专利名称：一种桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围的测控方法
技术领域：
本发明属于桥梁设计领域，尤其涉及一种桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围的测控方法。
背景技术：
通过天然河道观测和概化动床模型试验，桥位压缩后纵断面地形变化经过以下几个阶段①天然情况下，水流与河床相适应，在概化动床情况下，整个河段形成均匀紊流，水面线与河床面几乎平行。
②河道建桥后形成压缩断面，洪水在桥前区形成壅水，并在洪峰时刻形成最大壅水高度，同时在桥位上下游河段开始一般冲刷。③由于桥位断面洪水单宽流量增加，引起桥位河段上下游河床的剧烈冲刷，在横向断面发生全河床冲刷，纵向形成冲刷坑，分别向上游和下游延伸至较远距离。由于冲刷坑的形成，致使水面有所回落，壅水高度减小。④冲刷坑形成后，桥位上游河段河床比降变大，随着洪水流量增加或者持续以及在洪水退水过程，冲刷坑继续向上游发展，同时冲刷深度也不断增加直至达到平衡最大冲刷深度，而桥前区壅水也进一步减小甚至不产生壅水。⑤随着流量的减小，压缩段单宽流量减小，壅水完全消失，水流挟砂冲刷能力下降，上游泥沙在冲刷坑内落淤，冲刷坑回淤，冲刷深度减小。当流量继续减小，河段内出现股流并且形成股流集中冲刷，使河床面继续处于变形之中，冲刷深度有可能继续增加。最后流量减小至洪水过程结束，河床处于无水或者水量很小的状态，桥下河床变形基本结束，最后的河床形态维持到下一次洪水过程的来临。而现有的桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围的测控方法，不能够有效地对桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围进行研究，对桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围的计算结果不能符合实际状况的问题。
发明内容
本发明提供了一种桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围的测控方法，旨在解决现有的桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围的测控方法，不能够有效地对桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围进行研究，对桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围的计算结果不能符合实际状况的问题。本发明的目的在于提供一种桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围的测控方法，所述测控方法包括以下步骤第一步收集桥位河段流量资料，绘制流量过程曲线，选择典型洪水流量过程，并根据桥长计算桥位压缩断面的单宽流量q ;第二步通过钻机在桥位河段的河底钻孔取沙，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 ；第三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，区域流场用流场实时测量系统测量；第五步对单宽流量q、床面比降J、床沙中值粒径d5(l进行统计分析，采用最小二乘法多参数拟合得出典型洪水过程河床纵断面最大冲刷深度hb计算公式、纵向冲刷向上游影响范围Ls、纵向冲刷向下游影响范围Lx、纵向冲刷坑总的影响范围Lz计算公式。进一步，所述计算桥位河段纵向冲刷坑最大深度的实现方法为 桥位压缩引起河道的纵向冲刷与河床组成、比降、流量过程及压缩程度有关，采用最小二乘法多参数拟合试验数据，拟合出典型洪水过程河床纵断面最大冲刷深度公式hh =0.92^ 0V5002J0 2式中hb_河床纵断面上最大冲刷深度，单位为m ；q-桥位压缩断面的单宽流量，m3/s. m ；d50-河床质粒径，以中值粒径d5(l表示，单位为m ；J-河床比降；上式相关系数为r2 = 84. I %。进一步，所述测控方法中根据试验现象以及泥沙运动机理分析，桥位河段纵向冲刷坑的范围与以下一些因素有关①流量Q :通过河床断面的流量越大，则冲刷越剧烈，冲刷坑的范围越大；②压缩比δ :桥位压缩越大，则冲刷越大，冲刷坑也越大；③冲刷坑的深度hb :冲刷变形大，冲刷坑越深，则冲刷坑范围越大；④比降J :河床比降越大，水流通常水流强度越大，挟砂冲刷能力越强；⑤河床粒径d5(l :河床床砂组成越细，则越易被冲刷，冲刷的深度范围越大。进一步，所述测控方法中根据多组概化动床模型试验结果整理，采用最小二乘法，得到如下所示的冲刷坑影响范围的计算公式Ls = 40. 02 · q0.42 · J0.3 · d5(T0.15Lx = 35. 25 · q0.7 · J0.4 · d5(T0·25Lz = 48. 41 · q0.67 · J0.3 · d5(T0.2式中LS-纵向冲刷向上游影响范围，单位为m ；Lx-纵向冲刷向下游影响范围，单位为m ；Lz-纵向冲刷坑总的影响范围，单位为m。进一步，所述测控方法中影响桥位河段纵向冲刷的因素有①洪水流量，洪水流量越大，水流能量越大，挟砂冲刷能力越强；②压缩比，压缩比越小，桥位压缩得越厉害，单宽流量越大，水位壅高越大，单位水体能量越大，桥下冲刷也越深；
③床砂粒径，床砂越细，越易被冲；④河床比降，河床比降越大，水流冲刷能力越强；⑤股流出现时间，主要在洪水退水过程；⑥股流出现位置，在河床的任何位置都可能出现股流。本发明提供的桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围的测控方法，首先计算桥位河段纵向冲刷坑最大深度，然后研究并计算纵向冲刷坑向上、下游的影响范围，采用最小二乘法多参数拟合试验数据，拟合出典型洪水过程河床纵断面最大冲刷深度公式，根据多组概化动床模型试验结果整理，采用最小二乘法，得到冲刷坑影响范围的计算公式，全面、
合理地研究了桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围，测控方法精确。
图I示出了本发明实施例提供的桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围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纵断面最大冲刷深度及冲刷范围的测控方法的典型洪水过程河道纵断面变化过程的原理图；图3示出了本发明实施例提供的桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围的测控方法的纵向冲刷向上游影响最远范围相关关系图；图4示出了本发明实施例提供的桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围的测控方法的纵向冲刷向下游影响最远范围相关关系图；图5示出了本发明实施例提供的桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围的测控方法的纵向冲刷坑总范围相关关系图。
具体实施例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I示出了本发明实施例提供的桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围的测控方法的实现流程。该测控方法包括以下步骤在步骤SlOl中，收集桥位河段流量资料，绘制流量过程曲线，选择典型洪水流量过程，并根据桥长计算桥位压缩断面的单宽流量q ;在步骤S102中，通过钻机在桥位河段的河底钻孔取沙，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。；在步骤S103中，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 ;在步骤S104中，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，区域流场用流场实时测量系统测量;在步骤S105中，对单宽流量q、床面比降J、床沙中值粒径d5(l进行统计分析，采用最小二乘法多参数拟合得出典型洪水过程河床纵断面最大冲刷深度hb计算公式、纵向冲刷向上游影响范围Ls、纵向冲刷向下游影响范围Lx、纵向冲刷坑总的影响范围Lz计算公式。在本发明实施例中，计算桥位河段纵向冲刷坑最大深度的实现方法为桥位压缩引起河道的纵向冲刷与河床组成、比降、流量过程及压缩程度有关，采用最小二乘法多参数拟合试验数据，拟合出典型洪水过程河床纵断面最大冲刷深度公式hh =0.92^/°'8 JJo'2J0'2
式中hb_河床纵断面上最大冲刷深度，单位为m ；q-桥位压缩断面的单宽流量，m3/s. m ；d50-河床质粒径，以中值粒径d5(l表示，单位为m ；J-河床比降；上式相关系数为r2 = 84. I %。在本发明实施例中，根据试验现象以及泥沙运动机理分析，桥位河段纵向冲刷坑的范围与以下一些因素有关①流量Q :通过河床断面的流量越大，则冲刷越剧烈，冲刷坑的范围越大；②压缩比δ :桥位压缩越大，则冲刷越大，冲刷坑也越大；③冲刷坑的深度hb :冲刷变形大，冲刷坑越深，则冲刷坑范围越大；④比降J :河床比降越大，水流通常水流强度越大，挟砂冲刷能力越强；⑤河床粒径d5(l :河床床砂组成越细，则越易被冲刷，冲刷的深度范围越大。在本发明实施例中，根据多组概化动床模型试验结果整理，采用最小二乘法，得到如下所示的冲刷坑影响范围的计算公式Ls = 40. 02 · q0.42 · J0.3 · d5(T0.15Lx = 35. 25 · q0.7 · J0.4 · d5(T0·25Lz = 48. 41 · q0.67 · J。3 · d5(T0.2式中LS-纵向冲刷向上游影响范围，单位为m ；Lx-纵向冲刷向下游影响范围，单位为m ；Lz-纵向冲刷坑总的影响范围，单位为m。在本发明实施例中，影响桥位河段纵向冲刷的因素有①洪水流量，洪水流量越大，水流能量越大，挟砂冲刷能力越强；②压缩比，压缩比越小，桥位压缩得越厉害，单宽流量越大，水位壅高越大，单位水体能量越大，桥下冲刷也越深；③床砂粒径，床砂越细，越易被冲；④河床比降，河床比降越大，水流冲刷能力越强；⑤股流出现时间，主要在洪水运水过程；⑥股流出现位置，在河床的任何位置都可能出现股流。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。桥位区河床纵向地形变化
纵断面变化过程如下通过天然河道观测和概化动床模型试验，如图2所示，桥位压缩后纵断面地形变化经过以下几个阶段①天然情况下，水流与河床相适应，在概化动床情况下，整个河段形成均匀紊流，水面线与河床面几乎平行。②河道建桥后形成压缩断面，洪水在桥前区形成壅水，并在洪峰时刻形成最大壅水高度，同时在桥位上下游河段开始一般冲刷。③由于桥位断面洪水单宽流量增加，引起桥位河段上下游河床的剧烈冲刷，在横向断面发生全河床冲刷，纵向形成冲刷坑，分别向上游和下游延伸至较远距离。由于冲刷坑的形成，致使水面有所回落，壅水高度减小。④冲刷坑形成后，桥位上游河段河床比降变大，随着洪水流量增加或者持续以及在洪水退水过程，冲刷坑继续向上游发展，同时冲刷深度也不断增加直至达到平衡最大冲 刷深度，而桥前区壅水也进一步减小甚至不产生壅水。⑤随着流量的减小，压缩段单宽流量减小，壅水完全消失，水流挟砂冲刷能力下降，上游泥沙在冲刷坑内落淤，冲刷坑回淤，冲刷深度减小。当流量继续减小，河段内出现股流并且形成股流集中冲刷，使河床面继续处于变形之中，冲刷深度有可能继续增加。最后流量减小至洪水过程结束，河床处于无水或者水量很小的状态，桥下河床变形基本结束，最后的河床形态维持到下一次洪水过程的来临。冲刷坑纵向形态冲刷坑在洪水初期，迅速发展并达到一定的深度，其背水面向上游发展，坡度较陡，而迎水面向下游发展较远，坡度较缓。随着洪水持续时间的延长，河床冲刷向下继续，冲刷坑也继续向纵向和深度两个方向发展直到形成最大冲刷。当洪水后期单宽流量减小，泥沙在冲刷坑回淤，冲刷深度减小。当流量减小至水流速度小于床沙起动流速时，上游再无泥沙带来，但由于冲刷坑背水坡坡度较陡，水面在此跌落，局部流速仍然大于泥沙起动流速，从而将背水坡上的泥沙冲进坑内形成淤积，冲刷坑变浅，其背水坡和迎水坡的坡度陡变缓，最终形成如图2所示的冲刷坑形态。但若遇到洪水退水后半程时形成的股流集中冲刷，冲刷坑深度有可能继续加深而达到全过程中的最大冲刷深度。影响桥位河段纵向冲刷的因素如下桥位断面压缩后，在一次流量过程冲，从涨水至退水河床几乎都会发生冲刷。在涨水过程中，虽然涨水时间较短，但一般说来冲刷深度是随着时间及流量的增加而不断加深的；而在退水过程中，前期水流仍然具备较强的挟砂冲刷能力，因而冲刷仍然会继续，到了后半程，水流冲刷能力下降，冲刷坑开始回淤，但若遇到股流并且位置恰好在原冲刷位置，则冲刷反而再次继续加深并达到最大。因而影响桥下冲刷的因素如下①洪水流量。洪水流量越大，水流能量越大，挟砂冲刷能力越强。②压缩比。压缩比越小，桥位压缩得越厉害，单宽流量越大，水位壅高越大，单位水体能量越大，桥下冲刷也越深。③床砂粒径。床砂越细，越易被冲。④河床比降。河床比降越大，水流冲刷能力越强。⑤股流出现时间。主要在洪水退水过程。⑥股流出现位置。在河床的任何位置都可能出现股流。
冲刷坑纵向最大冲刷深度纵向冲刷坑最大深度，桥位压缩引起河道的纵向冲刷与河床组成、比降、流量过程及压缩程度有关，采用最小二乘法多参数拟合试验数据，拟合出典型洪水过程河床纵断面最大冲刷深度公式hh =0.92^0 V5^o V02(3-6)式中hb_河床纵断面上最大冲刷深度，m ；q-桥位压缩断面的单宽流量，m3/s. m ；d50-河床质粒径，以中值粒径d5(l表示，m ；J-河床比降。
上式相关系数为r2 = 84. 1%。纵向冲刷坑向上、下游的影响范围桥孔压缩河床后，破坏了桥位河段水流和泥沙运动的自然状态，影响了桥位上下游的河床演变。这种影响可以用纵向冲刷向上下游延伸范围来描述。典型冲刷坑形状以纵向冲刷坑最深冲刷点至冲刷坑上下游边缘的距离作为冲刷影响范围。通常讲，随着冲刷不断进行，冲刷也不断向上下游延伸，导致冲刷坑不断扩大。当水流条件不足以继续冲刷时，冲刷坑深度以及宽度都将达到最大值，冲刷也随之而停止。根据试验现象以及泥沙运动机理分析，桥位河段纵向冲刷坑的范围与以下一些因素有关①流量Q :通过河床断面的流量越大，则冲刷越剧烈，冲刷坑的范围也越大；②压缩比δ :桥位压缩越大，则冲刷越大，冲刷坑也越大；③冲刷坑的深度hb :冲刷变形大，冲刷坑越深，则冲刷坑范围越大；④比降J :河床比降越大，水流通常水流强度越大，挟砂冲刷能力越强；⑤河床粒径d5(l :河床床砂组成越细，则越易被冲刷，冲刷的深度范围越大；由前述知，影响冲刷坑深度与冲刷坑大小的因素差不多。根据多组概化动床模型试验结果整理，采用最小二乘法，得到如下所示的冲刷坑影响范围的计算公式Ls = 40. 02 · q0.42 · J0.3 · d5(T0.15 (3-7)Lx = 35. 25 · q0.7 · J0.4 · d5(T0.25(3-8)Lz = 48. 41 · q0.67 · J0.3 · d5(T0.2(3-9)式中Ls-纵向冲刷向上游影响范围，m ;Lx-纵向冲刷向下游影响范围，m ;Lz-纵向冲刷坑总的影响范围，m。拟合公式计算值与实测值的对比关系分别如图3、4所示。本发明实施例提供的桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围的测控方法，首先计算桥位河段纵向冲刷坑最大深度，然后研究并计算纵向冲刷坑向上、下游的影响范围，采用最小二乘法多参数拟合试验数据，拟合出典型洪水过程河床纵断面最大冲刷深度公式，根据多组概化动床模型试验结果整理，采用最小二乘法，得到冲刷坑影响范围的计算公式，全面、合理地研究了桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围，测控方法精确。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。
权利要求
1.一种桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围的测控方法，其特征在于，所述测控方法包括以下步骤 第一步收集桥位河段流量资料，绘制流量过程曲线，选择典型洪水流量过程，并根据桥长计算桥位压缩断面的单宽流量q ; 第二步通过钻机在桥位河段的河底钻孔取沙，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 ； 第三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，区域流场用流场实时测量系统测量； 第五步对单宽流量q、床面比降J、床沙中值粒径d5(l进行统计分析，采用最小二乘法多参数拟合得出典型洪水过程河床纵断面最大冲刷深度hb计算公式、纵向冲刷向上游影响范围Ls、纵向冲刷向下游影响范围Lx、纵向冲刷坑总的影响范围Lz计算公式。
2.如权利要求I所述的测控方法，其特征在于，所述计算桥位河段纵向冲刷坑最大深度的实现方法为 桥位压缩引起河道的纵向冲刷与河床组成、比降、流量过程及压缩程度有关，采用最小二乘法多参数拟合试验数据，拟合出典型洪水过程河床纵断面最大冲刷深度公式Jih =0.92q^d^2J°2 式中hb_河床纵断面上最大冲刷深度,单位为m ； q-桥位压缩断面的单宽流量，m3/s. m ； d50-河床质粒径，以中值粒径d5(l表示,单位为m ； J-河床比降； 上式相关系数为r2 = 84. 1%。
3.如权利要求I所述的测控方法，其特征在于，所述测控方法中根据试验现象以及泥沙运动机理分析，桥位河段纵向冲刷坑的范围与以下一些因素有关 ①流量Q:通过河床断面的流量越大，则冲刷越剧烈，冲刷坑的范围越大； ②压缩比δ:桥位压缩越大，则冲刷越大，冲刷坑也越大； ③冲刷坑的深度hb:冲刷变形大，冲刷坑越深，则冲刷坑范围越大； ④比降J:河床比降越大，水流通常水流强度越大，挟砂冲刷能力越强； ⑤河床粒径d5(l:河床床砂组成越细，则越易被冲刷，冲刷的深度范围越大。
4.如权利要求I所述的测控方法，其特征在于，所述测控方法中根据多组概化动床模型试验结果整理，采用最小二乘法，得到如下所示的冲刷坑影响范围的计算公式 Ls = 40. 02 · q0·42 · J。.3 · d5(T0.15 Lx = 35. 25 · q0.7 · J0.4 · d5(T0·25 Lz = 48. 41 · q°.67 · J°.3 · d5(T0.2 式中LS-纵向冲刷向上游影响范围，单位为m ；Lx-纵向冲刷向下游影响范围，单位为m ； Lz-纵向冲刷坑总的影响范围，单位为m。
5.如权利要求I所述的测控方法，其特征在于，所述测控方法中影响桥位河段纵向冲刷的因素有 ①洪水流量，洪水流量越大，水流能量越大，挟砂冲刷能力越强； ②压缩比，压缩比越小，桥位压缩得越厉害，单宽流量越大，水位壅高越大，单位水体能量越大，桥下冲刷也越深； ③床砂粒径，床砂越细，越易被冲； ④河床比降，河床比降越大，水流冲刷能力越强； ⑤股流出现时间，主要在洪水退水过程； ⑥股流出现位置，在河床的任何位置都可能出现股流。
全文摘要
本发明属于桥梁设计领域，提供了一种桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围的测控方法，首先计算桥位河段纵向冲刷坑最大深度，然后研究并计算纵向冲刷坑向上、下游的影响范围，采用最小二乘法多参数拟合试验数据，拟合出典型洪水过程河床纵断面最大冲刷深度公式，根据多组概化动床模型试验结果整理，采用最小二乘法，得到冲刷坑影响范围的计算公式，全面、合理地研究了桥位河段纵断面最大冲刷深度及冲刷范围，测控方法精确。
文档编号E02B1/00GK102864753SQ20121033064
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者李文杰, 张艾文, 兰艳萍, 杨胜发, 胡江, 付旭辉, 张帅帅 申请人:重庆交通大学