一种桥位河段导流堤冲刷深度的测控方法

摘要

本发明属于桥梁设计领域，提供了一种桥位河段导流堤冲刷深度的测控方法，分别进行了股流偏斜冲刷试验、多股股流冲刷动床模型试验、投影流量冲刷动床模型试验，并对实验结果进行分析，采用只有洪峰恒定流过程的水力学概化试验和典型洪峰非恒定流过程动床模型试验研究导流堤冲刷深度问题，解决了现有公式在计算桥位河段导流堤冲刷深度时与大比降卵砾石河流实际情况不相符合的问题，保证了在桥位河段布置导流堤的科学性、合理性，改善了桥位处的水流条件，使桥孔通畅排水排沙，保护了桥梁和桥头引道路堤，稳定了桥位，防止河道不利演变威胁桥渡安全。

说明书

技术领域

本发明属于桥梁设计领域，尤其涉及一种桥位河段导流堤冲刷深度的测控方法。

背景技术

根据多年经验，目前在大比降卵砾石河流使用的调治构造物主要是导流堤。导流堤分为封闭式导流堤、曲线型导流堤和梨形堤三种平面型式，其中采用封闭式导流堤较多。现行规范主要采用交通部公路科学研究所王迪容等在《规范》(JTJ062-91)(1990年)中建议采用如下公式：

$>h_b=1.45{\left(\frac{D_t}{h}\right)}^{0.4}\left(\frac{v-v_0^{\prime }}{v_0}\right)h{K}_m---\left(1\right)$>

h_b——导流堤头部冲刷深度；

D_i——上游导流堤头部端点至岸边距离，在垂直水流方向的投影长度(m)；

h——导流堤头部冲刷前水深(m)；

v——导流堤头部的冲刷前流速；

v₀——堤头泥沙起动流速，采用张瑞瑾公式；

d——取d₅₀(m)；

v′₀——堤头泥沙起冲流速；

K_m——边坡折减系数；K_m＝e^-0.2m，m为导流堤堤头边坡系数。

假设在三屯河大桥和拜城大桥布置曲线导流堤，其设计流量、河床宽度见表1，按照(1)式，三屯河大桥、拜城大桥的导流堤冲刷深度分别为4.06m、11.62m。

表1三屯河大桥和拜城大桥导流堤冲刷深度

根据大比降卵砾石河流桥涵施工的特点，由于地下水水位较高，在河床以下可能的开挖深度一般为2m左右，最大值为3m。从计算的三屯河大桥、拜城大桥的导流堤冲刷深度来看无法达到施工要求。

大比降卵砾石河流具有宽浅性、变迁性，其河床比降较大、河床组成主要为卵砾石。导流堤主要是在洪水退水过程的股流冲刷最为剧烈，且洪峰流量的大小关系不大，多年的实践经验也表明这一点，目前的方法与实际情况不相符合。

发明内容

本发明提供了一种桥位河段导流堤冲刷深度的测控方法，旨在解决大比降卵砾石河流具有宽浅性、变迁性，其河床比降较大、河床组成主要为卵砾石，导流堤主要是在洪水退水过程的股流冲刷最为剧烈，且洪峰流量的大小关系不大，目前的方法在确定桥位河段导流堤冲刷深度时与实际情况不相符合的问题。

本发明的目的在于提供一种桥位河段导流堤冲刷深度的测控方法，所述测控方法包括以下步骤：

第一步：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：根据大比降卵砾石河流实际调查结果，在1m水槽里进行集中股流偏斜冲刷试验；用变频器自动控制流量，用水准仪测量水位以及冲刷河段地形，局部流速用旋桨流速器测量；

第四步：根据集中股流偏斜冲刷试验，模型河床比降J＝0.01、坡脚边坡系数取0和1.5两组、入流角度取90°和60°两个角度、床沙中值粒径取0.054m，0.033m和0.013m三组床沙、控制单宽流量Q为1.74m³/s，2.90m³/s，4.07m³/s和5.81m³/s四组，总计48组次实验，用水准仪测量冲刷深度，并采用最小二乘法进行多参数相关拟合得出导流堤股流冲刷深度h_d1计算公式；

第五步：布置多股股流冲刷动床模型，导流堤形式采用直曲线封闭形式，按照对称布置，导流堤长度设置70m和50m两个方案，模型河床比降J取0.015、0.01，0.005，0.003和0.001等五种情况，桥位单宽流量控制9种情况，导流堤与洪水主流的交角为30°，桥长概化为1m和3m两种情况，并且在3m布置时，桥孔布置间距为1m的桥墩，用水准仪测量冲刷深度；

第六步：对床沙中值粒径d₅₀、河床比降J、导流堤投影流量Q，采用相关分析进行拟合得出多股股流冲刷导流堤床面最大冲刷深度h_d2计算公式；

第七步：导流堤布置30°导流堤、60°导流堤、90°导流堤三种方案，床沙中值粒径为0.03315m，模型比降取0.005、0.01和0.015等三种情况，控制多组投影流量进行试验，总计30组次实验，用水准仪测量冲刷深度；

第八步：对床沙中值粒径d₅₀、河床比降J、导流堤投影流量Q，导流堤曲线段圆心角β，采用相关分析进行拟合得投影流量冲刷导流堤的深度h_d3计算公式。

进一步，在布置投影流量冲刷动床模型试验时，导流堤也可布置30°梨形堤、60°梨形堤、90°梨形堤三种方案。

进一步，所述测控方法中集中股流偏斜冲刷试验布置在宽1m的水槽里进行，导流堤迎水坡面在两种坡度下共进行了48组次试验。

进一步，所述测控方法中根据大比降卵砾石河流水沙运动规律以及试验现象分析可知，股流对导流堤冲刷深度受如下因素影响：

股流大小，主要是指股流流量的大小，仍用单宽流量来表示，试验表明，股流越大，集中冲刷深度越深；

股流入流角，股流与导流堤夹角越大，则冲刷越深，当股流垂直冲刷导流堤时冲刷深度最大；

河床粒径，河床粒径越细，泥沙越易被股流冲走，导流堤冲刷越深；

导流堤迎水面边坡，边坡坡度越缓，则股流冲刷也越小。当导流堤采用直壁式边坡时，冲刷深度最大。

进一步，所述测控方法中对各因素采用最小二乘法进行多参数相关拟合，得出导流堤股流冲刷深度计算公式：

$>h_{d1}=2.02q^{0.46}{e}^{-0.2n}\left(\frac{\alpha }{90}\right){d_{50}}^{-0.07}$>

式中，h_d1-不同角度影响下股流冲刷导流堤的深度，单位为m；

n-导流堤边坡坡度，1∶m；

α-股流流向与导流堤轴线交角，梨形堤时α取90°；无法确定时，建议取60°。

进一步，所述测控方法中布置多股股流冲刷动床模型时，导流堤形式采用直曲线封闭形式，按照对称布置，导流堤与洪水主流的交角为30°，桥长概化为1m和3m两种情况，并且在3m布置时，桥孔布置间距为1m的桥墩。

进一步，所述测控方法中对冲刷统计的结果采用相关分析进行拟合，建立导流堤冲刷深度与单宽流量Q、比降J、粒径相关性：

$>h_{d2}=0.975Q^{0.57}{J}^{0.3}{d}_{50}^{-0.08}$>

式中：h_d2-多股股流冲刷导流堤床面以下最大冲刷深度，单位为m；

Q-导流堤投影流量，m³/s。

进一步，所述测控方法中在典型洪峰流量过程中，股流偏斜冲刷导流堤的位置和时间都具有很大的随机性，相关系数较差，股流的形成与来流条件和河床边界条件有关，多股股流联合冲刷导流堤的时间、位置和深度具有很强的随机性，也可用以下关系来表达：

$>h_{d2}=\left(\begin{array}{c}2.0m....................J\le 0.005\\ 2.0-3.0m.............0.005\le J<0.008\\ 3.0-3.5m.............0.008\le J<0.01\\ 3.5-4.5m.............0.010\le J\le 0.015\end{array}\right)$>

进一步，所述测控方法中对冲刷统计结果采用相关分析进行拟合，建立导流堤冲刷深度与单宽流量Q、比降J、粒径d₅₀相关性：

$>h_{d3}=0.7Q^{067}{J}^{0.33}{d}_{50}^{-008}{\left(\frac{\beta }{90}\right)}^{0.5}$>

式中：h_d3-投影流量冲刷导流堤的深度，单位为m；

Q-导流堤投影流量，建桥前单宽流量与导流堤在桥位断面投影长度的乘积，单位为m³/s；

β-导流堤曲线段圆心角，梨形堤时β取90°。

本发明提供的桥位河段导流堤冲刷深度的测控方法，分别进行了股流偏斜冲刷试验、多股股流冲刷动床模型试验、投影流量冲刷动床模型试验，并对实验结果进行分析，采用只有洪峰恒定流过程的水力学概化试验和典型洪峰非恒定流过程动床模型试验研究导流堤冲刷深度问题，解决了现有公式在计算桥位河段导流堤冲刷深度时与大比降卵砾石河流实际情况不相符合的问题，保证了在桥位河段布置导流堤的科学性、合理性，改善了桥位处的水流条件，使桥孔通畅排水排沙，保护了桥梁和桥头引道路堤，稳定了桥位，防止河道不利演变威胁桥渡安全。

附图说明

图1示出了本发明实施例提供的桥位河段导流堤冲刷深度的测控方法的实现流程图；

图2示出了本发明实施例提供的桥位河段导流堤冲刷深度的测控方法的导流堤偏斜冲刷水力学试验的示意图；

图3示出了本发明实施例提供的桥位河段导流堤冲刷深度的测控方法的不同角度股流偏斜冲刷导流堤方案设计原理图；

图4示出了本发明实施例提供的桥位河段导流堤冲刷深度的测控方法的导流堤投影流量冲刷动床模型试验原理图；

图5示出了本发明实施例提供的桥位河段导流堤冲刷深度的测控方法的多股股流冲刷动床试验布置原理图。

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桥位河段导流堤冲刷深度的测控方法的实现流程。

该测控方法包括以下步骤：

在步骤S101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，根据大比降卵砾石河流实际调查结果，在1m水槽里进行集中股流偏斜冲刷试验；用变频器自动控制流量，用水准仪测量水位以及冲刷河段地形，局部流速用旋桨流速器测量；

在步骤S104中，根据集中股流偏斜冲刷试验，模型河床比降J＝0.01、坡脚边坡系数取0和1.5两组、入流角度取90°和60°两个角度、床沙中值粒径取0.054m，0.033m和0.013m三组床沙、控制单宽流量Q为1.74m³/s，2.90m³/s，4.07m³/s和5.81m³/s四组，总计48组次实验，用水准仪测量冲刷深度，并采用最小二乘法进行多参数相关拟合得出导流堤股流冲刷深度h_d1计算公式；

在步骤S105中，布置多股股流冲刷动床模型，导流堤形式采用直曲线封闭形式，按照对称布置，导流堤长度设置70m和50m两个方案，模型河床比降J取0.015、0.01，0.005，0.003和0.001等五种情况，桥位单宽流量控制9种情况，导流堤与洪水主流的交角为30°，桥长概化为1m和3m两种情况，并且在3m布置时，桥孔布置间距为1m的桥墩，用水准仪测量冲刷深度；

在步骤S106中，对床沙中值粒径d₅₀、河床比降J、导流堤投影流量Q，采用相关分析进行拟合得出多股股流冲刷导流堤床面最大冲刷深度h_d2计算公式；

在步骤S107中，导流堤布置30°导流堤、60°导流堤、90°导流堤三种方案，床沙中值粒径为0.03315m，模型比降取0.005、0.01和0.015等三种情况，控制多组投影流量进行试验，总计30组次实验，用水准仪测量冲刷深度；

在步骤S108中，对床沙中值粒径d₅₀、河床比降J、导流堤投影流量Q，导流堤曲线段圆心角β，采用相关分析进行拟合得投影流量冲刷导流堤的深度h_d3计算公式。

在本发明实施例中，集中股流偏斜冲刷试验布置在宽1m的水槽里进行，导流堤迎水坡面在两种坡度下共进行了48组次试验。

在本发明实施例中，根据大比降卵砾石河流水沙运动规律以及试验现象分析可知，股流对导流堤冲刷深度受如下因素影响：

股流大小，主要是指股流流量的大小，仍用单宽流量来表示，试验表明，股流越大，集中冲刷深度越深；

股流入流角，股流与导流堤夹角越大，则冲刷越深，当股流垂直冲刷导流堤时冲刷深度最大；

河床粒径，河床粒径越细，泥沙越易被股流冲走，导流堤冲刷越深；

导流堤迎水面边坡，边坡坡度越缓，则股流冲刷也越小。当导流堤采用直壁式边坡时，冲刷深度最大。

在本发明实施例中，对各因素采用最小二乘法进行多参数相关拟合，得出导流堤股流冲刷深度计算公式：

$>h_{d1}=2.02q^{0.46}{e}^{-0.2n}\left(\frac{\alpha }{90}\right){d_{50}}^{-0.07}$>

式中，h_d1-不同角度影响下股流冲刷导流堤的深度，单位为m；

n-导流堤边坡坡度，1∶m；

α-股流流向与导流堤轴线交角，梨形堤时α取90°；无法确定时，建议取60°。

在本发明实施例中，布置多股股流冲刷动床模型时，导流堤形式采用直曲线封闭形式，按照对称布置，导流堤与洪水主流的交角为30°，桥长概化为1m和3m两种情况，并且在3m布置时，桥孔布置间距为1m的桥墩。

在本发明实施例中，对冲刷统计的结果采用相关分析进行拟合，建立导流堤冲刷深度与单宽流量Q、比降J、粒径相关性：

$>h_{d2}=0.975Q^{0.57}{J}^{0.3}{d}_{50}^{-0.08}$>

式中：h_d2-多股股流冲刷导流堤床面以下最大冲刷深度，单位为m；

Q-导流堤投影流量，m³/s。

在本发明实施例中，在典型洪峰流量过程中，股流偏斜冲刷导流堤的位置和时间都具有很大的随机性，相关系数较差，股流的形成与来流条件和河床边界条件有关，多股股流联合冲刷导流堤的时间、位置和深度具有很强的随机性，也可用以下关系来表达：

$>h_{d2}=\left(\begin{array}{c}2.0m....................J\le 0.005\\ 2.0-3.0m.............0.005\le J<0.008\\ 3.0-3.5m.............0.008\le J<0.01\\ 3.5-4.5m.............0.010\le J\le 0.015\end{array}\right)$>

在本发明实施例中，对冲刷统计结果采用相关分析进行拟合，建立导流堤冲刷深度与单宽流量Q、比降J、粒径d₅₀相关性：

$>h_{d3}=0.7Q^{067}{J}^{0.33}{d}_{50}^{-0.08}{\left(\frac{\beta }{90}\right)}^{0.5}$>

式中：h_d3-投影流量冲刷导流堤的深度，单位为m；

Q-导流堤投影流量，建桥前单宽流量与导流堤在桥位断面投影长度的乘积，单位为m3/s；

β-导流堤曲线段圆心角，梨形堤时β取90°。

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。

导流堤的作用及平面线型：

在桥位河段布置调治构筑物，不但约束水流，改善桥位处的水流条件，使桥孔通畅排水排沙，而且还要保护桥梁和桥头引道路堤，稳定桥位，防止河道不利演变威胁桥渡安全。桥渡调治构筑物按作用分为四类：导流建筑物，挑流建筑物，固底建筑物，边坡加固建筑物。

导流建筑物也称导流堤，主要作用是调治上游水流，使水流泥沙顺利通过桥孔。桥梁导流堤形式较多，常用的有曲线形，直曲复合形，梨形堤等，大比降卵砾石河流河段采用最多是封闭式形式。

梨形堤是导流堤的一种特殊形式，主要用于漫流性或者宽深比较大河段。梨形堤一般由正向和反向圆弧线组成。

大比降卵砾石河流河段股流摆动性较大，冲刷能力强，而且冲刷角度方向具有随意性，不同的入流角度导流堤冲刷深度相差甚大。虽然洪水的退水过程中流量已经不大，但因股流的集中冲刷，常常导致导流堤的冲刷深度比洪峰期更大。集中股流偏斜冲刷试验布置在宽1m的水槽里进行，导流堤迎水坡面在两种坡度下共进行了48组次试验。试验布置示意图如图2所示，试验参数和结果见表2。

表2 股流偏斜冲刷导流堤深度统计表

根据大比降卵砾石河流水沙运动规律以及试验现象分析可知，股流对导流堤冲刷深度受如下因素影响：

①股流大小。主要是指股流流量的大小，仍用单宽流量来表示，试验表明，股流越大，集中冲刷深度越深。

②股流入流角。股流与导流堤夹角越大，则冲刷越深，当股流垂直冲刷导流堤时冲刷深度最大。

③河床粒径。河床粒径越细，泥沙越易被股流冲走，导流堤冲刷越深。

④导流堤迎水面边坡。边坡坡度越缓，则股流冲刷也越小。当导流堤采用直壁式边坡时，冲刷深度最大。

根据以上分析，对各因素采用最小二乘法进行多参数相关拟合，得出导流堤股流冲刷深度计算公式：

$>h_{d1}=2.02q^{0.46}{e}^{-02n}\left(\frac{\alpha }{90}\right){d_{50}}^{-007}---(6-1)$>

式中，h_d1-不同角度影响下股流冲刷导流堤的深度(指床面以下的距离)，m；

n-导流堤边坡坡度，1∶m；

α-股流流向与导流堤轴线交角，梨形堤时α取90°；无法确定时，建议取60°；e＝2.7183。

上式根据大比降卵砾石河流河段动床试验模拟得出，相关性较好，具有一定的代表性，但是在实际使用中还是存在一些问题，首先股流流量的大小不易确定，其次是股流的入流角难以确定，因而真正应用难度较大。但是尽管如此，其还是具有一定意义，该公式能够说明股流冲刷深度受哪些因素的影响，而且通过公式能对影响大小能够作出估计。

多股股流冲刷动床模型试验

动床模型试验表明，导流堤冲刷一般为多股股流联合冲刷。冲刷位置可以是堤头部分，也可以是堤身部分。冲刷最大发生时间可能是洪峰期，也可能是洪水退水过程中股流集中冲刷。即在洪水整个过程中，导流堤基角部位处最大冲刷可能发生在任意时刻的任意位置。由于确定动床模型中股流单宽流量大小较为困难，因此导流堤单股股流冲刷公式只能反映较大估计股流时的冲刷深度，不能完全反映各种股流情况下的导流堤冲刷深度。

多股股流冲刷动床模型布置见图5。导流堤形式采用直曲线封闭形式，按照对称布置，导流堤与洪水主流的交角为30°，桥长概化为1m和3m两种情况。并且在3m布置时，桥孔布置间距为1m的桥墩。

试验中的一次洪水过程，多股股流冲刷导流堤的位置在不断变化。洪峰持续期过后的退水过程30min时，导流堤最大冲刷深度为15cm，位置在2m处。退水过程中的150min时，出现两个较大的冲刷坑，即4m处和1m处，冲刷深度分别为13cm、12cm。在180min时，出现3个冲刷坑，即4m处、2m处、0m处，冲刷深度分别为20cm、10cm、9cm。整个洪水过程最大冲刷坑出现在退水过程中的210min时，导流堤5m处，冲刷最大深度为22cm，相当于原型3.3m。

多股股流冲刷试验结果见表3。

多组动床模型试验分析表明，多股水流冲刷导流堤的最大深度和位置都有很大的随机性，即冲刷最大发生时间可能是洪峰期和洪水退水过程的任何时间，冲刷位置可能是导流堤的任何位置。

表3导流堤多股股流最大冲刷深度统计

对冲刷统计的结果采用相关分析进行拟合，建立导流堤冲刷深度与单宽流量Q、比降J、粒径d₅₀相关性：

$>h_{d2}=0.975Q^{0.57}{J}^{0.3}{d}_{50}^{-0.08}---\left(2\right)$>

式中：h_d2-多股股流冲刷导流堤床面以下最大冲刷深度，m；Q-导流堤投影流量，m³/s。

在典型洪峰流量过程中，股流偏斜冲刷导流堤的位置和时间都具有很大的随机性，相关系数较差。股流的形成与来流条件和河床边界条件有关，多股股流联合冲刷导流堤的时间、位置和深度具有很强的随机性，也可用以下关系来表达。

$>h_{d2}=\left(\begin{array}{c}2.0m....................J\le 0.005\\ 2.0-3.0m.............0.005\le J<0.008\\ 3.0-3.5m.............0.008\le J<0.01\\ 3.5-4.5m.............0.010\le J\le 0.015\end{array}\right)---\left(3\right)$>

投影流量冲刷动床模型试验

导流堤压缩河床后，导流堤不但要导治水流，还要在迎水范围内承受冲刷。投影流量冲刷是全河床洪水对迎水导流堤冲刷的主要形式，对导流堤基础埋深影响较大，投影流量冲刷导流堤动床模型试验见图4，布置主要有三种形式：30°导流堤、60°导流堤、90°导流堤(梨形堤)。

试验结果整理见表4。对冲刷统计结果采用相关分析进行拟合，建立导流堤冲刷深度与单宽流量Q、比降J、粒径d₅₀相关性，如图4所示。

$>h_{d3}=0.7Q^{0.67}{J}^{033}{d}_{50}^{-008}{\left(\frac{\beta }{90}\right)}^{05}---(6-4)$>

式中：h_d3-投影流量冲刷导流堤的深度(指天然床面以下的深度)，m；

Q-导流堤投影流量，建桥前单宽流量与导流堤在桥位断面投影长度的乘积，m³/s；

β-导流堤曲线段圆心角，梨形堤时β取90°。

表4导流堤投影流量最大冲刷深度统计

本发明实施例提供的桥位河段导流堤冲刷深度的测控方法，分别进行了股流偏斜冲刷试验、多股股流冲刷动床模型试验、投影流量冲刷动床模型试验，并对实验结果进行分析，采用只有洪峰恒定流过程的水力学概化试验和典型洪峰非恒定流过程动床模型试验研究导流堤冲刷深度问题，解决了现有公式在计算桥位河段导流堤冲刷深度时与大比降卵砾石河流实际情况不相符合的问题，保证了在桥位河段布置导流堤的科学性、合理性，改善了桥位处的水流条件，使桥孔通畅排水排沙，保护了桥梁和桥头引道路堤，稳定了桥位，防止河道不利演变威胁桥渡安全。

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。