第十三章水力学与桥涵水文
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
16
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，垂线深度加大，垂线平均流速降低。当 垂线平均速度降低到该垂线的冲止流速时，一般冲刷停 止。
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。
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。
12
13-2 墩台冲刷类型
规范C30的一般规定：
13
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。
稳定河宽公式
B
Q 0.5 i 0.2
（9-25）
10
13-1 河流的泥沙运动与河床演变
河槽宽度与水深的关系
B
h
单宽流量集中系数
0.15
B 0.15 H
（9-24） （13-3）
11
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。
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。
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
gb
k0 C02
s s
(v
v0)
v3
g
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。
7
13-1 河流的泥沙运动与河床演变
1
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）
2
13-1 河流的泥沙运动与河床演变
平均粒径
diPi
d
Pi
（9-20）
中值粒径——大于和小于该粒径的泥沙质量（或重量） 各占一半。
粘性土河床
塑限Wp：粘性土由半固态向可塑态过渡时的含水量。
流限WL：由可塑态向流态过渡时的含水量。
时的水流垂线平均流速。
张瑞瑾公式
v0
h d
0.14
17.6
γs
γ
γ
d
6.05 107
10 h d 0.72
0.5
（图9-21）
4
13-1 河流的泥沙运动与河床演变
沙波运 动形式 示意图
5
13-1 河流的泥沙运动与河床演变
天然河流中的沙波
6
13-1 河流的泥沙运动与河床演变
输沙率、含沙量与挟沙力
规范C30条文
14
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）
15
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。
)
5 3
h
（12-17）
18
13-3 桥下断面一般冲刷深度
考虑单宽流量向深槽集中的趋势
B 0.15 H （13-3）
5
qmax
QcP
Lj
hmax h
3
（13-2）
冲止流速
非黏性土河槽
一般冲刷深度
12
vz Ed 6hp3
3
5
hp
QcP
1
Lj Ed 6
hmax h
（13-4） （13-5）
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。
3
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
8
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。
19
13-3 桥下断面一般冲刷深度
非黏性土河滩
1
vmax
vH
h5
1 tp
htp
qt max vmax
qt max
QtP
Ltj
(
ht
max
)
5 3
ht
一般冲刷深度
5
5 6
htp
QtP
Ltj
.
ht
max
ht
vH 1
3
（13-7） （13-6）
（13-8）
20
13-3 桥下断面一般冲刷深度
17
13-3 桥下断面一般冲刷深度
连续性方程
hp
qmax vz
对宽浅式河渠，水力半径约等于平均水深
QP AC
Ri
(L
j
Байду номын сангаас
h)
(
1 n
1
R6)
Ri Lj
i5 h3
n
q QP
i5 h3
Lj n
qm a x
QP
Lj
i n
5
hm3 ax
qmax
q(
hm a x
)
5 3
h
Q[ P ]
L j
(
hm
ax
9
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。
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，垂线深度加大，垂线平均流速降低。当 垂线平均速度降低到该垂线的冲止流速时，一般冲刷停 止。
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。
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。
12
13-2 墩台冲刷类型
规范C30的一般规定：
13
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。
稳定河宽公式
B
Q 0.5 i 0.2
（9-25）
10
13-1 河流的泥沙运动与河床演变
河槽宽度与水深的关系
B
h
单宽流量集中系数
0.15
B 0.15 H
（9-24） （13-3）
11
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。
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。
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
gb
k0 C02
s s
(v
v0)
v3
g
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。
7
13-1 河流的泥沙运动与河床演变
1
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）
2
13-1 河流的泥沙运动与河床演变
平均粒径
diPi
d
Pi
（9-20）
中值粒径——大于和小于该粒径的泥沙质量（或重量） 各占一半。
粘性土河床
塑限Wp：粘性土由半固态向可塑态过渡时的含水量。
流限WL：由可塑态向流态过渡时的含水量。
时的水流垂线平均流速。
张瑞瑾公式
v0
h d
0.14
17.6
γs
γ
γ
d
6.05 107
10 h d 0.72
0.5
（图9-21）
4
13-1 河流的泥沙运动与河床演变
沙波运 动形式 示意图
5
13-1 河流的泥沙运动与河床演变
天然河流中的沙波
6
13-1 河流的泥沙运动与河床演变
输沙率、含沙量与挟沙力
规范C30条文
14
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）
15
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。
)
5 3
h
（12-17）
18
13-3 桥下断面一般冲刷深度
考虑单宽流量向深槽集中的趋势
B 0.15 H （13-3）
5
qmax
QcP
Lj
hmax h
3
（13-2）
冲止流速
非黏性土河槽
一般冲刷深度
12
vz Ed 6hp3
3
5
hp
QcP
1
Lj Ed 6
hmax h
（13-4） （13-5）
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。
3
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
8
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。
19
13-3 桥下断面一般冲刷深度
非黏性土河滩
1
vmax
vH
h5
1 tp
htp
qt max vmax
qt max
QtP
Ltj
(
ht
max
)
5 3
ht
一般冲刷深度
5
5 6
htp
QtP
Ltj
.
ht
max
ht
vH 1
3
（13-7） （13-6）
（13-8）
20
13-3 桥下断面一般冲刷深度
17
13-3 桥下断面一般冲刷深度
连续性方程
hp
qmax vz
对宽浅式河渠，水力半径约等于平均水深
QP AC
Ri
(L
j
Байду номын сангаас
h)
(
1 n
1
R6)
Ri Lj
i5 h3
n
q QP
i5 h3
Lj n
qm a x
QP
Lj
i n
5
hm3 ax
qmax
q(
hm a x
)
5 3
h
Q[ P ]
L j
(
hm
ax
9
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。