专利名称：一种大比降卵砾石河流河段的桥位断面冲刷测控方法
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I 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Imm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d5(l ；
第四步水位采用精度为O.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. Olm和O. 015m三组，模型床沙中值粒径选取3. 62mm、2. lmm、0. 97mm和O. 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d5(l，进行相关分析拟合得出洪峰时桥位断面的最大冲刷深度hb计算公式；
第七步选择单宽流量为9 = 9.01113/8.111，模型比降1 = 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K ε ；
第九步根据洪峰时桥位断面的最大冲刷深度hb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hb ；
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O. 001、 O. 003,0. 005,0. 01和O. 015五种情况，模型床沙中值粒径选取3. 62mm、2. lmm、0. 97mm和 O. 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d5(l，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hhb ；
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hhb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
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d5(l，进行拟合得出最大下切深度hxmax和退水末期下切深度hxmd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
权利要求
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I 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Imm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d5(l ； 第四步水位采用精度为O. Imm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O. 005m、0.Olm和O. 015m三组，模型床沙中值粒径选取3. 62mm、2. 1mm、O. 97mm和O. 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d5(l，进行相关分析拟合得出洪峰时桥位断面的最大冲刷深度hb计算公式；第七步选择单宽流量为q = 9. 0m3/s.m，模型比降J = O. 01，偏移率ε选取I. 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K ε ； 第九步根据洪峰时桥位断面的最大冲刷深度hb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hb ； 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O. 001,0. 003、O.005、O. 01和O. 015五种情况，模型床沙中值粒径选取3. 62mm、2. 1mm、O. 97mm和O. 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d5(l，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hhb ； 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hhb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hhbE ；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d5(l，进行拟合得出最大下切深度hxmax和退水末期下切深度hxmd计算公式。
2.如权利要求I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
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
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
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 Ke = O. 96 ε 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
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，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
7.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
全文摘要
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。
文档编号E02B1/02GK102979058SQ201210330629
公开日2013年3月20日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者胡江, 张艾文, 兰艳萍, 付旭辉, 李文杰, 杨胜发, 张鹏 申请人:重庆交通大学