桥渡设计16：《桥渡设计》课程中的16种流速

《桥渡设计》课程涉及多学科、多领域、多行业，在设计流量、孔径布置、冲刷计算、涵洞计算等涉及多种流速，概念容易混淆。现总结《桥渡设计》课程中的16种流速如下，供读者参考。

1.单点流速v _n

单点流速是指水流中某个指定位置处的速度，常用流速仪或浮标直接测定。

2.垂线平均流速v 

天然河流中同一平面位置不同水深处的水流速度是不同的，垂线平均流速是指该位置垂线上各个测点的流速平均值。可作为河流单位宽度范围内水流速度的代表值，常用于计算单宽流量等，可用流速仪法和浮标法得到。

浮标法 ：

1） 通过浮标测得的实测水面平均流速vi可代表对应部分断面的平均流速（如图1（a）所示），岸边或死水边的部分平均流速v _岸 ，等于自岸边起第一条测速垂线平均流速乘以系数a，系数a的值，死水边取0.6，斜坡岸0.7.陡坡岸0.8（粗糙的）或0.9（光滑的）。

  (1)

2）垂线平均流速等于部分平均流速乘以浮标系数K，浮标系数K一般取0.8-0.9，原因在于部分平均流速即水面平均流速是垂线上的最大流速，需要乘以折减系数得到该垂线上的平均流速。

流速仪法 ：

根据各垂向测点的实测平均流速，计算垂线平均流速。根据测点的数目分为一点法、两点法、三点法和五点法（如图1（b）所示），垂线平均流速vi分别采用下式计算：

一点法    

两点法    .(2)

三点法 

五点法    

式中：v _0.0 、v _1.0 ——水面及河底测点的实测平均流速；

         v _0.2 、v _0.6 、v _0.8 ——0.2，0.6和0.8垂线水深处测点的实测流速，水深由水面垂直向下计算。Q=∑v _i f _i

断面测量和测点流速数据求得之后，由测点流速求垂线平均流速vi ，把各部分垂线平均流速与相应部分面积fi相乘即得部分流量，各部分流量之和即为测流断面流量,即Q=∑v _i f _i 。

图1 流速测量示意图

3.断面（河槽v _c /河滩v _t ）平均流速

天然断面流速的平均值, 一般等于设计流量除以过水断面，在不同计算公式中平均流速不尽相同。

(3)

式中：Q _c 、Q _t 分别为河槽和河滩的流量；v _c 、v _t 分别为河槽和河滩的断面面积。

4.设计流速v _p

与设计流量相应的水流速度，设计流速和对应设计流量的发生概率相同。河滩较小，压缩不多的河段可采用通过设计流量时河槽的天然平均流速；河滩很大的河段可按经验确定。常用于孔径布置、冲刷计算。

对于滩槽可分的河段，设计流量可分为桥下河槽部分通过的设计流量和桥下河滩部分的设计流量，以桥下河槽部分通过的设计流量Q _cp 为例：

 (4)

式中：Q _c 、Q ' _t ——天然状态下桥下河槽、河滩通过的流量；

进一步的，天然状态下桥下河槽通过的流量可以表示：

     (5)

根据谢才-曼宁公式，冲刷前桥下河槽部分平均流速V _c 可以表达为：

    (6)

(7)

式中：A _c 、C _c 、 、J为冲刷前桥下河槽部分的过水面积、谢才系数、平均水深和水力坡度。

5.天然河槽平均流速v _s

自然冲刷完成以后天然河槽的平均流速。当桥下流速达到天然河槽平均流速时，桥下冲刷即停止（别列柳伯斯基假定）。因此，天然河槽平均流速实际上是指流量比较大时的流速，计算桥孔长度时，常采用天然河槽平均流速作为设计流速。这是因为天然河槽经过长期的自然冲刷后，如图2所示，其平均流速基本稳定，不随水位的变化而改变，因此在设计流量下可采用别列柳伯斯基假定。

图2水位与流量关系曲线

6.桥下平均流速v _M

桥下断面流速的平均值，根据设计流速v _p 和冲刷系数P来计算，计算方法如表1所示，常用于桥前雍水高度计算。

对于桥前最大壅水高度?Z的计算。《公路工程水文勘测设计指南》推荐采用下式计算：

     (8)

式中：η——系数，参照表2选取；

表1  桥下平均流速

表2  η系数

7.土壤的容许流速v _H

也称土壤的容许不冲刷流速，即保证不出现冲刷所采用的流速。当河滩水深1m时，非黏性土容许不冲刷流速v _H1 如表3所示。

表3 水深为1m时非粘性土容许不冲刷流速表

8.一般冲刷后墩前行近流速v

一般冲刷结束后，桥墩上游未受扰流影响的墩前平均流速，常作为冲止流速用于一般冲刷计算。

1） 当采用64-2简化式计算非黏性土河槽部分一般冲刷后，墩前行近流速为：

(9)

式中：v _c ——河槽平均流速（m/s）；

2） 当采用64-1修正式计算非黏性土河槽部分一般冲刷后，墩前行近流速为：

   (10)

3） 当计算非黏性土河滩部分一般冲刷后，墩前行近流速为：

   (11)

4） 当计算黏性土河槽部分一般冲刷后，墩前行近流速为：

   (12)

5） 当计算黏性土河滩部分一般冲刷后，墩前行近流速为：

(13)

式中：E——为与汛期含沙量有关的系数；

9.冲止流速v _Z

一般冲刷停止时桥下的垂线平均流速，常用于一般冲刷计算。

对于非黏性土，冲止流速可按以下经验公式进行计算：

 (14)

式中：h _p ——一般冲刷深度；

对于黏性土，冲止流速可按以下经验公式进行计算：

    (15)

此处冲止流速计算公式与一般冲刷后河槽部分的墩前行近流速相同，说明一般冲刷后河槽部分的墩前行近流速即冲刷停止时桥下的垂线平均流速。

10.河床泥沙起动流速v ₀

指床面泥沙颗粒在各种外力作用下，失去平衡，泥沙开始运动时水流垂线的平均流速，常用于一般冲刷和局部冲刷计算。

沙玉清根据泥沙颗粒起动时，拖曳力和阻力相等的条件，建立了起动流速公式：

(16)

式中：ε——孔隙率。

以窦国仁整理的各家资料为基础，加上长江的实测记录以及武汉水利电力学院关于轻质卵石的试验资料（包括卵石，粗砂、细砂、黏土等粒径变化很宽的各种泥沙），张瑞瑾也给出了起动流速公式：

(17)

式中：h——水深（m）。

为了方便工程应用，河床泥沙起动流速进行了简化：

1）非黏性土河床桥墩局部冲刷

65-2式：

 (18)

65-1修正式：

(19)

2）导流堤端部局部冲刷：

(20)

导流堤端部局部冲刷公式中河床泥沙起动流速采用65-2式计算。

11.墩前泥沙起冲流速v ₀ '

当冲向桥墩的流速增大到一定程度时，桥墩迎水面及两侧的泥沙开始被水流冲走，床面开始冲刷时水流垂线的平均流速，常用于局部冲刷计算。

1）非黏性土河床桥墩局部冲刷

65-2式：

   (21)

65-1修正式：

    (22)

式中  B1——桥墩计算宽度。

2）导流堤端部局部冲刷：

   (23)

式中 h为导流堤端部的冲刷前水深。

12. 涵前行近流速v ₀

涵洞上游不远处，未受涵洞影响的涵前平均流速。一般可用涵前流量除以涵前断面面积计算，该速度常用于计算无压力式涵洞的涵前积水深。

无压力式涵洞的涵前积水深：

   (24)

式中：g——重力加速度，取用9.80（m/s ² ）；

13.涵内收缩断面处流速vc

涵洞收缩断面处的平均流速。一般可用涵洞收缩断面处的流量除以该处断面面积计算，该速度常用于计算半压力式涵洞的涵前积水深。

半压力式涵洞的涵前积水深；

      (25)

式中：φ——流速系数，进水口不升高式φ=0.85，升高式（或流线型）φ=0.95；

14.涵内设计流速v _s

涵洞内与设计流量相应的水流速度。该速度常用于计算淹没式涵洞的涵内过水面积，计算公式如下：

    (26)

式中：Φ ₀ ——流速修正系数；

15.涵洞允许不冲刷流速v _y

涵洞和排水计算时，保证不出现冲刷所采用的流速，常用于小桥孔径计算，可查《公路涵洞设计规范》附表B-17。

16. 小桥（涵洞）临界流速v _K

小桥或无压力式涵洞中发生临界水深的断面平均流速。常用于小桥孔径和桥面最低标高计算，其涵洞临界流速为

       (27)

式中：Q _p ——设计流量（m3/s）；