CN106960105B - 一种层理淤积河床上桥墩局部冲刷深度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种层理淤积河床上桥墩局部冲刷深度的计算方法，该方法首先通过比较各土层的计算行近流速与各土层的临界击穿流速之间的关系，分析判断桥墩的局部冲刷坑稳定后最大冲深所到达的目标土层；然后通过调整计算行进水深、计算行进流速、目标土层泥沙在计算行进水深下的起动流速和泥沙始冲流速等参数，利用单土层河床上的桥墩局部冲刷深度计算公式计算桥墩在目标土层上的局部冲刷深度，最后结合目标土层上部所有土层厚度得到层理淤积河床上桥墩的最终局部冲刷深度。本发明体现了不同土层泥沙抗冲刷能力的差异、上层土厚度对下层土冲刷的影响、土层交界面的冲刷特征以及土层淤积次序对桥墩局部冲刷深度的影响。

Description

一种层理淤积河床上桥墩局部冲刷深度计算方法

技术领域

本发明涉及交通工程建设技术研究领域，具体为层理淤积构造河床上桥墩局部冲刷深度的计算方法。

背景技术

当前研究桥墩局部冲刷时，大多数研究都是基于河床为单一级配泥沙开展的。然而对于高含沙河流，当水沙情况具有水量年际变化大，水沙异源等特点时，由于不同时期河流泥沙特性的不同，容易造成河床泥沙分层淤积。例如我国的黄河，很多河段的观测都表明其河床都是层理淤积形成的，各层泥沙之间差别显著。因此，对于河床物质层理淤积河段，在分析桥墩局部最大冲刷时，如果仅仅利用河床表层的泥沙特性进行桥墩冲刷深度的计算分析，而忽略不同土层的泥沙差异、土层厚度、土层交界面的冲刷特征以及土层沉积次序对桥墩局部冲刷深度的影响，是不能够充分反映桥墩的实际冲刷情况的。

发明内容

本发明的技术目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种层理淤积河床上桥墩局部冲刷深度的计算方法。该方法通过比较各土层的计算行近流速与各土层的临界击穿流速之间的关系，分析判断桥墩的局部冲刷坑稳定后所到达的目标土层；然后通过调整计算行进水深、计算行进流速、目标土层泥沙在计算行进水深下的起动流速和泥沙始冲流速等参数，利用单土层河床上的桥墩局部冲刷深度计算公式计算桥墩在目标土层上的局部冲刷深度，最后结合目标土层上部所有土层厚度得到层理淤积河床上桥墩的最终局部冲刷深度。本发明综合体现了不同土层泥沙抗冲刷能力的差异、上层土厚度对下层土冲刷的影响、土层交界面的冲刷特征以及土层淤积次序对桥墩局部冲刷深度的影响，使得计算结果更加符合理论分析和实际情况，也有利于进一步推进对层理淤积河床上桥墩冲刷的理论研究和工程应用。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下具体的技术方案：

本发明公开了一种层理淤积河床上桥墩局部冲刷深度计算方法，包括以下步骤：首先，计算出由床面至地下具有n层土层的层理淤积河床中，第i土层的计算行进流速V_i与相应土层临界击穿流速V_i→i+1，然后比较计算行近流速V_i与相应土层临界击穿流速V_i→i+1的大小关系，确定第i土层是否被击穿，以获得桥墩的局部冲刷坑稳定后最大冲深所到达的目标土层，目标土层为由床面至地下的各土层中，首次出现V_i＜V_i→i+1的土层；最后利用单土层河床上的桥墩局部冲刷深度计算公式计算桥墩在目标土层上的局部冲刷深度，并结合目标土层上部所有土层厚度得到层理淤积河床上桥墩的最终局部冲刷深度h_sb；其中：i＝1，2，……n。

本发明还公开了另一种层理淤积河床上桥墩局部冲刷深度计算方法，包括以下步骤：

(1)、设层理淤积河床由床面至地下依次包括土层1、土层2、土层3至土层n，n为自然数；设每个土层的泥沙平均粒径为

土层厚度为T_i，i＝1,2,……n；初始行进水深为h_p，初始行进流速为V；

(2)、计算第i土层泥沙的起动流速

其中V_iO是第i层泥沙在1.0m水深下的起动流速；V_iC则是该泥沙在计算水深h_i下的起动流速；其中计算水深h_i：

h_i＝h_p+(T₁+T₂₊T₃……₊T_i-1)，1<i≤n (2)

当i＝1时，

h₁＝h_p (3)

(3)、计算针对第i土层的计算行进流速：

(4)、计算第i土层泥沙计算始冲流速

(5)、计算第i土层的计算颗粒影响系数

(6)、计算第i土层的计算指数n_i2

(7)、计算第i土层的临界击穿流速

(8)、比较各土层的计算行近流速V_i与相应土层临界击穿流速V_i→i+1的关系

当V_i＜V_i→i+1：则表明第i层土未被击穿，桥墩局部冲刷坑的深度稳定至该土层厚度范围内。

当V_i≥V_i→i+1：表明第i层土已被击穿，则继续进行第i+1土层的计算行近流速与相应土层临界击穿流速的比较，直至首次出现土层的计算行近流速小于该土层的临界击穿流速为止；

(9)、计算桥墩在层理淤积河床上的局部冲刷深度

桥墩局部冲刷深度h_sb由2部分组成，一是第i层以上全被击穿的土层厚度(T₁+T₂+T₃+…+T_i-1)，二是桥墩在第i层土层上的冲刷深度h_ib，即：

h_sb＝h_ib+(T₁+T₂+T₃+…+T_i-1) (9)

其中h_ib由下式计算得到：

当V_i<V_iC时：

当V_i>V_iC时：

其中：k_ε为墩型系数。

本发明的有益效果是：

本发明综合体现了不同土层泥沙抗冲刷能力的差异、上层土厚度对下层土冲刷的影响、土层交界面的冲刷特征以及土层淤积次序对桥墩局部冲刷深度的影响，利用该方法计算层理淤积河床上桥墩局部冲刷深度，使得计算结果更加符合理论分析和实际情况，也有利于进一步推进对层理淤积河床上桥墩冲刷的理论研究和工程应用。

附图说明

图1是本发明层理淤积河床上桥墩局部冲刷的结构示意图；

图2为层理淤积河床桥墩局部冲刷深度与行近流速的关系；

图3为层理淤积河床土层淤积次序对桥墩局部冲刷深度的影响关系；

图4为上细下粗层理淤积河床桥墩局部冲刷深度与表层土厚度的关系曲线图；

图5为上粗下细层理淤积河床桥墩局部冲刷深度与表层土厚度的关系曲线图。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的介绍。

如图1所示，利用不同原状土组成模拟层理淤积河床上的桥墩局部冲刷深度计算为例加以说明：

初始行进水深h_p为1.0m。桥墩采用圆柱体，桥墩计算宽度B₁为3.0m，墩型系数k_ε为1.0。

层理淤积河床各土层基本情况如下：

表1层理淤积河床分层土样基本情况

计算过程如下：

步骤一：分别计算Z1、Z2土层泥沙的起动流速

Z1:V_1C＝V_1O，h₁＝h_p＝1.0m； (12)

Z2：

h₂＝h_p+T₁＝1.0+1.0＝2.0m (13)

Z1、Z2土层泥沙在1.0m水深下的起动流速可以通过泥沙起动流速实验观测得到或通过相关计算公式获得。

步骤二：分别计算Z1、Z2土层的计算行进流速

Z1:

Z2：

步骤三：分别计算Z1、Z2土层泥沙的计算始冲流速

Z1:

Z2：

步骤四：分别计算Z1、Z2土层的计算颗粒影响系数

Z1：

Z2：

步骤五：分别计算Z1、Z2土层计算指数

Z1：

Z2：

步骤六：计算第1土层的临界击穿流速

步骤七：比较Z1土层的计算行近流速V₁与临界击穿流速V_1→2的关系

当V₁＜V_1→2：表明第Z1层土未被击穿，桥墩局部冲刷深度未超过Z1层土层厚度。

当V₁≥V_1→2：则表明第Z1层土已被击穿，由于本例中第二层土层厚度为∞，无法被击穿，所以桥墩局部冲刷坑一定稳定在第二层泥沙中。

步骤八：计算桥墩在层理淤积河床上的局部冲刷深度

桥墩局部冲刷深度h_sb由2部分组成，一是Z1层土层厚度T₁＝1.0m，二是桥墩在第2层土层Z2上的冲刷深度h_2b，即：

h_sb＝h_2b+T₁ (23)

其中h_2b由下式计算得到：

当V₂<V_2C时：

当V₂>V_2C时：

为进一步对本计算方法进行验证，同时利用土层Z1和Z2分别模拟单层泥沙河床上的桥墩局部冲刷(相同桥墩)，其桥墩局部冲刷深度采用《公路工程水文勘察设计规范》(JTGC30—2015)(简称2015规范)推荐的单层非粘性泥沙河床上桥墩局部冲刷深度计算公式计算。

层理淤积河床Z12与单层泥沙河床Z1、Z2上的桥墩局部冲刷深度分别记为：D12、D1、D2，并与用刘宝山方法^[1]计算的层理淤积河床上的桥墩冲刷结果进行对比分析。其中用刘宝山方法计算的D12记为D12(刘)，本文方法计算的D12记为D12(本)。不同河床桥墩局部冲刷深度随来流行进流速的变化如图2所示。从图2中可以明显看出：

①当V＝V_1→2时，桥墩局部冲刷深度曲线有一明显跳跃。根据Borah^[2]和Froehlich^[3]等人的研究成果，当表层泥沙尚未击穿且残存厚度大约在1～3(d₅₀-1)时，由于在水流冲刷作用下河床的粗化效应，此时在第二层泥沙上部形成一个薄覆盖层。根据Raudkivi,A.J.和Ettema,R^[4]等人的研究成果，由于薄覆盖层的存在会导致桥墩局部冲刷增大。也就是说，当V＝V_1→2时，水流已经击穿了第一层泥沙，实际桥墩局部冲刷深度已经大于T₁，此时还应该利用调整后的水力要素继续计算水流对第二层泥沙的桥墩局部冲刷深度。而利用刘宝山方法计算时，其结果无法体现出这种变化情况。

②从图2中还可以看出，当V>V_1→2时，随着行进流速V的继续增大，利用本文方法计算得到桥墩局部冲刷深度D12(本)也逐渐增大，同时D12(本)也越来越接近单层泥沙河床Z2的桥墩局部冲刷深度D2，当行进流速>5.2m/s时，两者已基本一致。这种变化规律反映了在表层泥沙颗粒较底层泥沙颗粒细时，随着桥墩局部冲刷深度在底层土中的增加，表层泥沙对底层泥沙的冲刷影响在逐渐减弱，当冲刷深度达到一定程度以后，表层泥沙的影响基本就可以忽略，此时桥墩的局部冲刷深度就由底层泥沙特性来决定。而利用刘宝山方法计算得到的桥墩局部冲刷深度D12(刘)在击穿表层泥沙后一直保持在D1和D2之间，并无向D1曲线或D2曲线趋近的趋势，表明该方法在计算层理淤积河床的桥墩局部冲刷深度时，虽然考虑了表层泥沙的影响，但忽略了随着局部冲刷深度的增加，这种影响是逐渐减弱的。

利用本计算方法还能有效体现出层理淤积河床构造对桥墩局部冲刷深度的影响：

(1)土层淤积次序对桥墩局部冲刷深度的影响

利用原状土Z1、Z2模拟不同的层理淤积河床Z12和Z21，并同时模拟单层泥沙河床Z1和Z2，利用本文的计算方法计算桥墩在不同河床上的局部冲刷深度，计算参数分别为：表层泥沙厚度取1.0m，泥沙起动流速采用实验观测值，初始水深为1.0m；桥墩采用圆柱体，桥墩计算宽度为3.0m，墩型系数为1.0。当淤积次序为Z1、Z2时，就会形成上细下粗的层理淤积河床；而淤积次序为Z2、Z1时就形成上粗下细的层理淤积河床。在相同初始行进水深条件下，不同河床桥墩局部冲刷深度D12、D21、D1、D2随来流行进流速的变化如图3所示。从图3可以看出，

①当行近流速V＝V_1→2时，此时桥墩局部冲刷深度曲线出现跳跃。当层理淤积河床为上细下粗的Z12时，跳跃幅度大约在23.5％；而当层理淤积河床为上粗下细的Z21时，跳跃幅度在76.1％，其桥墩局部冲刷深度反而超过抗冲能力最弱土层作为单层泥沙河床时的冲刷深度。这一方面是由于水流冲刷即将抵达土层交界面时，对上粗下细的Z21河床而言，由于水流对河床的粗化效应在底层土表面形成的薄覆盖层泥沙颗粒粒径更大，与底层泥沙颗粒粒径的差异更大，从而导致冲刷深度的增加更为显著；另一方面对于击穿Z21河床表层土需要的击穿流速V_1→2更大。

②当行近流速V＞V_1→2时，此时桥墩局部冲刷深度始终都是处于D1和D2之间。但对于层理淤积河床Z12，桥墩的局部冲刷曲线D12渐近于在Z2河床上的冲刷曲线D2，并趋于一致。也就是说，在细表层土被击穿的情况下，桥墩在层理淤积河床上的局部冲刷深度变化曲线最终和Z2河床的冲刷深度变化曲线一致。而对于层理淤积河床Z21，则没有出现这种现象，其冲刷深度曲线一直处于D1和D2曲线之间。上述结果表明，对于层理淤积河床，表层土抗冲刷能力越强，其对下层土的冲刷影响越明显，也越深远；表层土抗冲刷能力越弱，其对下层土的冲刷影响也就越弱，影响深度也就越浅。

(2)表层土厚度桥墩局部冲刷深度的影响

在初始行进水深不变的情况下，通过改变表层土的厚度，计算不同行进流速、不同淤积次序的层理河床桥墩局部冲刷深度，分析表层土厚度对层理淤积河床上桥墩局部冲刷深度的影响。相关参数同上，计算结果如图4和图5所示。

从图4和图5可以看出，不管是Z12河床，还是Z21河床，随着表层土厚度的增加，临界击穿流速V_1→2也随之增大，同时桥墩局部冲刷深度曲线在土层交界面跳跃幅度也随之增大，对下层土冲刷的影响也就越大。

如图4所示，对于上细下粗的Z12河床，当表层土厚度变化时，表层土击穿后下层土的桥墩冲刷深度曲线D12仍保持着渐近于Z2河床上桥墩局部冲刷曲线D2的趋势。但随着表层土厚度的增加，D12曲线和D2曲线趋于一致所需要的行进流速也越来越大，也就是说随着表层厚度的增加，表层土对下层土冲刷的影响也在增加，只有当桥墩局部冲刷在下层土中达到一定深度以后，表层土的影响才能忽略，此时D12曲线和D2曲线两者才会趋于一致。

如图5所示，而对于上粗下细的Z21河床，同样可以看出随着表层土厚度的增加，桥墩局部冲刷深度曲线在临界击穿流速下跳跃幅度也同样增大，但在下层土中桥墩局部冲刷深度曲线D21一直保持在D1曲线和D2曲线之间，并无向其中某一曲线趋近的态势。

另外，图5也显示出，随着表层土厚度的减少，D21曲线在临界击穿流速下的跳跃幅度虽然在减少，但其局部冲刷深度数值却越来越接近甚至超过相同行进流速下桥墩在河床Z1上的局部冲刷深度。为表征在临界击穿流速下，桥墩在Z21河床上的局部冲刷深度D21与相同流速下桥墩在Z1河床上的局部冲刷深度D1之间的差异变化程度，定义参数D_R为：

表2列出了不同表层土厚度的Z21河床在临界击穿流速V_1→2下桥墩局部冲刷深度D21和相同流速下Z1河床上桥墩局部冲刷深度D1。

表2桥墩在不同厚度表层泥沙Z21河床与Z1河床的局部冲刷深度比较

从表2可以看出，对于上粗下细的层理淤积河床，随着表层泥沙厚度逐渐减少，D_R也随之逐渐减少。当表层土厚度T₁＝1.0m时，D_R还由正值转为负值，随着表层土厚度的继续减小，D_R负值的程度也逐渐增大。D_R的这种变化规律表明，对于上粗下细的层理淤积河床，表层粗颗粒泥沙河床厚度T₁的小到一定值时，在临界击穿流速下就会导致桥墩局部冲刷深度反而超过相同行进流速下由下层细沙组成的单层河床上的桥墩局部深度，厚度越小，超过的程度就越大，当最终形成所谓有薄覆盖层的单层泥沙河床，其桥墩局部冲刷深度将有30％左右的增大^[4]。

对于上粗下细的层理淤积河床Z21，T₁＝1.0m是D_R发生转折的厚度，可以称之为Z21的临界表层厚度T_C，当表层土厚度T₁≤T_C时，在临界击穿流速下桥墩局部冲刷深度反而大于相同行进流速下由细沙组成的单层河床上的桥墩局部深度。对于这类上粗下细的层理淤积河床，都会存在表层土的临界厚度，在实际工程中应加强对表层土厚度的观测，以避免或减轻危害。

我国许多工程都需要跨越河流，水流会对桥墩产生冲刷，并形成一定规模的冲刷坑，从而威胁桥墩基础的安全。本文提出层理淤积河床上桥墩局部冲刷深度的计算方法，经案例对比分析验证，该方法不但更符合理论分析的情况，而且也能够有效解决实际问题，且更能反映层理淤积河床上桥墩冲刷的实际情况。该方法不但能够计算分析非粘性泥沙层理淤积河床上的桥墩局部冲刷深度，而且当把单层非粘性泥沙河床桥墩冲刷深度的计算公式改为单层粘性河床上的桥墩局部冲刷深度计算公式时，应用本发明方法同样可以计算分析粘性泥沙层理淤积河床上的桥墩局部冲刷深度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种层理淤积河床上桥墩局部冲刷深度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，计算出由床面至地下具有n层土层的层理淤积河床中，第i土层的计算行进流速V_i与相应土层临界击穿流速V_i→i+1，然后比较计算行近流速V_i与相应土层临界击穿流速V_i→i+1的大小关系，确定第i土层是否被击穿，以获得桥墩的局部冲刷坑稳定后最大冲深所到达的目标土层，目标土层为由床面至地下的各土层中，首次出现V_i<V_i→i+1的土层；最后利用单土层河床上的桥墩局部冲刷深度计算公式计算桥墩在目标土层上的局部冲刷深度，并结合目标土层上部所有土层厚度得到层理淤积河床上桥墩的最终局部冲刷深度h_sb；其中：i＝1，2，……(n-1)；

所述第i土层的临界击穿流速V_i→i+1通过下述公式计算：

式中：n_i2为第i土层的计算指数，

V_iO是第i层泥沙在1.0m水深下的起动流速，V_i为第i土层的计算行进流速，

为第i土层的泥沙平均粒径；k_ε为墩型系数；k_iη2为第i土层的计算颗粒影响系数，

B₁为桥墩计算宽度；h_i为第i土层的计算水深，h_i＝h_p+(T₁+T₂+T₃……+T_i-1)，且当i＝1时，h₁＝h_p，T_i为土层厚度；V_iC是第i土层泥沙在计算水深h_i下的起动流速；V′_iO为第i土层泥沙计算始冲流速，

桥墩局部冲刷深度h_sb通过下述公式计算：

h_sb＝h_ib+(T₁+T₂+T₃+…+T_i-1)

式中：h_ib为第i层土层上的冲刷深度，由下式计算：

当V_i<V_iC时：

当V_i>V_iC时：

2.根据权利要求1所述的层理淤积河床上桥墩局部冲刷深度计算方法，其特征在于，所述第i土层的计算行进流速V_i通过下述公式计算：

式中：h_p为初始行进水深，V为初始行进流速；h_i为第i土层的计算水深，h_i＝h_p+(T₁+T₂+T₃……+T_i-1)，T_i为第i层土层厚度，且当i＝1时，h₁＝h_p。

3.一种层理淤积河床上桥墩局部冲刷深度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、设层理淤积河床由床面至地下依次包括土层1、土层2、土层3至土层n，n为自然数；设每个土层的泥沙平均粒径为

土层厚度为T_i，i＝1,2,……n；初始行进水深为h_p，初始行进流速为V；

(2)、计算第i土层泥沙的起动流速

其中V_iO是第i层泥沙在1.0m水深下的起动流速；V_iC则是该泥沙在计算水深h_i下的起动流速；其中计算水深h_i：

h_i＝h_p+(T₁+T₂+T₃……+T_i-1)，1<i≤n (2)

当i＝1时，

h₁＝h_p (3)

(3)、计算针对第i土层的计算行进流速：

(4)、计算第i土层泥沙计算始冲流速

(5)、计算第i土层的计算颗粒影响系数

(6)、计算第i土层的计算指数n_i2

(7)、计算第i土层的临界击穿流速

(8)、比较各土层的计算行近流速V_i与相应土层临界击穿流速V_i→i+1的关系

当V_i<V_i→i+1：则表明第i层土未被击穿，桥墩局部冲刷坑的深度稳定至该土层厚度范围内；

当V_i≥V_i→i+1：表明第i层土已被击穿，则继续进行第i+1土层的计算行近流速与相应土层临界击穿流速的比较，直至首次出现土层的计算行近流速小于该土层的临界击穿流速为止；

(9)、计算桥墩在层理淤积河床上的局部冲刷深度

桥墩局部冲刷深度h_sb由2部分组成，一是第i层以上全被击穿的土层厚度(T₁+T₂+T₃+…+T_i-1)，二是桥墩在第i层土层上的冲刷深度h_ib，即：

h_sb＝h_ib+(T₁+T₂+T₃+…+T_i-1) (9)

其中h_ib由下式计算得到：

当V_i<V_iC时：

当V_i>V_iC时：

其中：k_ε为墩型系数，B₁为桥墩计算宽度。

4.根据权利要求3所述的层理淤积河床上桥墩局部冲刷深度计算方法，其特征在于：在计算过程中，定义在计算行进水深h_i条件下h_ib＝T_i时的计算行进流速为第i层土层的临界击穿流速V_i→i+1，用以表征该层泥沙已被击穿，其中下标i→i+1表示水流的冲刷已击穿第i层土壤到达第i+1层土壤。

5.根据权利要求3所述的一种层理淤积河床上桥墩局部冲刷深度的计算方法，其特征在于：桥墩计算宽度B₁，初始行进水深h_p，初始行进流速V根据设计需求确定。

6.根据权利要求3所述的一种层理淤积河床上桥墩局部冲刷深度的计算方法，其特征在于：层理淤积河床各层泥沙粒径的特征值根据实测资料确定。

7.根据权利要求3所述的一种层理淤积河床上桥墩局部冲刷深度的计算方法，其特征在于：层理淤积河床各层泥沙的起动流速及相应的起动水深根据实验观测获得或根据泥沙起动流速计算公式计算获得。

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