專利名稱：一種橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的測控方法
技術領域：
本發明屬于橋梁設計領域，尤其涉及一種橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的測控方法。
背景技術：
通過天然河道觀測和概化動床模型試驗，橋位壓縮后縱斷面地形變化經過以下幾個階段①天然情況下，水流與河床相適應，在概化動床情況下，整個河段形成均勻紊流，水面線與河床面幾乎平行。
②河道建橋后形成壓縮斷面，洪水在橋前區形成壅水，并在洪峰時刻形成最大壅水高度，同時在橋位上下游河段開始一般沖刷。③由于橋位斷面洪水單寬流量增加，引起橋位河段上下游河床的劇烈沖刷，在橫向斷面發生全河床沖刷，縱向形成沖刷坑，分別向上游和下游延伸至較遠距離。由于沖刷坑的形成，致使水面有所回落，壅水高度減小。④沖刷坑形成后，橋位上游河段河床比降變大，隨著洪水流量增加或者持續以及在洪水退水過程，沖刷坑繼續向上游發展，同時沖刷深度也不斷增加直至達到平衡最大沖刷深度，而橋前區壅水也進一步減小甚至不產生壅水。⑤隨著流量的減小，壓縮段單寬流量減小，壅水完全消失，水流挾砂沖刷能力下降，上游泥沙在沖刷坑內落淤，沖刷坑回淤，沖刷深度減小。當流量繼續減小，河段內出現股流并且形成股流集中沖刷，使河床面繼續處于變形之中，沖刷深度有可能繼續增加。最后流量減小至洪水過程結束，河床處于無水或者水量很小的狀態，橋下河床變形基本結束，最后的河床形態維持到下一次洪水過程的來臨。而現有的橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的測控方法，不能夠有效地對橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍進行研究，對橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的計算結果不能符合實際狀況的問題。

發明內容
本發明提供了一種橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的測控方法，旨在解決現有的橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的測控方法，不能夠有效地對橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍進行研究，對橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的計算結果不能符合實際狀況的問題。本發明的目的在于提供一種橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的測控方法，所述測控方法包括以下步驟第一步收集橋位河段流量資料，繪制流量過程曲線，選擇典型洪水流量過程，并根據橋長計算橋位壓縮斷面的單寬流量q ;第二步通過鉆機在橋位河段的河底鉆孔取沙，用不同篩徑的篩子分選各級床沙，用電子天平稱重，計算小于某一粒徑的質量，粒徑小于Imm的床沙用粒度分析儀測量確定，繪制級配曲線并確定床沙中值粒徑d5(l ；第三步收集建橋前的橋位河段地形圖，在橋位上下游I 2km河道順直段各選擇一個斷面作為計算起始點，選取主流河槽附近河底地形高程最低點，沿主流河槽在兩斷面之間繪制深泓線，測量出兩斷面間距離，根據繪圖比尺得到天然河段兩斷面間間距，計算床面比降J;第四步水位采用精度為O. Imm的測針讀取，流量采用自控系統控制，地形采用二維地形測量儀測量，局部流速用旋槳流速器測量，區域流場用流場實時測量系統測量；第五步對單寬流量q、床面比降J、床沙中值粒徑d5(l進行統計分析，采用最小二乘法多參數擬合得出典型洪水過程河床縱斷面最大沖刷深度hb計算公式、縱向沖刷向上游影響范圍Ls、縱向沖刷向下游影響范圍Lx、縱向沖刷坑總的影響范圍Lz計算公式。進一步，所述計算橋位河段縱向沖刷坑最大深度的實現方法為 橋位壓縮引起河道的縱向沖刷與河床組成、比降、流量過程及壓縮程度有關，采用最小二乘法多參數擬合試驗數據，擬合出典型洪水過程河床縱斷面最大沖刷深度公式hh =0.92^ 0V5002J0 2式中hb_河床縱斷面上最大沖刷深度，單位為m ；q-橋位壓縮斷面的單寬流量，m3/s. m ；d50-河床質粒徑，以中值粒徑d5(l表示，單位為m ；J-河床比降；上式相關系數為r2 = 84. I %。進一步，所述測控方法中根據試驗現象以及泥沙運動機理分析，橋位河段縱向沖刷坑的范圍與以下一些因素有關①流量Q :通過河床斷面的流量越大，則沖刷越劇烈，沖刷坑的范圍越大；②壓縮比δ :橋位壓縮越大，則沖刷越大，沖刷坑也越大；③沖刷坑的深度hb :沖刷變形大，沖刷坑越深，則沖刷坑范圍越大；④比降J :河床比降越大，水流通常水流強度越大，挾砂沖刷能力越強；⑤河床粒徑d5(l :河床床砂組成越細，則越易被沖刷，沖刷的深度范圍越大。進一步，所述測控方法中根據多組概化動床模型試驗結果整理，采用最小二乘法，得到如下所示的沖刷坑影響范圍的計算公式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-縱向沖刷向上游影響范圍，單位為m ；Lx-縱向沖刷向下游影響范圍，單位為m ；Lz-縱向沖刷坑總的影響范圍，單位為m。進一步，所述測控方法中影響橋位河段縱向沖刷的因素有①洪水流量，洪水流量越大，水流能量越大，挾砂沖刷能力越強；②壓縮比，壓縮比越小，橋位壓縮得越厲害，單寬流量越大，水位壅高越大，單位水體能量越大，橋下沖刷也越深；
③床砂粒徑，床砂越細，越易被沖；④河床比降，河床比降越大，水流沖刷能力越強；⑤股流出現時間，主要在洪水退水過程；⑥股流出現位置，在河床的任何位置都可能出現股流。本發明提供的橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的測控方法，首先計算橋位河段縱向沖刷坑最大深度，然后研究并計算縱向沖刷坑向上、下游的影響范圍，采用最小二乘法多參數擬合試驗數據，擬合出典型洪水過程河床縱斷面最大沖刷深度公式，根據多組概化動床模型試驗結果整理，采用最小二乘法，得到沖刷坑影響范圍的計算公式，全面、
合理地研究了橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍，測控方法精確。


圖I示出了本發明實施例提供的橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的測控方法的實現流程圖；圖2示出了本發明實施例提供的橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的測控方法的典型洪水過程河道縱斷面變化過程的原理圖；圖3示出了本發明實施例提供的橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的測控方法的縱向沖刷向上游影響最遠范圍相關關系圖；圖4示出了本發明實施例提供的橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的測控方法的縱向沖刷向下游影響最遠范圍相關關系圖；圖5示出了本發明實施例提供的橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的測控方法的縱向沖刷坑總范圍相關關系圖。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步的詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定發明。圖I示出了本發明實施例提供的橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的測控方法的實現流程。該測控方法包括以下步驟在步驟SlOl中，收集橋位河段流量資料，繪制流量過程曲線，選擇典型洪水流量過程，并根據橋長計算橋位壓縮斷面的單寬流量q ;在步驟S102中，通過鉆機在橋位河段的河底鉆孔取沙，用不同篩徑的篩子分選各級床沙，用電子天平稱重，計算小于某一粒徑的質量，粒徑小于Imm的床沙用粒度分析儀測量確定，繪制級配曲線并確定床沙中值粒徑d5。；在步驟S103中，收集建橋前的橋位河段地形圖，在橋位上下游I 2km河道順直段各選擇一個斷面作為計算起始點，選取主流河槽附近河底地形高程最低點，沿主流河槽在兩斷面之間繪制深泓線，測量出兩斷面間距離，根據繪圖比尺得到天然河段兩斷面間間距，計算床面比降J ;在步驟S104中，水位采用精度為O. Imm的測針讀取，流量采用自控系統控制，地形采用二維地形測量儀測量，局部流速用旋槳流速器測量，區域流場用流場實時測量系統測量;在步驟S105中，對單寬流量q、床面比降J、床沙中值粒徑d5(l進行統計分析，采用最小二乘法多參數擬合得出典型洪水過程河床縱斷面最大沖刷深度hb計算公式、縱向沖刷向上游影響范圍Ls、縱向沖刷向下游影響范圍Lx、縱向沖刷坑總的影響范圍Lz計算公式。在本發明實施例中，計算橋位河段縱向沖刷坑最大深度的實現方法為橋位壓縮引起河道的縱向沖刷與河床組成、比降、流量過程及壓縮程度有關，采用最小二乘法多參數擬合試驗數據，擬合出典型洪水過程河床縱斷面最大沖刷深度公式hh =0.92^/°'8 JJo'2J0'2
式中hb_河床縱斷面上最大沖刷深度，單位為m ；q-橋位壓縮斷面的單寬流量，m3/s. m ；d50-河床質粒徑，以中值粒徑d5(l表示，單位為m ；J-河床比降；上式相關系數為r2 = 84. I %。在本發明實施例中，根據試驗現象以及泥沙運動機理分析，橋位河段縱向沖刷坑的范圍與以下一些因素有關①流量Q :通過河床斷面的流量越大，則沖刷越劇烈，沖刷坑的范圍越大；②壓縮比δ :橋位壓縮越大，則沖刷越大，沖刷坑也越大；③沖刷坑的深度hb :沖刷變形大，沖刷坑越深，則沖刷坑范圍越大；④比降J :河床比降越大，水流通常水流強度越大，挾砂沖刷能力越強；⑤河床粒徑d5(l :河床床砂組成越細，則越易被沖刷，沖刷的深度范圍越大。在本發明實施例中，根據多組概化動床模型試驗結果整理，采用最小二乘法，得到如下所示的沖刷坑影響范圍的計算公式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-縱向沖刷向上游影響范圍，單位為m ；Lx-縱向沖刷向下游影響范圍，單位為m ；Lz-縱向沖刷坑總的影響范圍，單位為m。在本發明實施例中，影響橋位河段縱向沖刷的因素有①洪水流量，洪水流量越大，水流能量越大，挾砂沖刷能力越強；②壓縮比，壓縮比越小，橋位壓縮得越厲害，單寬流量越大，水位壅高越大，單位水體能量越大，橋下沖刷也越深；③床砂粒徑，床砂越細，越易被沖；④河床比降，河床比降越大，水流沖刷能力越強；⑤股流出現時間，主要在洪水運水過程；⑥股流出現位置，在河床的任何位置都可能出現股流。下面結合附圖及具體實施例對本發明的應用原理作進一步描述。橋位區河床縱向地形變化
縱斷面變化過程如下通過天然河道觀測和概化動床模型試驗，如圖2所示，橋位壓縮后縱斷面地形變化經過以下幾個階段①天然情況下，水流與河床相適應，在概化動床情況下，整個河段形成均勻紊流，水面線與河床面幾乎平行。②河道建橋后形成壓縮斷面，洪水在橋前區形成壅水，并在洪峰時刻形成最大壅水高度，同時在橋位上下游河段開始一般沖刷。③由于橋位斷面洪水單寬流量增加，引起橋位河段上下游河床的劇烈沖刷，在橫向斷面發生全河床沖刷，縱向形成沖刷坑，分別向上游和下游延伸至較遠距離。由于沖刷坑的形成，致使水面有所回落，壅水高度減小。④沖刷坑形成后，橋位上游河段河床比降變大，隨著洪水流量增加或者持續以及在洪水退水過程，沖刷坑繼續向上游發展，同時沖刷深度也不斷增加直至達到平衡最大沖 刷深度，而橋前區壅水也進一步減小甚至不產生壅水。⑤隨著流量的減小，壓縮段單寬流量減小，壅水完全消失，水流挾砂沖刷能力下降，上游泥沙在沖刷坑內落淤，沖刷坑回淤，沖刷深度減小。當流量繼續減小，河段內出現股流并且形成股流集中沖刷，使河床面繼續處于變形之中，沖刷深度有可能繼續增加。最后流量減小至洪水過程結束，河床處于無水或者水量很小的狀態，橋下河床變形基本結束，最后的河床形態維持到下一次洪水過程的來臨。沖刷坑縱向形態沖刷坑在洪水初期，迅速發展并達到一定的深度，其背水面向上游發展，坡度較陡，而迎水面向下游發展較遠，坡度較緩。隨著洪水持續時間的延長，河床沖刷向下繼續，沖刷坑也繼續向縱向和深度兩個方向發展直到形成最大沖刷。當洪水后期單寬流量減小，泥沙在沖刷坑回淤，沖刷深度減小。當流量減小至水流速度小于床沙起動流速時，上游再無泥沙帶來，但由于沖刷坑背水坡坡度較陡，水面在此跌落，局部流速仍然大于泥沙起動流速，從而將背水坡上的泥沙沖進坑內形成淤積，沖刷坑變淺，其背水坡和迎水坡的坡度陡變緩，最終形成如圖2所示的沖刷坑形態。但若遇到洪水退水后半程時形成的股流集中沖刷，沖刷坑深度有可能繼續加深而達到全過程中的最大沖刷深度。影響橋位河段縱向沖刷的因素如下橋位斷面壓縮后，在一次流量過程沖，從漲水至退水河床幾乎都會發生沖刷。在漲水過程中，雖然漲水時間較短，但一般說來沖刷深度是隨著時間及流量的增加而不斷加深的；而在退水過程中，前期水流仍然具備較強的挾砂沖刷能力，因而沖刷仍然會繼續，到了后半程，水流沖刷能力下降，沖刷坑開始回淤，但若遇到股流并且位置恰好在原沖刷位置，則沖刷反而再次繼續加深并達到最大。因而影響橋下沖刷的因素如下①洪水流量。洪水流量越大，水流能量越大，挾砂沖刷能力越強。②壓縮比。壓縮比越小，橋位壓縮得越厲害，單寬流量越大，水位壅高越大，單位水體能量越大，橋下沖刷也越深。③床砂粒徑。床砂越細，越易被沖。④河床比降。河床比降越大，水流沖刷能力越強。⑤股流出現時間。主要在洪水退水過程。⑥股流出現位置。在河床的任何位置都可能出現股流。
沖刷坑縱向最大沖刷深度縱向沖刷坑最大深度，橋位壓縮引起河道的縱向沖刷與河床組成、比降、流量過程及壓縮程度有關，采用最小二乘法多參數擬合試驗數據，擬合出典型洪水過程河床縱斷面最大沖刷深度公式hh =0.92^0 V5^o V02(3-6)式中hb_河床縱斷面上最大沖刷深度，m ；q-橋位壓縮斷面的單寬流量，m3/s. m ；d50-河床質粒徑，以中值粒徑d5(l表示，m ；J-河床比降。
上式相關系數為r2 = 84. 1%。縱向沖刷坑向上、下游的影響范圍橋孔壓縮河床后，破壞了橋位河段水流和泥沙運動的自然狀態，影響了橋位上下游的河床演變。這種影響可以用縱向沖刷向上下游延伸范圍來描述。典型沖刷坑形狀以縱向沖刷坑最深沖刷點至沖刷坑上下游邊緣的距離作為沖刷影響范圍。通常講，隨著沖刷不斷進行，沖刷也不斷向上下游延伸，導致沖刷坑不斷擴大。當水流條件不足以繼續沖刷時，沖刷坑深度以及寬度都將達到最大值，沖刷也隨之而停止。根據試驗現象以及泥沙運動機理分析，橋位河段縱向沖刷坑的范圍與以下一些因素有關①流量Q :通過河床斷面的流量越大，則沖刷越劇烈，沖刷坑的范圍也越大；②壓縮比δ :橋位壓縮越大，則沖刷越大，沖刷坑也越大；③沖刷坑的深度hb :沖刷變形大，沖刷坑越深，則沖刷坑范圍越大；④比降J :河床比降越大，水流通常水流強度越大，挾砂沖刷能力越強；⑤河床粒徑d5(l :河床床砂組成越細，則越易被沖刷，沖刷的深度范圍越大；由前述知，影響沖刷坑深度與沖刷坑大小的因素差不多。根據多組概化動床模型試驗結果整理，采用最小二乘法，得到如下所示的沖刷坑影響范圍的計算公式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-縱向沖刷向上游影響范圍，m ;Lx-縱向沖刷向下游影響范圍，m ;Lz-縱向沖刷坑總的影響范圍，m。擬合公式計算值與實測值的對比關系分別如圖3、4所示。本發明實施例提供的橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的測控方法，首先計算橋位河段縱向沖刷坑最大深度，然后研究并計算縱向沖刷坑向上、下游的影響范圍，采用最小二乘法多參數擬合試驗數據，擬合出典型洪水過程河床縱斷面最大沖刷深度公式，根據多組概化動床模型試驗結果整理，采用最小二乘法，得到沖刷坑影響范圍的計算公式，全面、合理地研究了橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍，測控方法精確。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的測控方法，其特征在于，所述測控方法包括以下步驟 第一步收集橋位河段流量資料，繪制流量過程曲線，選擇典型洪水流量過程，并根據橋長計算橋位壓縮斷面的單寬流量q ; 第二步通過鉆機在橋位河段的河底鉆孔取沙，用不同篩徑的篩子分選各級床沙，用電子天平稱重，計算小于某一粒徑的質量，粒徑小于Imm的床沙用粒度分析儀測量確定，繪制級配曲線并確定床沙中值粒徑d5(l ； 第三步收集建橋前的橋位河段地形圖，在橋位上下游I 2km河道順直段各選擇一個斷面作為計算起始點，選取主流河槽附近河底地形高程最低點，沿主流河槽在兩斷面之間繪制深泓線，測量出兩斷面間距離，根據繪圖比尺得到天然河段兩斷面間間距，計算床面比降J ; 第四步水位采用精度為O. Imm的測針讀取，流量采用自控系統控制，地形采用二維地形測量儀測量，局部流速用旋槳流速器測量，區域流場用流場實時測量系統測量； 第五步對單寬流量q、床面比降J、床沙中值粒徑d5(l進行統計分析，采用最小二乘法多參數擬合得出典型洪水過程河床縱斷面最大沖刷深度hb計算公式、縱向沖刷向上游影響范圍Ls、縱向沖刷向下游影響范圍Lx、縱向沖刷坑總的影響范圍Lz計算公式。
2.如權利要求I所述的測控方法，其特征在于，所述計算橋位河段縱向沖刷坑最大深度的實現方法為 橋位壓縮引起河道的縱向沖刷與河床組成、比降、流量過程及壓縮程度有關，采用最小二乘法多參數擬合試驗數據，擬合出典型洪水過程河床縱斷面最大沖刷深度公式Jih =0.92q^d^2J°2 式中hb_河床縱斷面上最大沖刷深度,單位為m ； q-橋位壓縮斷面的單寬流量，m3/s. m ； d50-河床質粒徑，以中值粒徑d5(l表示,單位為m ； J-河床比降； 上式相關系數為r2 = 84. 1%。
3.如權利要求I所述的測控方法，其特征在于，所述測控方法中根據試驗現象以及泥沙運動機理分析，橋位河段縱向沖刷坑的范圍與以下一些因素有關 ①流量Q:通過河床斷面的流量越大，則沖刷越劇烈，沖刷坑的范圍越大； ②壓縮比δ:橋位壓縮越大，則沖刷越大，沖刷坑也越大； ③沖刷坑的深度hb:沖刷變形大，沖刷坑越深，則沖刷坑范圍越大； ④比降J:河床比降越大，水流通常水流強度越大，挾砂沖刷能力越強； ⑤河床粒徑d5(l:河床床砂組成越細，則越易被沖刷，沖刷的深度范圍越大。
4.如權利要求I所述的測控方法，其特征在于，所述測控方法中根據多組概化動床模型試驗結果整理，采用最小二乘法，得到如下所示的沖刷坑影響范圍的計算公式 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-縱向沖刷向上游影響范圍，單位為m ；Lx-縱向沖刷向下游影響范圍，單位為m ； Lz-縱向沖刷坑總的影響范圍，單位為m。
5.如權利要求I所述的測控方法，其特征在于，所述測控方法中影響橋位河段縱向沖刷的因素有 ①洪水流量，洪水流量越大，水流能量越大，挾砂沖刷能力越強； ②壓縮比，壓縮比越小，橋位壓縮得越厲害，單寬流量越大，水位壅高越大，單位水體能量越大，橋下沖刷也越深； ③床砂粒徑，床砂越細，越易被沖； ④河床比降，河床比降越大，水流沖刷能力越強； ⑤股流出現時間，主要在洪水退水過程； ⑥股流出現位置，在河床的任何位置都可能出現股流。
全文摘要
本發明屬于橋梁設計領域，提供了一種橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍的測控方法，首先計算橋位河段縱向沖刷坑最大深度，然后研究并計算縱向沖刷坑向上、下游的影響范圍，采用最小二乘法多參數擬合試驗數據，擬合出典型洪水過程河床縱斷面最大沖刷深度公式，根據多組概化動床模型試驗結果整理，采用最小二乘法，得到沖刷坑影響范圍的計算公式，全面、合理地研究了橋位河段縱斷面最大沖刷深度及沖刷范圍，測控方法精確。
文檔編號E02B1/00GK102864753SQ20121033064
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月10日 優先權日2012年9月10日
發明者李文杰, 張艾文, 蘭艷萍, 楊勝發, 胡江, 付旭輝, 張帥帥 申請人:重慶交通大學