浅析粉土河床桥墩局部冲刷计算

仲兵兵 徐 成 曾斯亮 胡建林

（淮安市水利勘测设计研究院有限公司 淮安 223005）

浅析粉土河床桥墩局部冲刷计算

仲兵兵 徐 成 曾斯亮 胡建林

（淮安市水利勘测设计研究院有限公司 淮安 223005）

本文根据实际桥梁工程桥墩冲刷计算，通过对比采用不同公式所得的结果，简要分析确定粉土河床桥墩局部冲刷计算的适用公式，并指出各参数对桥墩局部冲刷的影响，对局部冲刷计算提出一些建议。

桥墩 粉土 河床 局部冲刷

1 概述

水流急剧流入桥孔，在桥头前缘、桥墩两侧等部分形成绕流，使水流与建筑物壁面出现边界分离，不断地产生旋涡，并向下游传播和发展，卷走床面泥沙，在桥头前缘、桥墩上游端及两侧附近形成冲刷坑，称为局部冲刷。目前，我国桥涵水文计算将局部冲刷分为非粘性土河床局部冲刷和粘性土河床局部冲刷两大类。而相关桥梁设计规范将桥梁地基岩土分为岩石（碎石土）、砂土、粉土和粘性土。冲刷计算公式并未给出公式的适用范围。

笔者在实际桥梁工程设计中粉土河床冲刷计算时，采用不同公式所得局部冲刷计算结果差异较大，本文根据实际桥梁工程设计实例，通过分析对比，确定粉土河床桥墩局部冲刷的适用公式。

2 粉土定义及基本特性

《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）中对粉土的定义：塑性指数Ip≤10且粒径大于0.075mm的颗粒含量不超过总质量50%。粉土是介于砂土和粘性土之间的过渡性土类，具有砂土和粘性土的某些特征，根据粘粒含量可以将粉土再划分为砂质粉土和粘质粉土。

粉土在黄淮地区分布十分广泛，在黄泛冲积区和江淮冲积区都普遍存在，是该区域桥梁工程建设经常遇到的土类之一。但粉土工程性质较差，结构松散，强度低，属于中、

高压缩性土。粉土中粉粒占比重较大，粘粒含量较少，与水胶结作用能力较差，颗粒间联结强度低，土体渗透系数较高，粘结力低，抗冲刷性差。粉土河床在汛期桥位河段水流集中，深泓线摆动和河湾凹岸冲刷，是引起桥梁墩台、桥头防护严重冲刷，导致水毁的最常见的原因。在桥梁墩台处产生的冲刷刷坑，减少了桩基础墩台桩的有效长度，形成较大安全隐患。因此，准确计算粉土河床桥梁墩台的冲刷深度，在桥梁设计阶段就采取有效措施避免因冲刷产生的不利影响具有重要意义。

3 桥下局部冲刷计算公式

3.1非粘性土河床局部冲刷计算公式

《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2002）中，计算非粘性土河床的一般冲刷有两个公式，即65-2式和65-1修正式。

3.1.1 65-2式

式中：hb—桥墩局部冲刷后最大水深（m）；

hp—一般冲刷后最大水深（m）；

Kξ—墩形系数；

B1—桥墩计算宽度（m）；

d—河床泥沙平均粒径（mm）；

Kη2—河床颗粒影响系数；

V—一般冲刷后墩前行近流速（m/s）；

Vo—河床泥沙起动流速（m/s）；

n2—指数，。

3.1.2 65-1修正式

式中：Kη2—河床颗粒影响系数；

n1—指数，。

3.1.3国内专家、学者根据多年研究确定的65-2修正式

式中：K—系数，一般建议用回归值，取0.46。

3.2粘性土河床一般冲刷计算公式

式中：IL—冲刷坑范围内粘性土液性指数，适用范围0.16～1.48。

4 桥下局部冲刷计算分析结果

4.1桥梁基本概况

根据淮河入海水道远期规划，入海水道远期工程将在现状河道基础上向下扩挖河槽，淮金一级公路跨淮河入海水道大桥桥址处河道远期规划断面河床冲刷层为粉土层，该层厚约8m，冲刷层平均粒径为0.0475mm，塑性指数Ip=5.8，液性指数IL=0.65。在淮河入海水道范围桥跨布置为：4×40m+4×40m+4×40m+4×40m，均为装配式预应力简支转连续小箱梁结构。桥墩为桩柱式桥墩，桩径1.8m。桥址处设计流量7000m3/s，设计流速1.36m/s。

4.2局部冲刷计算结果

4.2.1按非粘性土河床计算局部冲刷

按64-2简化式计算一般冲刷深度时，按非粘性土公式（64-2简化式）计算一般冲刷深度为3.59m，计算得一般冲刷后墩前行近流速V=1.5m/s。

（1）按65-2式计算得河床泥沙起动流速Vo=0.28（d+ 0.7）0.5=0.24 m/s，带入公式得到局部冲刷深度hb=26.8m。

（2）按65-1修正式计算得河床泥沙起动流速V0=，带入公式得到局部冲刷深度hb=8.73m。

（3）按65-2修正式采用张瑞瑾公式计算得河床泥沙起动流速，带入公式得到局部冲刷深度hb=8.98m。

4.2.2按粘性土河床计算局部冲刷

hp＞2.5B1，按公式计算得局部冲刷深度hb=0.83KξB10.6IL1.25V=1.46m。

比较各公式的计算结果，非粘性土计算公式所得结果都比较大。65-2式计算结果偏大到不合理的程度，而65-1修正式和65-2修正式计算结果相近，但是目前淮河入海水道已建成桥梁的墩台局部冲刷坑并没有上述计算结果那么多。通过分析非粘性土计算局部冲刷公式发现，非粘性土局部冲刷计算公式以及各系数计算式都与冲刷层泥沙平均粒径有关系，而且粒径大小变化对冲刷计算反映比较敏感，粒径越小，计算得深度越大。粉土颗粒粒径比较小，所以按非粘性土局部冲刷公式计算得结果偏大。

而采用粘性土局部冲刷计算公式所得结果相对较为合理，但粘性土局部冲刷计算公式与颗粒粒径无关，显然粒径大小及粘粒含量对土的抗冲刷性有较大影响，在采用该公式计算局部冲刷时应谨慎。

5 建议

针对粉土河床，桥墩局部冲刷可采用粘性土桥墩局部冲刷公式进行计算，但应根据颗粒粒径组成谨慎选取使用。鉴于粉土土体抗冲刷性能较差，建议在粉土河床上建设桥梁应对桥梁范围内河床进行护砌■