[科普中国]-设计速率

设计速率，又称设计流速，与设计流量、设计充满度相应的水流速度。该值应控制在最小与最大设计流速范围内。最小设计流速是保证管道内不产生淤积的速度，该值对污水管道在设计充满度下为0.6m/s；对雨水管道和合流制管道在满流时为0.75m/s;对明渠为0.4m/s。最大设计流速是管道不被冲刷损坏的速度，该值与管道材料有关，通常对金属管道为10m/s，对混凝土管道为4m/s。

简介与设计流量和设计水位相对应的水流速度。以 m/s计。特大桥、大桥、中桥的孔径计算，允许桥下 河床有一定限度的冲刷，它是通过《公路桥涵设计规 范》规定的冲刷系数P的允许值控制，为此可减小 冲刷前的桥下过水断面积而把桥梁的墩台布设在河床内，以便减小桥孔长度，降低造价；随着冲刷的发 生，桥下被冲刷的过水断面积随之逐渐扩大，流速也随之逐渐减小，当冲刷停止时，流速即恢复为天然流速，因此，在计算特大桥和大、中桥的孔径时，其设计流速应采用天然流速。而小桥涵(小桥、涵洞)的孔径计算，则不允许桥下河床发生冲刷。通过人工加 固河床，既可防冲刷，又能提高流速，即在要求排泄同样设计流量的情况下，可减小桥下过水断面积而缩小小桥涵孔径长度，降低造价。此时，计算小桥涵 孔径的设计流速，应根据所采用的人工加固河床的 工程种类，选用其对应的容许(不冲刷)平均流速。

码头设计流速对于码头平面布置和水工结构设计，水流设计流速是非常关键的参考指标，流速大小、方向直接关系到码头选址、码头轴线定位、单桩稳定性、船舶靠离泊安全等，但是水流设计流速如何计算和取值在《海港总体设计规范》、《海港水文规范》和《海港工程设计手册》等规范手册上未予以明确 。《海港水文规范》的海流章节中，指出了海流特征值计算方法，指出海流可能最大流速可取潮流可能最大流速与风海流可能最大流速的矢量和，但未说明海流可能最大流速即为码头水流设计流速；《港口工程荷载规范》指出设计流速可采用港口工程结构所处范围内可能出现的最大平均流速，也可以根据相应表面流速推算，但最大平均流速是指码头前沿水域测流点各点实测最大流速的平均值、某测点的流速垂线最大平均值、还是推算的潮流垂线可能最大流速平均值等，没有给出解释与说明；其他规范未涉及到设计流速方面。为此，很多设计人员在水流设计流速取值方面思路与方法不一。设计流速取值过大则结构偏安全，但造价提高；过小反之。由于规范未明确，因此给审查和设计带来了困扰水流设计流速取值主要有潮流可能最大流速与余流的合成值、潮流可能最大流速、海流可能最大流速等方法，设计在确定码头轴线方位时，大多根据水文测验分析报告的实测潮流流速流向、潮流可能最大流速、风海流及余流等数据确定。潮流观测的垂线层次根据工程水域水深d 确定：d >10 m 时分6 层观测; 5 m≤d≤10 m 时分5 层观测。给出实测分层和垂向平均流速流向表，再根据实测资料采用准调和调和分析计算分层和垂向潮流可能最大流速。在设计流速取值时，一般采用垂向平均潮流可能最大流速作为潮流可能最大流速，极少考虑船舶吃水和实际水深的相互关系。余流是指从实测海流分离出周期性潮流后剩余的流动分量，通常由风场、海水的温盐和各种流动相互作用的非线性效应等因素引起，包括风海流、密度流、地转流等。风海流指在风作用下而产生的风对海水的应力，包括风对海水的摩擦力和施加在海面迎风面上的压力而形成的一种稳定海流1。

有关术语设计水位

相应于设计洪水频率的洪峰流量水位，即设计流量的水位。用标高表示设计水位的高低，以米 (m)计。河流的流量随水位而变化，表明水位与流 量之间有密切关系，在桥涵水文计算中，常利用它们 的关系来推求某一设计水位相应的设计流量。为此， 可在桥位附近选定河床形态断面进行历史洪水情况 的调查，调查历史洪痕位置、发生年份，以便确定历 史洪水位和历史洪水重现期。根据测绘的形态断面 和洪水比降、河床状况等资料，利用水力学有关公式 计算该历史水位的洪峰流量，以便最后确定所采用 的设计水位相应的桥涵设计流量。

设计流量

相应设计洪水频率的洪峰流量。以/s计。河 流每年出现的洪峰流量是不一样的，如选用过大的洪峰流量作为桥涵的设计流量，则设计出的桥涵将 不经济;如过小，则桥涵又不够安全。我国《公路工 程技术标准》规定，作为桥涵的设计流量是采用设计 洪水频率作为设计标准，即以平均多少年出现一 的最大洪峰流量作为桥涵的设计流量。公路等级越高和桥涵跨径越大，其相应的设计洪水频率规定值越小，作为桥涵的设计流量将越大。根据多年实测的洪峰流量资料，采用水文数理统计法，利用经验频率 曲线和理论频率曲线可以推求相应于设计洪水频率 规定值的设计流量。

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张磊 - 副教授 - 西南大学