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桥台冲刷上限实验室和现场数据
Stephen T. Benedict
美国地质调查局与南卡罗莱纳州交通部合作，对南卡罗莱纳州的桥台冲刷进行了现场调查，并利用这些数据开发了包络线用来确定桥台冲刷上限。为了扩展以前的工作，启动了一项额外的合作调查，将南卡罗来纳州的数据与来自其他来源的桥台冲刷数据结合起来，并用这一较大的数据库来评估上限。 为了便于这一分析，将446个实验室和331个桥台冲刷现场数据汇编成一个数字数据库。 这一广泛的数据库被用来评估南卡罗莱纳桥台冲刷包络线，并为实验室和现场数据开发反映桥台冲刷深度上限的附加包络线，提供了简单但有用的补充工具，并且用来评估现场桥台的最大潜在冲刷深度。
“水利工程的危险情况比桥台附近的冲刷情况更为复杂，特别是位于复合渠道的情况。 因此，几乎没有同样困难的冲刷深度的情况。
—R. Ettema, A. Yorozuya, T. Nakato, and M. Muste,
A Practical Approach to Estimating Realistic Depths of Abutment Scour
桥台冲刷过程的复杂性使得制定预测方法变得困难，很少有人会对Ettema等人的上述评估提出异议。（ 1）电流冲刷预测方程主要由简化实验室调查 (2)发展起来的半经验关系组成，这些方程的性能可以变化(3-5）。虽然过度预测经常发生（有时过度），但预测不足也令人担心。
由于冲刷预测的不确定性，水利工程通告18(HEC-18)（ 6）建议通过与感兴趣地点或附近的现有历史数据进行比较，评估计算的冲刷是否合理。 在这种评估的基础上，预测的冲刷可以修改，如果认为适当的话。 利用历史冲刷数据评估预测冲刷的智慧是毋庸置疑的。然而，这种数据往往是无法获得的，这使得HEC-18中建议的评估变得困难。
解决有限的历史数据问题的一种方法是使用实验室以及桥台冲刷的现场测量导出的上限包络线。虽然这种曲线
U.地质调查局， 405学院大道，200，克莱姆森SC29631.sbenedic t@usgs.gov.
运输研究记录：运输研究委员会杂志，编号。 2588，运输研究委员会，华盛顿特区， 2016年， pp. 154– 162.
DOI: 10.3141/2588-17
不是特定的地点（或附近地点），但它们显示了广泛条件下桥台冲刷上限的一般趋势，为评估冲刷的最大潜力提供了工具。 桥台冲刷的包络线是以前为实验室和现场数据开发的。 关于实验室数据，Melville开发了与选定的实验室数据相关的无尺寸变量的包络线（ 96个数据)(7）。 关于实地数据，美国地质调查局与南卡罗莱纳州交通部合作，为南卡罗莱纳州选定的实地数据（ 209项测量)开发了包络线(8 项）。 这些先前的研究表明，如何开发和使用包络线来评估最大桥台冲刷潜力。
为了扩大Benedict（ 8）先前的工作，美国地质调查局和南卡罗来纳州交通部发起了另一项合作调查，从其他现有来源收集更多的实验室和实地数据，并评估这一较大数据集中桥台冲刷的上限模式。 进行了文献综述，以确定桥台冲刷数据的潜在来源，并将选定的数据汇编成一个由329个 现场和446个实验室测量桥台冲刷数据组成的数字数据库。这些数据大大扩展了Benedict（ 8）和Melville（ 7）以前使用的数据的范围，为评估和验证先前开发的包络线提供了一种手段。 本文提供了在调查中使用的现场和实验室数据的描述，实验室和现场数据与Melville无尺寸包络线的比较（ 7），评估南卡罗来纳州桥台冲刷包络线与额外的现场数据，以及结论意见。
现场数据
从文献综述中汇编的所有现场数据都是由USGS收集的。现场数据包括来自USGS国家桥梁冲刷数据库(NBSD)的15项测量（ 3、9)；来自南卡罗莱纳山麓中等梯度流的92项测量(8)；来自南卡罗莱纳海岸平原低梯度流的106项测量(无潮汐影响)，一般为砂质、非相干沉积物(8)；来自缅因州 小型、陡峭梯度流的93项测量(5)；以及来自阿拉巴马黑草原带低梯度流的23项测量(10项沉积物）。 阿拉巴马州的数据最初被归类为收缩冲刷（ 10）。 然而，与这些小桥相关的大流量收缩也使得将数据分类为桥台冲刷（ 8）是合适的。
表1列出了字段数据的选定变量的中位数和范围。 南卡罗莱纳州和NBSD数据主要是与溢出的桥台有关。
154
表1在南卡罗莱纳州、缅因州、阿拉巴马州和国家桥梁冲刷数据库以及在密苏里河70号州际大桥（ 7、12-21）进行桥台冲刷测量的选定变量范围值
范围值
流域面积(m i2)
渠道坡度
（ft/ft）
平均进近速度（ft/s）
平均进近流深度a[y（ft）]
桥台长度阻塞流量[(L（ ft）]
中值粒径[D50 (mm)]
实测冲刷深度Ds（ft）]
相对桥台长度(L /y)
相对冲刷深度
(Dsadj/y)
几何收缩比
(m)
南卡罗来纳州山麓（ 8)(92个数据）
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|
最小值 |
10.7 |
0.00015 |
0.17 |
2.19 |
18.4 |
0.003 |
0.0 |
2.5 |
0.00 |
0.02 |
|
中间值 |
76 |
0.00120 |
0.96 |
5.90 |
268 |
0.029 |
1.2 |
36.7 |
0.17 |
0.65 |
|
最大值 |
1,620 |
0.00240 |
3.57 |
15.60 |
1,669 |
0.447 |
18.0 |
228.6 |
2.99 |
0.93 |
|
南卡罗来纳州沿海平原（ 8)(106个数据） |
||||||||||
|
最小值 |
6.1 |
0.00007 |
0.05 |
2.00 |
86.7 |
0.005 |
0.0 |
20.5 |
0.00 |
0.51 |
|
中间值 |
120 |
0.00054 |
0.48 |
4.91 |
610 |
0.179 |
7.0 |
125.6 |
1.51 |
0.86 |
|
最大值 |
8,830 |
0.00240 |
0.96 |
16.04 |
7,440 |
0.782 |
23.6 |
760.5 |
4.21 |
0.98 |
|
缅因州（ 5)(93个数据） |
||||||||||
|
最小值 |
4.1 |
0.00041 |
0.18 |
1.11 |
0.0 |
0.25 |
0.0 |
0.0 |
0.00 |
0.08 |
|
中间值 |
20.1 |
0.00275 |
1.04 |
7.06 |
40.1 |
45 |
0.0 |
5.4 |
0.00 |
0.79 |
|
最大值 |
95.1 |
0.04446 |
5.62 |
15.25 |
808 |
109 |
6.8 |
96.5 |
3.36 |
0.98 |
|
阿拉巴马州（ 10)(23个数据） |
||||||||||
|
最小值 |
10.0 |
0.00040 |
0.18 |
3.21 |
43.0 |
0.001 |
1.4 |
9.8 |
0.15 |
0.75 |
|
中间值 |
80.2 |
0.00080 |
0.62 |
5.00 |
400 |
0.009 |
4.7 |
74.9 |
1.01 |
0.83 |
|
最大值 |
607 |
0.00160 |
1.31 |
9.34 |
1,141 |
0.170 |
10.4 |
204.3 |
2.11 |
0.94 |
|
国家桥梁范围数据库（ 9)(15个数据） |
||||||||||
|
最小值 |
836 |
0.00050 |
0.49 |
3.95 |
15.0 |
0.001 |
0.0 |
2.0 |
0.00 |
0.49 |
|
中间值 |
970 |
0.00060 |
0.71 |
8.81 |
560 |
0.150 |
4.5 |
56.3 |
0.59 |
0.86 |
|
最大值 |
16,010 |
0.00060 |
3.37 |
36.56 |
3,522 |
35 |
18.0 |
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