混凝土襯砌渠道糙率系數估算方法

劉俊發，曲志會，劉鴻濤，趙瑞娟

（1.吉林省第二松花江防汛機動搶險隊，吉林 長春 130022；2.長春工程學院，吉林 長春 130012；3.松遼水利委員會，吉林 長春 130021）

0 引言

隨著水資源的日益緊缺，水資源的優化配置及節水灌溉的實施變得越來越重要。隨之而來的是我國的混凝土襯砌渠道逐年增加，而糙率系數作為渠道設計的關鍵技術參數之一，對渠系工程的安全和造價有重要影響，所以其值的選取十分重要。

隨著新技術、新工藝和新材料的發展，以及施工設備的改進，工程質量較過去有很大提高，原有的選取糙率的方法已經不能完全準確地適用于現代渠道設計。大量的原型觀測試驗表明，一些渠道的設計糙率值與其實際值相差很多，如引灤入津工程暗渠的設計糙率為0.015，而實測值只有0.0115～0.0125。糙率系數對工程投資影響巨大,南水北調工程北京干線經評估，其糙率系數每下降0.001，就會使線路投資減少數億元。對于規模大、運行條件復雜的工程，糙率系數值的微小偏差，將對工程的安全和造價產生重大影響,所以現在一些大型工程通過參考同類工程原型實驗數據估算和選取糙率系數。

1 常用計算方法

式中：A為各斷面平均過水面積，m2；Q為該時段的平均流量，m3/s；R為水力半徑，m；J為水力坡降。

2 糙率系數估算公式的導出

19世紀中期，達西和威斯巴赫推導出計算沿程水頭損失的一般公式：

式中：λ為阻力系數；l為管道長，m；R為水力半徑，m；v 為平均流速，m/s；g 為重力加速度，m/s2。

應用時，應首先計算雷諾數，判別流態和紊流分區，而后選用不同的沿程阻力系數計算公式。

將式（2）用謝才公式的算式形式表示為：

清華大學1980年修訂版《水力學》中給出了計算沿程阻力系數的計算公式：

且以上各公式均適用于明渠水流。

因目前采用的經驗公式，資料大部分來源于紊流粗糙區（阻力平方區），且明渠水流大部分情形下處于紊流流區，所以本文應用紊流區沿程阻力系數計算公式。將式（7），（8）與式（4）聯立，又因為r0=2R，整理有：

紊流過渡區

式中：n為糙率系數；R為水力半徑，m；g為重力加速度，m/s2；ks為當量粗糙度，mm；Re為雷諾數。其中，當量粗糙度應在采用同種施工技術和工藝，且已經正常運行了幾年的現有工程上測得?；炷烈r砌渠道的當量粗糙度一般在0.8～9.0mm之間。

3 算例及影響糙率系數的主要因素

已知：梯形渠道設計底寬為3m，邊坡系數2，設計水深2m，同類工程襯砌的當量粗糙度ks為3.0mm，求 n。

經計算n=0.0154

以上糙率系數計算為參考同類工程當量粗糙度計算所得，避免了直接參考同類工程糙率可能產生的誤差。

影響襯砌渠道糙率系數取值的因素很多,襯砌表面的粗糙程度、渠道過水斷面形狀、渠系建筑物、變斷面、渠道流量、水質、施工質量、使用年限、管理養護措施等均對其有影響。從本文推導的糙率估算公式可以看出當量粗糙度ks，水力半徑R和雷諾數Re是決定糙率系數的最主要影響因素。

施工質量對糙率有較大的影響，隨著新技術、新工藝出現，以及施工器械設備的進步，工程質量已較過去有了很大的提高，是糙率系數取值變小的原因之一。原型試驗表明，在適當的養護條件下，糙率系數在渠道運行正常的年份內變化甚微。渠系建筑物、變斷面影響渠道的過流能力，產生局部水頭損失，對渠道水面線產生影響，從而對糙率系數有影響。

4 結語

目前，確定當量粗糙度的實驗數據還不夠充分，所以應用上還受到一定的限制，應該逐步積累當量粗糙度和糙率的原形觀測成果資料,適當補充和修訂現有當量粗糙度表和糙率系數取值建議表。從公式（9），（10）可以看出,邊界的幾何形狀和渠道襯砌表面的粗糙程度對糙率系數的影響最大，說明可以通過優化斷面形式和改進施工技術，以及提高施工質量，進而合理地減小渠道糙率，達到降低工程造價的目的。糙率系數是一個綜合性系數，其取值還要考慮建筑物、水質、流量、變斷面、管理水平和養護條件等多方面因素，本文計算式雖然還不能完全準確計算出渠道糙率，但已經可以為渠道糙率的準確選取提供依據。

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