齐梅兰
(北京交通大学 土建学院，北京 100044)
摘要：本文根据冲刷机理的不同，将采沙河床桥墩冲刷分成三部分：(1)采沙坑背水面边坡由于增加了水流比降
容易形成溯源冲刷，(2)桥渡压缩水流过流断面增大水流挟沙力引起一般冲刷，(3)桥墩周围涡旋流造成局部冲刷。
总的冲刷是三种冲刷的叠加。本文采用分步法计算了某河流采沙河床桥墩冲刷深度，各部分不同的冲刷机理采用
相应的冲刷计算方法。结果表明采沙坑对桥墩安全的影响与沙坑尺度及其距大桥的距离有关。
关键词：采沙坑；河床；溯源冲刷；一般冲刷；局部冲刷
中图分类号：U442.3+2 文献标识码：A

近年来由于城市建设规模的发展，建筑工程的沙石用量剧增，邻近城区的河道采沙对跨河工程的安全造成威胁。采沙河道的河床演变及其对建筑物、防洪等的影响成了研究的新课题。对于跨河大桥，桥墩周围河床的冲刷深度决定了桥墩基础的安全埋置深度。桥墩冲刷与众多因素有关，一是水沙因素，包含流速、水深、泥沙粒径、泥沙颗粒级配、床沙黏性等，二是桥墩因素，包括桥墩形状、桥墩迎水面宽度、桥墩长度，桥墩与水流方向夹角等。桥墩周围的水流结构为三维马蹄形结构[1、2]，使得冲刷计算非常复杂。工程设计中，桥墩周围河床的冲刷深度计算是将河床一般冲刷计算和局部冲刷分别计算的，二者之和决定桥墩基础的埋深。一般冲刷是指由于桥梁建筑物侵占河流的过水断面，使水流流速及挟沙力增大而造成的河床冲刷。局部冲刷则是指桥墩周围的马蹄形涡流造成的河床冲刷。实际上，跨河桥墩的一般冲刷和局部冲刷几乎是同时完成的，由于冲刷机理复杂，工程设计中将其进行了分步过程假设，即假定一般冲刷先发生，当一般冲刷完成后才发生局部冲刷[3～4]。近年来河床采沙破坏了天然河流条件，给桥墩冲刷计算提出了新的问题，桥墩冲刷还要首先考虑采沙引起的非平衡河床演变，使桥墩冲刷问题研究更趋复杂。本文结合工程实例介绍了作者研究采沙河床桥墩冲刷计算的一种方法，这种方法能解决一定的工程问题。

1 采沙河床桥墩冲刷机理分析
1.1 采沙坑坡面冲刷 由于较大规模的采沙使河床沿水流方向出现突然凹陷，在坑内出现涡旋水流，增加了采沙坑边壁紊动应力，沙坑边坡更容易被冲刷。采用紊流代数应力模型可以对此计算采沙坑边坡角度对水流切应力的影响[6]，图1示出了采沙坑边坡角度α=0(矩形)和α=45°(有边坡)时的边壁应力，表明边坡越陡则边壁应力越大。河床面水流切力是泥沙起动的根本因素。文献[6]计算的流速矢量纵剖面还表明，采沙坑的背水坡面流速较大且附近有较强的涡旋流，而迎水坡流速较小且涡旋流较弱。采沙坑背水坡面较强的涡旋流产生床面较强的切应力，所以背水坡面较迎水坡面易冲刷。这一点还可从泥沙起动原理来说明。

背水坡面的冲刷是逐步向上游发展的，因而形成溯源冲刷。发生溯源冲刷河段的挟沙能力与流量和床面比降有关，床面比降越大或流量越大均使河段挟沙力增大[8、9]。沙坑溯源冲刷的平衡状态可用平衡比降Jc描述，Jc与水流强度及泥沙颗粒大小有关。曹文洪等人的研究表明[10]，相同流量下溯源冲刷平衡比降Jc比沿程冲刷平衡比降大，说明溯源冲刷长度较沿程冲刷短。

1.3 桥墩局部冲刷
桥墩局部冲刷[11]
是指桥墩周围涡旋流产生的冲刷。水流受到桥墩的阻挡，水面向
上弯曲，一定水深以下水流倾斜向下，在床面处形成横轴环状涡旋带，绕墩水流在桥墩两侧形成立轴涡旋 [1、2]。墩周泥沙被涡旋流卷起，由墩侧水流挟带至下游落淤，墩周形成局部冲刷坑。决定局部冲刷的主要 因素有：墩前水流的行近流速v、水深、桥墩宽度B、桥墩形状、河床质粒径d及颗粒组成、河床泥沙起动流速v0等。我国桥梁工程中计算桥墩局部冲刷平衡深度均采用经验公式[2、3]。
根据以上分析，可假定采沙河床桥墩冲刷分别由采沙坑演变、一般冲刷和局部冲刷三步独立完成，依次计算水流作用下各部分冲刷结果，并采用叠加原理计算采沙河床桥墩总冲刷。
2 冲刷计算方法

2.2 桥下一般冲刷计算
一般冲刷计算的经验公式按黏性土和非黏性土区分，对于非黏性土河床采用
如下计算式：
式中：A为单宽流量集中系数；q为单宽流量(m3/s.m)；hmax为断面最大水深(m)；h为断面平均水深(m)；d为泥沙平均粒径(mm)；E为与汛期含沙量有关的系数。
式(13)得到的h 为一般冲刷后的最大水深，由此可得出一般冲刷最大厚度。
I

2.3 桥墩局部冲刷计算
由于桥墩周围水流结构及泥沙运动机理复杂，工程中仍使用经验公式计算[3～5、9、11、13]，我国在桥梁工程中对于非黏性土河床采用如下公式计算桥墩局部冲刷深度hb
式中：hb为桥墩局部冲刷坑深度(m)；v为一般冲刷后墩前行近流速(m/s)；B1为桥墩计算宽度(m)；Kξ为墩形系数；Kη为河床颗粒影响系数； 0 v′为墩前始冲流速(m/s)；n为指数。I

3 桥墩冲刷计算结果分析
3.1 计算河段概况
海河流域滹沱河某段河槽宽度约470m，深度约8.8m，有某大桥横跨该河段，并排的桥墩14个，共侵占水流过流宽度110m。桥址断面河槽最大容许泄量为3300m3/s,超过此流量则形成漫滩水流。近年来桥断面以上1000m、以下5000m范围内有大量采沙活动，河床上形成不规则沙坑，见图2。采沙形成局部较大范围内河床突降，最大沙坑深度约35m，沙坑距桥距离最近的约400m，见图3。图3为河槽某纵断面，横坐标以大桥轴线为起点。河床质为非黏性散颗粒泥沙，泥沙中值粒径为d50=0.2mm的粗沙，河床以下沙层粒径基本均匀，偶有非连续薄黏性颗粒层。 由于河床条件的复杂化，本文采用上述桥墩冲刷计算的分步思路，将采沙河段桥墩冲刷计算按不同的机理分析处理，然后将各部分冲刷结果进行叠加。
3.2 冲刷计算结果分析
本文仅考虑桥下游沙坑溯源冲刷对桥墩冲刷的影响，进行了不同水流条件的计算。图4为不同流量时桥址下游400m处采沙坑溯源冲刷距离和厚度hs，图中横坐标1、2、3、4、5分别表示桥址断面、距桥下游100m、200m、300m、400m。计算结果表明，Q=1000m3/s时采沙坑的演变未影响桥址断面河床，Q=2000m3/s时采沙坑的溯源冲刷使桥址断面河床产生0.24m下切，当Q=3000m3/s时桥址河床下切0.57m，这一结果与原型观测值Q=3650m3/s时桥址河床下切0.7m很接近。I

I

假定桥下一般冲刷发生在采沙坑演变趋于平衡之后。由式(13)计算得出一般冲刷断面最大水深后，可根据一般冲刷前水深计算出一般冲刷河床下切厚度hg。图5表示了桥下河床一般冲刷厚度随流量增长的关系。
桥墩局部冲刷是继桥下一般冲刷完成后发生的。由计算公式(14)和(15)看出，在相同的水沙条件下桥墩局部冲刷深度与桥墩宽度和桥墩形状有关。图6给出了该桥某桥墩的局部冲刷深度随流量的变化。I

根据前述叠加假定，不同流量下采沙河床某桥墩总冲刷深度汇于表1。表中还列出了溯源冲刷厚度、一般冲刷厚度及桥墩局部冲刷厚度占桥墩总冲刷厚度的比例。可见，在本工程实例中，沙坑溯源冲刷影响不大，Q=3000m3/s 时最大占 7%，一般冲刷厚度在各流量下占比例最大为61.1%～83.1%，局部冲刷厚度占16.9%～31.9%。当然，不同的沙坑位置、深度和水流强度引起的溯源冲刷明显不同，甚至会造成较大灾害。I

4 结论
本文分析了采沙河床上桥墩冲刷机理，并采用分步方法对桥址下游采沙坑溯源冲刷、桥下一般冲刷和桥墩局部冲刷平衡深度进行了计算，采用三者冲刷结果的叠加假定确定采沙河床桥墩总冲刷深度。对于本文的工程实例，由于桥址下游采沙坑距大桥约400m，而且床沙主要为粗沙，在河槽流量不大于平槽流量Q=3000m3/s时，计算得出采沙坑溯源冲刷对桥下冲刷影响不大，总冲刷深度主要受桥下一般冲刷和桥墩局部冲刷控制。但采沙坑位置和深度的不同，对大桥冲刷影响将存在很大差异，如果采沙坑位置更靠近大桥，或上游沙坑与下游沙坑相距较近时，洪水作用下沙坑的变化将可能对大桥安全造成威胁。I

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