深度，以hP表表示。橋下一般沖刷停示。橋下一般沖刷停止時的垂線平均流速，止時的垂線平均流速，稱為稱為沖止流速，沖止流速，以以Vs表示，表示，m/s。Vs表示方法：表示方法：ZS 6.1.1 非粘性土河床一般沖刷計算非粘性土河床一般沖刷計算（non-cohesive soil river bed general scour calculation）1 1、64-164-1修正式（按沖止流速建立的公式）修正式（按沖止流速建立的公式）垂線hP建立的概念：建立的概念： 任一垂線，在一般沖任一垂線，在一般沖刷的過程中，當斷面擴大刷的過程中，當斷面擴大使垂線的平均流速降到該

10、使垂線的平均流速降到該垂線的沖止流速時，沖刷垂線的沖止流速時，沖刷就停止了，一般沖刷深度就停止了，一般沖刷深度達到最大，并且橋下所有垂線的沖刷都停止時，整個達到最大，并且橋下所有垂線的沖刷都停止時，整個橋下斷面的一般沖刷就停止了。橋下斷面的一般沖刷就停止了。Vs取橋下斷面為計算斷面：取橋下斷面為計算斷面： 按水力學的連續方程，單寬流量：按水力學的連續方程，單寬流量：VhqVQ 對任一條垂線：對任一條垂線：Vqh 取最大水深垂線：當取最大水深垂線：當V=Vs時，時，h=hP， q=qs。)16( ssPVqhqs為一般沖刷停止時橋下最大單寬流量。為一般沖刷停止時橋下最大單寬流量。Vqh 求剛建橋

11、，沖刷前的求剛建橋，沖刷前的最大單寬流量最大單寬流量 qmax。先求。先求平均平均單寬流量：單寬流量：jPLQq 式中，式中，Lj為橋孔凈長；為橋孔凈長；為側收縮系數（壓縮系數）。為側收縮系數（壓縮系數）。由謝才由謝才-曼寧公式：曼寧公式：213521322132JhnBJhnhBJRnQP 21352135maxmax11JhnqJhnq 3535)()(maxmaxmaxmaxhhqqhhqq 將將 代入代入qmax，得：，得：jPLQq )26()(35maxmax hhLQqjP （1）河槽部分）河槽部分 沖刷停止后最大單寬流量與沖刷前最大單寬流量沖刷停止后最大單寬流量與沖刷前最大單寬

12、流量的關系：的關系：)36(max AqqsA稱為稱為單寬流量集中系數單寬流量集中系數。)46()(15. 015. 0 HBA 穩定河段：穩定河段：A=1.01.2；次穩定河段：次穩定河段：A=1.31.4；不不穩定河段：穩定河段：A=1.51.7，最大不超過，最大不超過1.8。沖止流速：沖止流速：)56(3261 PshdEV式中，式中， 為河槽泥沙平均粒徑，為河槽泥沙平均粒徑，mm； E為經驗系數，與歷年汛期最大月平均含沙量的為經驗系數，與歷年汛期最大月平均含沙量的平均值平均值Spj有關。有關。當當Spj 10.0kg/m3，E=0.86。d將式（將式（6-3）（）（6-5）代入（）代入

13、（6-1）：)66()(max53max61533561 hhdELAQhhdELAQhjPjPP QP為設計流量；為設計流量；Lj為橋孔凈長。為橋孔凈長。適用條件：適用條件：橋下全部為河槽（單式斷面）或橋下河橋下全部為河槽（單式斷面）或橋下河槽部分（復式斷面）。槽部分（復式斷面）。)66()(max53max61533561 ccjcPccjcPPhhdELAQhhdELAQh QcP為為橋下河槽部分橋下河槽部分通過的設計流量；通過的設計流量；Lcj為為橋下河槽部分橋下河槽部分的橋孔凈長。的橋孔凈長。橋下河槽部分，故可改為：橋下河槽部分，故可改為：應用說明：應用說明： 當橋下斷面全為河槽，當

14、橋下斷面全為河槽，Lcj = Lj = L- - nd，QcP = QP。 當橋孔壓縮部分河灘，橋下河槽不會擴寬至全當橋孔壓縮部分河灘，橋下河槽不會擴寬至全 橋，則：橋，則：LLcQcZSZmin)86( PtcccPQQQQQ)76()(1 PniiiiccccPQhChCQ tQ左左 tQ右右 dnLLccj ccchC , 為沖刷前為沖刷前橋下橋下河槽部分的過水面積、謝才河槽部分的過水面積、謝才系數、平均水深。系數、平均水深。為沖刷前為沖刷前橋下橋下各部分（包括河槽、河灘部各部分（包括河槽、河灘部分）的過水面積、謝才系數、平均水深。分）的過水面積、謝才系數、平均水深。iiihC , tt

15、tQQQ右右左左 式中，式中，Lcj為為橋下橋下河槽部分橋孔凈長；河槽部分橋孔凈長； QcP為為橋下橋下河槽通過的設計流量；河槽通過的設計流量； Qc、 分別為天然狀態下分別為天然狀態下橋下橋下河槽、河灘通過的河槽、河灘通過的流量。流量。tQ 當橋孔壓縮部分河灘，橋下河槽會擴寬至全橋，當橋孔壓縮部分河灘，橋下河槽會擴寬至全橋，則認為橋下全部為河槽，則認為橋下全部為河槽，Lcj = Lj = L- -nd，QcP=QP， 不變。不變。ch 值的確定：通常按橋位上游附近枯水位或中值的確定：通常按橋位上游附近枯水位或中低水位實測過水斷面圖求得；也可利用設計水位時的低水位實測過水斷面圖求得；也可利用設

16、計水位時的實測橋位斷面圖求得。實測橋位斷面圖求得。 chhmaxcccLh mSZZhmax 當橋下河床由多層成分不同的土質組成，分層土當橋下河床由多層成分不同的土質組成，分層土河床的沖刷可采用逐層漸進試算方法進行。河床的沖刷可采用逐層漸進試算方法進行。（1） ，先按，先按 計算，若計算計算，若計算hP位于位于 層，即層，即為所求；若計算為所求；若計算hP位于位于 層，改用層，改用 計算，若結果位計算，若結果位于于 層，即為所求，若位于層，即為所求，若位于 層，取兩層交界面為沖層，取兩層交界面為沖刷線標高，或取按第一層粒徑的計算結果。刷線標高，或取按第一層粒徑的計算結果。hPZS河底河底21d

17、d 1d2d1d1d2d2d2d1dhPZS河底河底1d2d2d（2） ，先按，先按 計算，若結果位于計算，若結果位于 層，即層，即為所求；若位于為所求；若位于 層，改按層，改按 計算。計算。21dd 1d1d2d多層粒徑不同的河床，處理方法相同，逐層漸進試算。多層粒徑不同的河床，處理方法相同，逐層漸進試算。（2）河灘部分）河灘部分ststPVqh 35)(tmttjtPsthhLQq 511PHsthVV 式中，式中，VH1為河灘水深為為河灘水深為1m時非粘性土容許不沖刷流時非粘性土容許不沖刷流速，與河灘泥沙組成有關，可查表速，與河灘泥沙組成有關，可查表6-1。)96()(65351 tmt

18、HtjtPPhhVLQh )106( PtcttPQQQQQ)106()(1 PniiiittttPQhChCQ 式中，式中，Ltj為為橋下河灘部分橋下河灘部分橋孔凈長；橋孔凈長； QtP為為橋下河灘橋下河灘部分部分通過的設計流量；通過的設計流量；河灘泥沙分層處理方法與河槽相同。河灘泥沙分層處理方法與河槽相同。Qc、 分別為天然狀態下分別為天然狀態下橋下橋下河槽、河灘通過的流河槽、河灘通過的流 量。量。ttthC , 為沖刷前為沖刷前橋下橋下河灘部分的過水面積、謝才河灘部分的過水面積、謝才系數、平均水深。系數、平均水深。iiihC , 為沖刷前為沖刷前橋下橋下各部分（包括河槽、河灘部各部分（包

19、括河槽、河灘部分）的過水面積、謝才系數、平均水深。分）的過水面積、謝才系數、平均水深。tttQQQ右右左左 tQ 2 2、64-264-2簡化式（按輸沙平衡建立的公式）簡化式（按輸沙平衡建立的公式）Q1h1B1Qb1B2Qb2Q2h2=hP建立的概念：建立的概念：記記計算斷面計算斷面來沙來沙Qb1，橋下排沙為橋下排沙為Qb2。建橋后，由于橋孔壓縮水流，橋下流速增大，水流挾建橋后，由于橋孔壓縮水流，橋下流速增大，水流挾沙能力加大，沙能力加大，Qb1 V0，根據式（，根據式（6-21）：）：m94. 4 （2）65-2公公式式河床泥沙顆粒影響系數：河床泥沙顆粒影響系數：59. 049. 6375.

20、 049. 60023. 0375. 00023. 024. 02 . 224. 02 . 22 ddK smdV/75. 0)7 . 049. 6(28. 0)7 . 0(28. 05 . 05 . 00 smdV/35. 0)5 . 049. 6(12. 0)5 . 0(12. 055. 055. 00 514. 0)23. 475. 0()(49. 6lg19. 023. 0lg19. 023. 002 dVVnmVVVhBKKhnPb19. 5)75. 035. 023. 4(18.1079. 359. 02 . 1)(514. 015. 06 . 00015. 06 . 022 因因

21、V V0 ：取取65-2公式計算結果公式計算結果5.19m。（3）橋下河槽橋墩基底埋置高程）橋下河槽橋墩基底埋置高程總沖刷深度：總沖刷深度：hs=h + hP + hb = 0+10.18+5.19 = 15.37m基底埋深安全值基底埋深安全值c=2.5m，橋墩基底埋置高程：，橋墩基底埋置高程：mhZZcssjd31.755 . 237.1518.93 2、河灘橋墩局部沖刷深度和橋墩基底埋深計算、河灘橋墩局部沖刷深度和橋墩基底埋深計算（1）左灘）左灘 左河灘一般沖刷深度在第二層，左河灘一般沖刷深度在第二層，VH1=0.34m/s，hP=9.69m，墩前行近流速（，墩前行近流速（沖止流速沖止流速）：）：smhVVPH/54. 069. 934. 051511 橋墩計算寬度：橋墩計算寬度：mB75. 369. 9)49.8370.87(6 . 4)70.8718.93(1 . 3 起沖流速：起沖流速：smVBdV/58. 021. 1)75. 349. 6(462. 0)(462. 006. 0006. 00 smdhddhVPP/21. 149. 669. 91049. 6332)49. 669. 9(0246. 010332)(0246. 072. 014. 072. 014.