CN102979058B - 一种大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷测控方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于桥梁设计领域，提供了一种大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷测控方法，根据桥位断面的单宽流量、河床比降以及最大洪峰时桥位断面的最大冲刷深度，计算出在主流不发生偏移时桥位断面最大冲深、主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度、主流偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度以及桥位断面平均下切深度，解决了河流的状况不符合现行规范中使用的桥位断面一般冲刷公式的假定条件，缺乏大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷计算方法和经验公式的问题，得出了大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷计算方法和经验公式，方法科学合理。

Description

一种大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷测控方法

技术领域

本发明属于桥梁设计领域，尤其涉及一种大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷测控方法。

背景技术

桥位压缩河道不仅造成纵向上冲刷，同时也会使桥位横断面地形发生变化，而且从洪水开始时刻，桥位横断面地形就不断发生变化，一直持续整个洪水过程。

一般冲刷指建桥后桥下河床全断面发生的冲刷，建桥后桥下河床随着冲刷的不断进行，最终会达到一个新的冲淤平衡状态，这时一般冲刷停止，对应的最大铅垂水深即为一般冲刷后的最大水深。

桥下断面因桥孔压缩引起的冲刷与河床组成、比降、流量过程和压缩程度有关，通常情况是粒径组成越细，压缩比越大，冲刷也就越严重。从实测冲刷横断面来看，断面冲刷大体对称，即河道中间最深，往两岸冲刷深度减小。

在我国现行规范中使用的桥位断面一般冲刷公式主要有64-1、64-2以及64-2简化公式。

规范64-1公式假设条件：当河槽断面流速等于冲止流速时，桥下一般冲刷随即停止，且一般冲刷深度达到最大。

规范64-2公式假设条件：桥位上游河道来沙量等于桥位断面的排沙量时，一般冲刷深度达到最大值。

规范中的一般冲刷概念是基于恒定流下冲淤平衡关系建立起的计算模式。从洪水实际历时和动床试验结果来看，由于洪水历时较短，洪水流量随时间变化而变化，属于非恒定流。建桥后桥下河床很难达到一个冲淤平衡状态，大比降卵砾石河流河段桥位断面发生的变化与规范中一般冲刷概念有所不同。

河流比降＞1.0％，流速大，水深小，卵砾石河床覆盖层厚易冲刷，在一次大洪水流量过程中，桥位断面一般冲刷并不是发生在流量最大的时刻，一般冲刷发生时间与洪水最大流量和历时有关，可能在最大流量前、最大流量中或最大流量后。同时最大冲刷位置也在不停的变化，不但桥位断面流速与冲止流速关系无法确定，其桥位上游河道来沙量也可能小于、等于或大于桥位断面的排沙量，这些都与规范中64-1和64-2公式中的假定不符。

发明内容

本发明提供了一种大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷测控方法，旨在解决河流的状况不符合现行规范中使用的桥位断面一般冲刷公式的假定条件，缺乏大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷计算方法和经验公式的问题。

本发明的目的在于提供一种大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷测控方法，所述方法包括以下步骤：

第一步：收集洪峰期流量资料，绘制流量过程曲线确定桥位河段断面特征流量Q并根据大桥设计资料查出桥长L，计算桥位断面的单宽流量q；

第二步：收集建桥前的桥位河段地形图，在桥位上下游1～2km河道顺直段各选择一个断面作为计算起始点，选取主流河槽附近河底地形高程最低点，沿主流河槽在两断面之间绘制深泓线，测量出两断面间距离，根据绘图比尺得到天然河段两断面间间距，计算床面比降J；

第三步：通过桥位河段钻机在河底钻孔取沙，用不同筛径的筛子分选各级床沙，用电子天平称重，计算小于某一粒径的质量，粒径小于1mm的床沙用粒度分析仪测量确定，绘制级配曲线并确定床沙中值粒径d₅₀；

第四步：水位采用精度为0.1mm的测针读取，流量采用自控系统控制，地形采用二维地形测量仪测量，局部流速用旋桨流速器测量；

第五步：布置主流不发生偏移时桥位断面冲刷模型试验，动床模型比降选择0.005m、0.01m和0.015m三组，模型床沙中值粒径选取3.62mm、2.1mm、0.97mm和0.88mm四组，单宽流量控制10组方案，总计78组次试验，用二维地形测量仪测量冲刷深度；

第六步：根据主流不发生偏移时桥位断面冲刷模型数据，对单宽流量q，河床比降J，床沙中值粒径d₅₀，进行相关分析拟合得出洪峰时桥位断面的最大冲刷深度h_b计算公式；

第七步：选择单宽流量为q＝9.0m³/s.m，模型比降J＝0.01，偏移率ε选取1.00、1.75、2.3和3.25四组，进行主流偏移前后冲刷对比试验，用二维地形测量仪测量冲刷深度；

第八步：根据4种不同主流偏移率的动床模型对比冲刷试验，采用最小二乘法对不同偏移率桥位断面冲刷试验结果统计整理，得到偏移率对冲刷深度的影响关系Kε；

第九步：根据洪峰时桥位断面的最大冲刷深度h_b计算公式以及偏移率对冲刷深度的影响关系拟合得出主流偏移率影响的最大洪峰冲刷深度公式h_b；

第十步：布置主流无偏移时桥位断面退水过程冲刷试验，模型比降选择0.001、0.003、0.005、0.01和0.015五种情况，模型床沙中值粒径选取3.62mm、2.1mm、0.97mm和0.88mm四组，单宽流量控制10组方案，总计50组次试验，用二维地形测量仪测量冲刷深度；

第十一步：根据主流无偏移时桥位断面退水过程冲刷数据，对无主流偏移情况下退水过程的试验结果数据，单宽流量q，河床比降J，床沙中值粒径d₅₀，进行相关分析拟合得出主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度计算公式h_hb；

第十二步：根据主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度计算公式h_hb以及偏移率对冲刷深度的影响关系拟合得出主流偏移量影响后的退水过程冲刷深度计算公式h_hbε；

第十三步：在主流不发生偏移时桥位断面冲刷模型试验以及退水过程冲刷试验中，通过二维地形测量仪对实验过程中桥位河段的地形测量，得到44组次最大冲刷面积与退水末期冲刷面积，对单宽流量q，河床比降J，床沙中值粒径d₅₀，进行拟合得出最大下切深度h_xmax和退水末期下切深度h_xend计算公式。

进一步，所述方法中洪峰期桥位断面最大冲刷深度计算公式为：

$h_b=2.59q^{0.75}{J}^{0.3}{d}_{50}^{-0.1}$

式中：h_b-最大洪峰时桥位断面的最大冲刷深度；

J-建桥前的河床比降；

q-桥位断面的单宽流量，由洪峰流量和桥长决定，q＝1～10m³/s.m，单位为m³/s·m；

d₅₀-床沙中值粒径，取样由钻孔资料确定，取样孔不少于3个，d₅₀＝0.013～0.054m。

进一步，所述方法中当考虑主流偏移率影响的最大洪峰冲刷深度公式为：

$h_b=1.49q^{0.75}{J}^{0.3}{d}_{50}^{-0.1}{\mathrm{\ϵ}}^{0.42}$

式中：h_b-为主流偏移影响后的桥位断面洪峰最大冲刷深度；

ε-主流偏移率，无法确定时，取2；

J-建桥前的河床比降；

q-桥位断面的单宽流量，由洪峰流量和桥长决定，q＝1～10m³/s.m，单位为m³/s·m；

d₅₀-床沙中值粒径，取样由钻孔资料确定，取样孔不少于3个，d₅₀＝0.013～0.054m。

进一步，所述方法中当主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度计算公式为：

$h_{\mathrm{hb}}=1.02q^{0.73}{J}^{0.15}{d}_{50}^{-0.08}$

式中：h_hb-主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度，单位为m；

J-建桥前的河床比降；

q-桥位断面的单宽流量，由洪峰流量和桥长决定，q＝1～10m³/s.m，单位为m³/s·m；

d₅₀-床沙中值粒径，取样由钻孔资料确定，取样孔不少于3个，d₅₀＝0.013～0.054m。

进一步，所述方法中对主流偏移情况下的全过程最大冲刷深度与无偏移时的最大冲刷深度进行对比统计分析，得出偏移率对冲刷深度的影响关系如下：

K_ε＝0.96ε^0.42

因而考虑主流偏移量影响后的退水过程冲刷深度可用下述公式来描述：

$h_{\mathrm{hb\ϵ}}=0.98q^{0.73}{J}^{0.15}{d}_{50}^{-0.08}{\mathrm{\ϵ}}^{0.42}$

上式中：

Kε-主流偏移率对冲刷深度影响系数；

h_hbε-主流偏移情况下桥位断面退水过程最大冲刷深度，单位为m。

J-建桥前的河床比降；

q-桥位断面的单宽流量，由洪峰流量和桥长决定，q＝1～10m³/s.m，单位为m³/s·m；

d₅₀-床沙中值粒径，取样由钻孔资料确定，取样孔不少于3个，d₅₀＝0.013～0.054m；

ε-主流偏移率，无法确定时，取2。

进一步，所述方法中采用桥位断面的下切深度来反映输沙能力的变化，具体定义如下：

$h_x=\frac{A}{B}$

式中：h_x为下切深度，A为冲刷面积，B为河床宽度。

进一步，所述方法中最大下切深度和退水末期下切深度主要与桥位断面的单宽流量、比降、粒径有关，根据数据拟合出如下公式：

$h_{x\max }=0.61q^{0.85}{J}^{0.2}{d}_{50}^{-0.1}$

$h_{\mathrm{xend}}=0.33q^{0.8}{J}^{0.1}{d}_{50}^{-0.05}$

式中：h_xmax-为最大下切深度，单位为m；

h_xend-退水末期下切深度，单位为m；

q-桥位压缩断面的单宽流量，单位为m³/s.m；

d₅₀-河床中值粒径，单位为m；

J-河床比降。

本发明提供的大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷测控方法，根据桥位断面的单宽流量、河床比降以及最大洪峰时桥位断面的最大冲刷深度，计算出在主流不发生偏移时桥位断面最大冲深、主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度、主流偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度以及桥位断面平均下切深度，解决了河流的状况不符合现行规范中使用的桥位断面一般冲刷公式的假定条件，缺乏大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷计算方法和经验公式的问题，得出了大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷计算方法和经验公式，方法科学合理。

附图说明

图1示出了本发明实施例提供的大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷测控方法的实现流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

图1示出了本发明实施例提供的大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷测控方法的实现流程。

该方法包括以下步骤：

在步骤S101中，收集洪峰期流量资料，绘制流量过程曲线确定桥位河段断面特征流量Q并根据大桥设计资料查出桥长L，计算桥位断面的单宽流量q；

在步骤S102中，收集建桥前的桥位河段地形图，在桥位上下游1～2km河道顺直段各选择一个断面作为计算起始点，选取主流河槽附近河底地形高程最低点，沿主流河槽在两断面之间绘制深泓线，测量出两断面间距离，根据绘图比尺得到天然河段两断面间间距，计算床面比降J；

在步骤S103中，通过桥位河段钻机在河底钻孔取沙，用不同筛径的筛子分选各级床沙，用电子天平称重，计算小于某一粒径的质量，粒径小于1mm的床沙用粒度分析仪测量确定，绘制级配曲线并确定床沙中值粒径d₅₀；

在步骤S104中，水位采用精度为0.1mm的测针读取，流量采用自控系统控制，地形采用二维地形测量仪测量，局部流速用旋桨流速器测量；

在步骤S105中，布置主流不发生偏移时桥位断面冲刷模型试验，动床模型比降选择0.005m、0.01m和0.015m三组，模型床沙中值粒径选取3.62mm、2.1mm、0.97mm和0.88mm四组，单宽流量控制10组方案，总计78组次试验，用二维地形测量仪测量冲刷深度；

在步骤S106中，根据主流不发生偏移时桥位断面冲刷模型数据，对单宽流量q，河床比降J，床沙中值粒径d50，进行相关分析拟合得出洪峰时桥位断面的最大冲刷深度h_b计算公式；

在步骤S107中，选择单宽流量为q＝9.0m³/s.m，模型比降J＝0.01，偏移率ε选取1.00、1.75、2.3和3.25四组，进行主流偏移前后冲刷对比试验，用二维地形测量仪测量冲刷深度；

在步骤S108中，根据4种不同主流偏移率的动床模型对比冲刷试验，采用最小二乘法对不同偏移率桥位断面冲刷试验结果统计整理，得到偏移率对冲刷深度的影响关系Kε；

在步骤S109中，根据洪峰时桥位断面的最大冲刷深度h_b计算公式以及偏移率对冲刷深度的影响关系拟合得出主流偏移率影响的最大洪峰冲刷深度公式h_b；

在步骤S110中，布置主流无偏移时桥位断面退水过程冲刷试验，模型比降选择0.001、0.003、0.005、0.01和0.015五种情况，模型床沙中值粒径选取3.62mm、2.1mm、0.97mm和0.88mm四组，单宽流量控制10组方案，总计50组次试验，用二维地形测量仪测量冲刷深度；

在步骤S111中，根据主流无偏移时桥位断面退水过程冲刷数据，对无主流偏移情况下退水过程的试验结果数据，单宽流量q，河床比降J，床沙中值粒径d₅₀，进行相关分析拟合得出主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度计算公式h_hb；

在步骤S112中，根据主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度计算公式h_hb以及偏移率对冲刷深度的影响关系拟合得出主流偏移量影响后的退水过程冲刷深度计算公式h_hbε；

在步骤S113中，在主流不发生偏移时桥位断面冲刷模型试验以及退水过程冲刷试验中，通过二维地形测量仪对实验过程中桥位河段的地形测量，得到44组次最大冲刷面积与退水末期冲刷面积，对单宽流量q，河床比降J，床沙中值粒径d₅₀，进行拟合得出最大下切深度h_xmax和退水末期下切深度h_xend计算公式。

在本发明实施例中，洪峰期桥位断面最大冲刷深度计算公式为：

$h_b=2.59q^{0.75}{J}^{0.3}{d}_{50}^{-0.1}$

式中：h_b-最大洪峰时桥位断面的最大冲刷深度；

J-建桥前的河床比降；

q-桥位断面的单宽流量，由洪峰流量和桥长决定，q＝1～10m³/s.m，单位为m³/s·m；

d₅₀-床沙中值粒径，取样由钻孔资料确定，取样孔不少于3个，d₅₀＝0.013～0.054m。

在本发明实施例中，当考虑主流偏移率影响的最大洪峰冲刷深度公式为：

$h_b=1.49q^{0.75}{J}^{0.3}{d}_{50}^{-0.1}{\mathrm{\ϵ}}^{0.42}$

式中：h_b-为主流偏移影响后的桥位断面洪峰最大冲刷深度；

ε-主流偏移率，无法确定时，取2；

J-建桥前的河床比降；

q-桥位断面的单宽流量，由洪峰流量和桥长决定，q＝1～10m³/s.m，单位为m³/s·m；

d₅₀-床沙中值粒径，取样由钻孔资料确定，取样孔不少于3个，d₅₀＝0.013～0.054m。

在本发明实施例中，当主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度计算公式为：

$h_{\mathrm{hb}}=1.02q^{0.73}{J}^{0.15}{d}_{50}^{-0.08}$

式中：h_hb-主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度，单位为m；

J-建桥前的河床比降；

q-桥位断面的单宽流量，由洪峰流量和桥长决定，q＝1～10m³/s.m，单位为m³/s·m；

d₅₀-床沙中值粒径，取样由钻孔资料确定，取样孔不少于3个，d₅₀＝0.013～0.054m。

在本发明实施例中，对主流偏移情况下的全过程最大冲刷深度与无偏移时的最大冲刷深度进行对比统计分析，得出偏移率对冲刷深度的影响关系如下：

K_ε＝0.96ε^0.42

因而考虑主流偏移量影响后的退水过程冲刷深度可用下述公式来描述：

$h_{\mathrm{hb\ϵ}}=0.98q^{0.73}{J}^{0.15}{d}_{50}^{-0.08}{\mathrm{\ϵ}}^{0.42}$

上式中：

Kε-主流偏移率对冲刷深度影响系数；

h_hbε-主流偏移情况下桥位断面退水过程最大冲刷深度，单位为m。

J-建桥前的河床比降；

q-桥位断面的单宽流量，由洪峰流量和桥长决定，q＝1～10m³/s.m，单位为m³/s·m；

d₅₀-床沙中值粒径，取样由钻孔资料确定，取样孔不少于3个，d₅₀＝0.013～0.054m；

ε-主流偏移率，无法确定时，取2。

在本发明实施例中，采用桥位断面的下切深度来反映输沙能力的变化，具体定义如下：

$h_x=\frac{A}{B}$

式中：h_x为下切深度，A为冲刷面积，B为河床宽度。

在本发明实施例中，最大下切深度和退水末期下切深度主要与桥位断面的单宽流量、比降、粒径有关，根据数据拟合出如下公式：

$h_{x\max }=0.61q^{0.85}{J}^{0.2}{d}_{50}^{-0.1}$

$h_{\mathrm{xend}}=0.33q^{0.8}{J}^{0.1}{d}_{50}^{-0.05}$

式中：h_xmax-为最大下切深度，单位为m；

h_xend-退水末期下切深度，单位为m；

q-桥位压缩断面的单宽流量，单位为m³/s.m；

d₅₀-河床中值粒径，单位为m；

J-河床比降。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

桥位压缩河道不仅造成纵向上冲刷，同时也会使桥位横断面地形发生变化，而且从洪水开始时刻，桥位横断面地形就不断发生变化，一直持续整个洪水过程。

暴雨洪水对公路威胁最大，暴雨洪峰持续时间较短，一般在2～3小时内。按照动床模型时间比尺，在动床模型中的洪水持续时间为30分钟左右。桥位断面在一次洪峰过程中的地形变化。当暴雨洪水刚开始时，洪水大多集中冲刷桥位中部的河床，造成中间河床冲刷较深，两边墩台附近的河床冲刷较浅，并实测出最大冲刷深度为2.475m。

在退水时段，最大洪峰流量通过后，洪水处于退水时段，其历时较长，一般为20～30小时，一般冲刷的最大值是股流造成的。洪水历时6小时后，冲刷深度为最大，其值为3.0m。随后最大冲刷深度逐渐减小，在历时18小时后，断面地形最大冲刷深度为2.0m。

总结四种粒径的动床模型试验，一般冲刷具有以下特点：在典型暴雨洪水流量过程内，桥位断面一般冲刷有两个特征值：A.最大洪峰冲刷深度，该冲刷主要由布满河床的集中流冲刷，冲刷部位大多在桥位中部；B.全过程冲刷深度，该冲刷主要是股流冲刷造成的，冲刷部位可能在桥位的任何一个位置，发生时间可能是整个洪水历时的任何时间。

从实测冲刷横断面来看，其横断面的冲刷深度最大值的位置随着流量过程而摆动，有时出现在河槽中部，有时出现在两岸导流堤前，但从大量结果平均来看，断面冲刷大体还是对称，最大冲刷深度在河道中间出现几率更大，而往两岸冲刷深度减小。

桥位冲刷动床试验组数较多，实测数据量大，在整理数据时以反映实际情况为原则，所有数据均以实测记录数据为基础进行分类统计，不采用任何修正方式对数据进行修正。

根据试验观测现象和动床数据结果，以水流泥沙运动规律为理论基础，对各研究对象的影响因子进行分析，主要采用最小二乘法对数据加以统计整理，最后得出各试验成果。

试验中桥位断面最大冲刷深度位置不是固定不变的，而是随洪峰流量大小及不同的历时过程位置随机性比较大，从多组动床试验结果统计平均的角度来看，最大冲刷深度出现位置还是以靠河心居多。

由水流泥沙运动规律和试验现象观测结果分析可知，影响洪峰期冲刷的因素主要还是水流、泥沙运动，具体来说包括：

①单宽流量。反映洪水流量以及压缩比对冲刷深度的影响；

②河床比降。能够反映该河段的水流强度；

③河床粒径。其大小对河床冲刷起着抑止作用；

④主流偏移率。主流偏移率对冲刷有着进一步促进的作用。

4.3.2.1主流不发生偏移时桥位断面最大冲深

在水流顺直通过桥位河段、主流不发生偏移的情况下，对78组动床冲刷数据进行整理，相关分析拟合得出洪峰期桥位断面最大冲刷深度计算公式：

$h_b=2.59q^{0.75}{J}^{0.3}{d}_{50}^{-0.1}---(4-1)$

式中：h_b-最大洪峰时桥位断面的最大冲刷深度，其余符号同前。

上式由多组大比降卵砾石河流河段概化动床模型试验结果统计相关分析得到。其相关系数为r²＝0.89，说明动床模型具有较高的精度。动床模型数据整理结果见下表1：

表1洪峰期桥位断面最大冲刷深度成果统计表

在大比降卵砾石河流河段上，由于河流具有河床河岸易冲、主流摆动性大的特点，因而主流并不总是以河流中心线(桥轴线)为对称轴顺直通过桥位河段。主流的摆动造成主流偏向河道一侧，因而这种情况下桥位断面的冲刷深度就会更大，而且主流偏移越大，则对冲刷深度的影响就更大。通过动床模型不同偏移率下的桥位断面冲刷试验发现，主流偏移率对冲刷深度的影响成如下关系：

选取q＝9.0m³/s.m，J＝0.01，ε＝1.0～4.5作为代表性试验组数进行动床试验，试验结果见表2。

表2主流偏移前后冲刷深度统计

采用最小二乘法对不同偏移率试验结果统计整理，得出K＝0.9986，m＝0.3295，则上式即为：

h_bε＝0.96ε^0.42h_b                                         (4-3)

偏移率对冲刷深度的影响关系通过该式计算的冲刷深度与实测冲刷深度间相关系数为r²＝0.95。

因而，考虑主流偏移率影响的最大洪峰冲刷深度公式即为：

$h_b=1.49q^{0.75}{J}^{0.3}{d}_{50}^{-0.1}{\mathrm{\ϵ}}^{0.42}$

式中：h_b一为主流偏移影响后的桥位断面洪峰最大冲刷深度；

ε-主流偏移率，无法确定时，取2。其余符号同前。

在计算退水过程桥位断面冲刷深度时，大比降卵砾石河流河段河床演变特性使桥位断面不仅在涨水时阶段发生冲刷，而是在整个洪水过程都会发生。在洪峰过后的退水过程中，虽然流量减小，但由于水流集中成股冲刷河床且股流与河岸、导流堤间夹角较大，因而仍然可以造成桥位断面河床的较大冲刷，很多时候这种冲刷甚至超过了洪峰期的最大冲刷深度。

动床模型试验发现，退水过程中的桥位断面冲刷并不是在某一固定时刻和位置出现，而是具有较大的随机性。出现时间可能在退水初期，也可能在退水末期流量很小的时候。出现位置可以在桥位断面中部，也可以在两岸桥台部分。但是从多组试验的结果统计平均来看，退水过程的桥位断面最大冲刷深度仍然受到洪峰最大单宽流量、比降、河床粒径以及主流偏移率的影响。

分别对有、无主流偏移情况下的试验结果加以整理，得出了各自情况下的退水过程冲刷的桥位断面最大冲刷深度。退水过程冲刷结果统计整理列于表3。

表3退水过程最大冲刷深度统计

在计算主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度时，拟合出主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度计算公式：

$h_{\mathrm{hb}}=1.02q^{0.73}{J}^{0.15}{d}_{50}^{-0.08}$

在计算主流偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度时，对主流偏移情况下的全过程最大冲刷深度与无偏移时的最大冲刷深度进行对比统计分析，得出偏移率对冲刷深度的影响关系如下：

K_ε＝0.96ε^0.42

因而考虑主流偏移量影响后的退水过程冲刷深度可用下述公式来描述：

$h_{\mathrm{hb\ϵ}}=0.98q^{0.73}{J}^{0.15}{d}_{50}^{-0.08}{\mathrm{\ϵ}}^{0.42}$

上式中：h_hb-主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度，m；

Kε-主流偏移率对冲刷深度影响系数；

h_hbε-主流偏移情况下桥位断面退水过程最大冲刷深度，m。

在计算桥位断面平均下切深度时，大比降卵砾石河流河段修建桥梁后，桥位断面缩窄，引起冲刷加大。从动床模型试验可以看出，典型暴雨洪水刚抵达桥位断面，断面河床就会发生冲刷，在洪峰持续时间内(原型2～3小时)，桥位断面的冲刷面积加大，在较长的退水时间里(原型20～30小时)，桥位断面的冲刷面积也可能加大，但从退水末期来看，总的趋势是有所回淤。

本发明实施例采用桥位断面的下切深度来反映输沙能力的变化，具体定义如下：

$h_x=\frac{A}{B}---(4-8)$

式中：h_x为下切深度，A为冲刷面积，B为河床宽度。

反映桥位断面冲刷面积有两个特征值，即最大下切深度和洪水期后下切深度。其中洪水期后下切深度是较为重要的特征值，主要反映建桥后桥位断面河床变化。

最大下切深度和退水末期下切深度主要与桥位断面的单宽流量、比降、粒径有关，数据整理见表4，拟合出如下公式，：

$h_{x\max }=0.61q^{0.85}{J}^{0.2}{d}_{50}^{-0.1}---(4-9)$

$h_{\mathrm{xend}}=0.33q^{0.8}{J}^{0.1}{d}_{50}^{-0.05}---(4-10)$

式中：h_xmax-为最大下切深度，m；

h_xend-退水末期下切深度，m；

q-桥位压缩断面的单宽流量，m³/s.m；

d₅₀-河床中值粒径d₅₀，m；

J-河床比降。

表4桥位断面冲刷面积及下切深度统计和整理

本发明实施例提供的大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷测控方法，根据桥位断面的单宽流量、河床比降以及最大洪峰时桥位断面的最大冲刷深度，计算出在主流不发生偏移时桥位断面最大冲深、主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度、主流偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度以及桥位断面平均下切深度，解决了河流的状况不符合现行规范中使用的桥位断面一般冲刷公式的假定条件，缺乏大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷计算方法和经验公式的问题，得出了大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷计算方法和经验公式，方法科学合理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷测控方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

第一步：收集洪峰期流量资料，绘制流量过程曲线确定桥位河段断面特征流量Q并根据大桥设计资料查出桥长L，计算桥位断面的单宽流量q；

第二步：收集建桥前的桥位河段地形图，在桥位上下游1～2km河道顺直段各选择一个断面作为计算起始点，选取主流河槽附近河底地形高程最低点，沿主流河槽在两断面之间绘制深泓线，测量出两断面间距离，根据绘图比尺得到天然河段两断面间间距，计算床面比降J；

第三步：通过桥位河段钻机在河底钻孔取沙，用不同筛径的筛子分选各级床沙，用电子天平称重，计算小于某一粒径的质量，粒径小于1mm的床沙用粒度分析仪测量确定，绘制级配曲线并确定床沙中值粒径d₅₀；

第四步：水位采用精度为0.1mm的测针读取，流量采用自控系统控制，地形采用二维地形测量仪测量，局部流速用旋桨流速器测量；

第五步：布置主流不发生偏移时桥位断面冲刷模型试验，动床模型比降选择0.005m、0.01m和0.015m三组，模型床沙中值粒径选取3.62mm、2.1mm、0.97mm和0.88mm四组，单宽流量控制10组方案，总计78组次试验，用二维地形测量仪测量冲刷深度；

第六步：根据主流不发生偏移时桥位断面冲刷模型数据，对单宽流量q，河床比降J，床沙中值粒径d₅₀，进行相关分析拟合得出洪峰时桥位断面的最大冲刷深度h_b计算公式；

第七步：选择单宽流量为q＝9.0m³/s.m，模型比降J＝0.01，偏移率ε选取1.00、1.75、2.3和3.25四组，进行主流偏移前后冲刷对比试验，用二维地形测量仪测量冲刷深度；

第八步：根据4种不同主流偏移率的动床模型对比冲刷试验，采用最小二乘法对不同偏移率桥位断面冲刷试验结果统计整理，得到偏移率对冲刷深度的影响关系Kε；

第九步：根据洪峰时桥位断面的最大冲刷深度h_b计算公式以及偏移率对冲刷深度的影响关系拟合得出主流偏移率影响的最大洪峰冲刷深度公式h_b；

第十步：布置主流无偏移时桥位断面退水过程冲刷试验，模型比降选择0.001、0.003、0.005、0.01和0.015五种情况，模型床沙中值粒径选取3.62mm、2.1mm、0.97mm和0.88mm四组，单宽流量控制10组方案，总计50组次试验，用二维地形测量仪测量冲刷深度；

第十一步：根据主流无偏移时桥位断面退水过程冲刷数据，对无主流偏移情况下退水过程的试验结果数据，单宽流量q，河床比降J，床沙中值粒径d₅₀，进行相关分析拟合得出主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度计算公式h_hb；

第十二步：根据主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度计算公式h_hb以及偏移率对冲刷深度的影响关系拟合得出主流偏移量影响后的退水过程冲刷深度计算公式h_hbε；

第十三步：在主流不发生偏移时桥位断面冲刷模型试验以及退水过程冲刷试验中，通过二维地形测量仪对实验过程中桥位河段的地形测量，得到44组次最大冲刷面积与退水末期冲刷面积，对单宽流量q，河床比降J，床沙中值粒径d₅₀，进行拟合得出最大下切深度h_xmax和退水末期下切深度h_xend计算公式，采用桥位断面的下切深度来反映输沙能力的变化，具体定义如下：

$h_x=\frac{A}{B}$

式中：h_x为下切深度，A为冲刷面积，B为河床宽度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中洪峰期桥位断面最大冲刷深度计算公式为：

$h_b={2.5q}^{0.75}{J}^{0.3}{d}_{50}^{-0.1}$

式中：h_b-最大洪峰时桥位断面的最大冲刷深度；

J-建桥前的河床比降；

q-桥位断面的单宽流量，由洪峰流量和桥长决定，q＝1～10m³/s.m，单位为m³/s·m；

d₅₀-床沙中值粒径，取样由钻孔资料确定，取样孔不少于3个，d₅₀＝0.013～0.054m。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中当考虑主流偏移率影响的最大洪峰冲刷深度公式为：

$h_b=1.49q^{0.75}{J}^{0.3}{d}_{50}^{-0.1}{\mathrm{\ϵ}}^{0.42}$

式中：h_b-为主流偏移影响后的桥位断面洪峰最大冲刷深度；

ε-主流偏移率，无法确定时，取2；

J-建桥前的河床比降；

q-桥位断面的单宽流量，由洪峰流量和桥长决定，q＝1～10m³/s.m，单位为m³/s·m；

d₅₀-床沙中值粒径，取样由钻孔资料确定，取样孔不少于3个，d₅₀＝0.013～0.054m。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中当主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度计算公式为：

$h_{\mathrm{hb}}=1.02q^{0.73}{J}^{0.15}{d}_{50}^{-0.08}$

式中：h_hb-主流无偏移时桥位断面退水过程最大冲刷深度，单位为m；

J-建桥前的河床比降；

q-桥位断面的单宽流量，由洪峰流量和桥长决定，q＝1～10m³/s.m，单位为m³/s·m；

d₅₀-床沙中值粒径，取样由钻孔资料确定，取样孔不少于3个，d₅₀＝0.013～0.054m。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中对主流偏移情况下的全过程最大冲刷深度与无偏移时的最大冲刷深度进行对比统计分析，得出偏移率对冲刷深度的影响关系如下：

K_ε＝0.96ε^0.42

因而考虑主流偏移量影响后的退水过程冲刷深度可用下述公式来描述

$h_{\mathrm{hb\ϵ}}={0.98q}^{0.73}{J}^{0.15}{d}_{50}^{-0.08}{\mathrm{\ϵ}}^{0.42}$

上式中：

Kε-主流偏移率对冲刷深度影响系数；

h_hbε-主流偏移情况下桥位断面退水过程最大冲刷深度，单位为m；

J-建桥前的河床比降；

q-桥位断面的单宽流量，由洪峰流量和桥长决定，q＝1～10m³/s.m，单位为m³/s·m；

d₅₀-床沙中值粒径，取样由钻孔资料确定，取样孔不少于3个，d₅₀＝0.013～0.054m；

ε-主流偏移率，无法确定时，取2。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法中最大下切深度和退水末期下切深度与桥位断面的单宽流量、比降、粒径有关，根据数据拟合出如下公式：

$h_{\max }={0.61q}^{0.85}{J}^{0.2}{d}_{50}^{-0.1}$

$h_{\mathrm{xend}}={0.33q}^{0.8}{J}^{0.1}{d}_{50}^{-0.05}$

式中：h_xmax-为最大下切深度，单位为m；

h_xend-退水末期下切深度，单位为m；

q-桥位压缩断面的单宽流量，单位为m³/s.m；

d₅₀-河床中值粒径，单位为m；

J-河床比降。