发信人: courieryboo (小凡·每天灌水多一些...), 信区: DC
标  题: 桥墩局部冲刷深度的预测
发信站: BBS 水木清华站 (Wed May 24 16:45:05 2000)

摘　要：在现有国内外研究成果的基础上，从桥墩局部冲刷机理出发，利用不同国家的
实测资料，用量纲分析原理和逐步回归分析，建立一种概念清晰、形式简单的桥墩局部
冲刷计算公式。通过1个实例的计算结果表明，该计算方法切实可行，可为公路桥梁设计
人员提供有益的参考。
关键词：桥墩；局部冲刷；深度；预测
中图分类号：U443.22　　　文献标识码：A
Forecast of the Bridge Local Scour Depth
ZHOU Yu-li， WANG Ya-ling
（1.Highway Design and Research Institute, Xi′an Highway University;
2.College of Highway Engineering, Xi′an Highway University, Xi′an 710064,
China）
Abstract: Based on the analysis of mechanism about bridge scour, using a gre
at number of field data from China and other countries, the bridge scour for
mula with clear physics concept and brief structure is put forward with the
dimensional regressional analysis. An example shows that the equation is pos
sible and can supply a valuable reference for highway designer.
Key words: bridge pier; local scour; depth; forecasting
　　桥梁水毁大多是由桥梁冲刷引起的，正确地预测桥墩局部冲刷深度是桥梁设计的重
要课题。半个世纪以来，很多国家的学者对桥墩局部冲刷做了大量的模型试验研究，获
得了丰富的试验资料，并为桥墩设计预测桥墩冲刷深度提供了计算方法。但是，理论研
究和试验结果都必须经受实桥观测资料的检验。
　　1954年，前苏联雅洛斯拉夫切夫根据墩前水流动能和冲走泥沙能量消耗相平衡的假
定，建立桥墩冲刷深度公式。随着人们对桥墩绕流旋涡体系及床面泥沙运动引起局部冲
刷过程的进一步认识，发现桥墩冲刷深度hb在床面泥沙起动前，随流速V增加很快，变化
率dhb/dV较大；在床面泥沙起动后，因冲刷坑内泥沙得到上游床面泥沙补给，冲刷深度
增加缓慢，变化率dhb/dV很小，床面泥沙起动流速是两者的分界限。
　　1964年，中国土木工程学会桥梁工程委员会举行了桥渡冲刷学术会议，在桥梁绕流
旋涡体系及泥沙运动的基础上，汇总全国研究成果，制定了供生产试用计算桥墩局部冲
刷的65—1和65—2式，并且都写入中国公路、铁路有关规范，这2个公式应用20多年后，
分别加以修正简化，更为合理。特别是《公路桥位勘测设计规范(JTJ062—91)》中的65
—2修正式，即
h0=0.46KξB0.6h0.15D-0.07.［(V-V′0)/(V0-V′0］n　　　　(1)
　　应用世界各国500余项不同类型河流中桥墩冲刷实测资料进行验证，表明计算值与实
测值符合较好。
　　但是，这类公式中因含有河床质起动流速V0和桥墩床面起冲流速V′0，计算较为复
杂。本文试图在上述冲刷机理的基础上，通过实测资料的分析，建立1种型式简明，便于
生产应用的预测桥墩冲刷深度的计算公式。
1　桥墩局部冲刷机理
1.1　桥墩附近的水流结构
　　桥墩周围的水流结构主要包括墩前向下水流、墩前冲击波和桥墩周围水流场的旋涡
体系。旋涡体系是1种水流结构，是预测桥墩局部冲刷的主要因素。其中包括墩前冲刷坑
边缘形成的绕桥墩内侧流向下游的马蹄形旋涡，它在墩前将使向下流动的最大流速位置
更靠近桥墩；墩两侧由于流速梯度产生的边界分离，形成立轴旋涡；向下游移动的尾流
旋涡，不断地从桥墩两侧释放出来，促进冲刷过程的发展，象真空吸尘器一样，每个旋
涡形成1个低压中心，牵动马蹄形旋涡区内的流体不断地进行横向、竖向和前后摆动，剧
烈淘刷桥墩迎水端和周围泥沙，形成局部冲刷坑。如图1所示桥墩附近的水流结构。
图1　桥墩周围的水流结构
1.2　冲刷深度和流速的关系
　　河流流速V小于床沙起动流速V0，床面泥沙静止不动。但是，桥墩周围因绕流而使局
部流速增大，首先桥墩上游两侧达到或超过起动流速V0，该处泥沙移向下游，开始出现
冲刷坑。这时冲刷坑内无上游来沙补给，称为清水冲刷(Clear Water Scour)；当河槽内
流速超过起动流速时，床沙处于运动状态，冲刷坑内得到上游来沙补给，冲刷深度随流
速而增大，但是冲刷率明显减小，这种冲刷称为动床冲刷(Moving Bed Scour)。如图2为
梅江宁河桥6号墩局部冲刷观测资料绘出的冲刷深度与墩前行近流速的关系曲线图。
图2　hb—V实测曲线
2　桥墩局部冲刷深度计算公式的确定
2.1　影响桥墩局部冲刷深度的主要因素
　　假定水流为恒定均匀流，影响桥墩冲刷的因素归纳为下列几方面：
　　(1)流体特征因素：流体密度ρ、流体运动粘度v、重力加速度g；
　　(2)流动特征因素：行近水流深度h、弗汝德数Fr、水流方向与墩轴的夹角θ；
　　(3)河床质特征因素：泥沙密度ρs、泥沙粒径D、粒径级配结构、土壤粘性；
　　(4)桥墩特征因素：桥墩形状Kξ、桥墩计算宽度B。
2.2　桥墩局部冲刷深度基本关系式
　　桥墩局部冲刷深度hb与主要因素h、D、Fr、B、Kξ的关系可表示成下列无量纲函数

hb/B=f(h/B, D/B, Fr, Kξ)
　　根据量纲分析原理可写成
hb/B=KKξFar(h/B)b(D/B)c　　　　(2)
　　上式中的系数和指数，根据各国桥墩冲刷现场观测资料应用多元回归分析来确定。
这些实测资料包括中国资料212项，美国、加拿大和新西兰资料79项，前苏联各加盟共和
国和前南斯拉夫资料109项，共计400项。这些资料覆盖了亚洲、北美洲、欧洲和大洋洲
的长江、黄河、密西西比河、伏尔加河、多瑙河等大江河和山区急流的小河以及大型运
河上的各类桥梁［1］。
　　这些资料各项水力因素数值的范围很广：
　　水深h(m)　　0.20～18.50
　　流速V(m/s)0.15～4.32
　　料径(mm)0.008～150
　　流向偏角θ(°)0～45
　　应用计算机对国内外400场实测资料进行多元回归分析，得到三元回归方程
hb=0.61Kξh0.596B0.532D-0.128F0.305r　　　　(3)
　　复相关系数R=0.70，若取信度α=0.05，Fα=2.60，则Rα=0.14。由此可知，R>Rα
，表明回归方程(3)和各项实测资料关系是密切的。
　　为了便于公路工程设计者的使用，将式(3)简化为
hb=0.304Kξh0.29B0.53D-0.13V0.61　　　　(4)
式中：hb为桥墩局部冲刷坑深度(m)，由一般冲刷后床面算起；Kξ为墩型系数，见《公
路桥位勘测设计规范(JTJ062—91)》；h为行进水流深度(m)，取一般冲刷后水深；B为计
算墩宽(m);D为河床质平均粒径(m)；V为行进流速(m/s)，取一般冲刷后墩前流速。
2.3　误差分析
　　本文利用计算机处理了大量的现场观测资料，公式(4)相对误差DDY≤+30%所占百分
比为32.5%，DDY≤+50%所占百分比为61.5%，其中相对误差DDY=(实测值-计算值)/实测值
，图3所示实测桥墩局部冲刷深度和计算值的相关图。
图3　实测桥墩局部冲刷深度和计算值的相关图
3　算　例
　　现选择几个典型的实测资料，运用不同的计算公式，即《公路桥位勘测设计规范(J
TJ062—91)》给出的65—1修正式、65—2修正式及本文式(4)进行计算，数值精度比较见
表1。
表1　桥墩局部冲刷实测资料计算误差分析表
D/mm Kξ B/m h/m V/m.s-1 实则值
Hm 65—1
hb(计) 65—2
hb(计) 式(4)
hb(计) 65—1
DDY 65—2
DDY 式(4)
DDY
70.00 0.66 1.52 3.40 2.13 0.61 0.31 0.23 0.80 0.487 0.624 -0.312
21.30 0.98 1.00 0.30 2.30 0.65 0.84 0.50 0.57 -0.290 0.225 0.114
14.30 0.94 5.12 0.51 1.29 0.94 1.46 1.59 1.13 -0.550 -0.687 -0.206
2.96 0.93 1.98 2.05 1.15 0.99 1.20 1.24 1.16 -0.210 -0.248 -0.173
36.10 0.92 3.00 3.00 1.99 1.38 1.08 1.30 1.61 0.218 0.054 -0.169
0.96 1.06 2.00 3.05 1.20 0.80 1.96 1.58 1.72 -0.502 -0.977 -0.401

4　结　语
　　(1)河床质是由大小不同的泥沙颗粒组成的，实桥观测资料表明：实桥冲刷过程中，
清水冲刷和动床冲刷2阶段并无截然的分界点。由床沙平均粒径D计算的起动流速V0，只
是反映平均状态下2种冲刷分界的估计值。本文从分析桥墩绕流旋涡体系及床面泥沙运动
，从桥墩局部冲刷的机理出发，根据清水冲刷和动床冲刷的实测资料，采用1条曲线拟合
的方法，得到了预测桥墩局部冲刷深度的计算公式(4)。
　　(2)本文应用了国内外400项实桥桥墩冲刷资料［1］，包括了分布在亚洲、欧美及大
西洋洲，规模不同的大小河流上的桥梁，代表性十分广泛，公式(4)的适用范围较广。
　　(3)应用多元回归分析得到的公式(4)，具有较高的精度，由表1可看出：公式(4)计
算的相对误差较小，且型式简单，便于应用，能为公路桥梁设计人员提供有益的参考。

作者简介：周玉利(1965-)，男，内蒙古赤峰人，西安公路交通大学工程师文章编号：1
007-4112(1999)04-0048-03
作者单位：周玉利　西安公路交通大学　公路设计研究院
　　　　　王亚玲　西安公路交通大学　公路工程学院，陕西　西安　710064
参考文献：
［1］　GAO Dongguang,LILIAN Pasada,CARL Nordin.Pier Scour Equations Used in
the People′s Republic of China［R］.Review and Summary,Federal Highway Admi
nistration,Publication No.EHWA—SA—93—076.1993.
［2］　陆　浩，高冬光.桥梁水力学［M］.北京：人民交通出版社，1991.
［3］　RICHARDSON E V， LAWRENCE J Harrison, ST-ANLEV R Davis. Evaluating Sc
our at Bridges［R］. Federal Highway Administration.Publication No.FHWA—IP—
90—017.1991.
［责任编辑　孙守增］
收稿日期：1998-12-26
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梧桐身旁的浮云里 飘出一弯朦胧的月亮    *        *
清清淡淡的月光 静静地飘落在我身旁         ●
   ahuang
在寂寞的晚上 我就是一只音乐虫子      ^^   *
飞呀飞呀找不到爱发源的地方... ...
                                          ●


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