不同斷面形狀對人工渠道糙率影響的試驗研究

趙錦程

(新疆水利水電勘測設計研究院,烏魯木齊 830000)

文章編號：1006—2610(2015)02—0079—03

不同斷面形狀對人工渠道糙率影響的試驗研究

趙錦程

(新疆水利水電勘測設計研究院,烏魯木齊 830000)

為探究不同斷面對渠道糙率的影響，采用2種不同斷面的人工渠道，在2種底坡及5種不同流量的條件下研究糙率隨流量、底坡的變化規律。試驗結果表明：在明渠均勻流條件下，在相同底坡、不同斷面的人工渠道中，糙率的變化與流態有關，當Fr<1時，糙率值隨著流量的增大逐漸減小；當Fr>1時，糙率值隨著流量的增大逐漸增大。人工渠道斷面形狀發生變化時，糙率與各水力要素之間關系的變化規律基本相同，渠道的斷面形狀并不是影響渠道糙率變化的因素之一。

人工渠道；糙率；底坡；斷面形狀；試驗研究

0 前 言

明渠水流廣泛地存在于自然界中，明渠水流的水力計算是水利工程計算中一個重要組成部分，而糙率是水力計算中的重要敏感參數，受眾多因素的影響，要準確選用和標定糙率絕非易事，如若確定不準往往會給求解計算帶來很大的誤差。長期以來，人們對糙率系數的研究從未停止過，對糙率系數的特性以及它與一些水力要素相關關系也有了一定的認識[1-5]。馬吉明等[6]對南水北調中線工程的寬淺渠道進行模型試驗，認為對于水力半徑較大、斷面形狀和尺寸一定的渠道來說，糙率將隨流量的加大而加大。而楊岑等[7]采用3種不同粗糙度的人工加糙矩形渠道進行試驗，得出同一粗糙度的明渠糙率隨流量的增加呈對數減小的趨勢。二者所得結論完全相反。由此可以看出，對于影響糙率變化的因素目前還沒有定論。

筆者在總結前人研究成果的基礎上，試驗分析了在不同斷面形狀的條件下，明渠均勻流糙率隨流量弗汝德數及水深的變化的規律。為進一步研究糙率的特性以及選取、修正水力計算中糙率提供依據。

1 試驗布置及方案

1.1 試驗布置

本試驗研究在新疆農業大學水利與土木工程學院水力學實驗室進行，分別制作了長10 m，寬0.36 m，深0.29 m的PVC板矩形渠道和渠道底寬0.2 m，渠深0.17 m，邊坡系數m=1，渠長10 m的PVC板梯形渠道，試驗布置矩形渠道與梯形渠道基本一致，底板下放置鋼梁以便于后期調整渠道坡度。試驗系統包括：泵房、供水管道、調節閥門、三角形量水堰、矩形量水堰、水箱、地下回水渠道。為了獲得試驗所需要的明渠均勻流，在渠道前端安設水箱，用以穩定水流，當固定流量條件下的上下游水位一致時，便形成了明渠恒定流。試驗中取渠道中間均勻流段為量測對象。試驗系統見圖1。

圖1 試驗系統圖 單位：m

1.2 試驗方案

如圖1所示，取0+03.0 m、0+05.0 m、0+07.0 m處作為測量水深的斷面。使用水位測針對水深進行量測。每個測量斷面分別布置左、中、右3個測點。其中左右測點距離邊壁5 cm，中點為斷面的中點，距離兩側邊壁10 cm，計算時采用左中右3點的均值。選取0.001、0.03共2種不同的底坡進行試驗。試驗中通過流量調節閥門和上下游量水堰控制流量大小及其精度。每種底坡下均選取5組流量，試驗流量的變化范圍為13～28 L/s，流量調節幅度為3 L/s。因此試驗共進行了5×4=20組。

2 試驗結果及分析

2.1 相同底坡下流量Q與糙率的關系

利用明渠均勻流的公式：

(1)

和曼寧公式：

(2)

得出：

(3)

式中：n為糙率；A為過水斷面面積,m2；R為斷面的水力半徑,m；i為渠道底坡；Q為渠道過水流量,m3/s；C為謝才系數。

試驗中分別量測出不同底坡所對應的流量、水深,然后利用式(3)計算不同底坡、不同流量、不同斷面形狀所對應的糙率值,計算結果見表1。

表1 相同底坡不同斷面的Q-n值表

根據表1繪制出相同坡度下不同斷面Q-n關系曲線，見圖2、3。

圖2 底坡i=0.001時Q-n關系圖

圖3 底坡i=0.03時Q-n關系圖

由表1和圖2、3可知，當底坡i=0.001，渠道斷面為矩形時，隨著流量的增大糙率值逐漸減小；渠道斷面為梯形時，隨著流量的增大糙率值也逐漸減小。當底坡i=0.03，渠道斷面為矩形時，隨著流量的增大糙率值逐漸增大；渠道斷面為梯形時，隨著流量的增大糙率值逐漸增大。

2.2 相同底坡弗汝德數Fr與糙率關系

利用公式：

(4)

計算出不同底坡渠道中不同流量水深所對應的弗如德數Fr。

式中：α為動能修正系數，一般取α=1.0；v為斷面平均流速，m/s；g為重力加速度，取9.81 m/s2；h為斷面平均水深，m。

由表1及公式(4)可得不同底坡、不同流量、不同斷面所對應的弗汝德數和糙率值的關系，計算結果見表2。

表2 相同底坡不同斷面的Fr-n值表

根據表1繪制出相同坡度下不同斷面Fr-n關系曲線，見圖4、5。

圖4 底坡i=0.001時Fr-n關系圖

圖5 底坡i=0.03時Fr-n關系圖

由表2和圖4、5可知，當底坡i=0.001，渠道斷面為矩形時，隨著弗汝德數Fr的增大糙率值逐漸減小；渠道斷面為梯形時，隨著弗汝德數Fr的增大糙率值也逐漸減小。當底坡i=0.03，渠道斷面為矩形時，隨著弗汝德數Fr的增大糙率值逐漸減小；渠道斷面為梯形時，隨著弗汝德數Fr的增大糙率值也逐漸減小。同時，還可以看出當Fr<1時，隨著流量的增大糙率值逐漸減小；當Fr>1時，隨著流量的增大糙率值逐漸增大。

2.3 相同底坡水深h與糙率關系

通過水位測針可測得矩形斷面與梯形斷面在相同底坡下，不同流量所對應的水深，水深h為同一斷面左、中、右3個測點的均值，計算結果見表3。

表3 相同底坡不同斷面的h-n值表

根據表3繪制出相同坡度下不同斷面h-n關系曲線，見圖6、7。

圖6 底坡i=0.001時h-n關系圖

圖7 底坡i=0.03時h-n關系圖

由表3和圖6、7可知，當底坡i=0.001，渠道斷面為矩形時，隨著水深的增大糙率值逐漸減小；渠道斷面為梯形時，隨著水深的增大糙率值也逐漸減小。當底坡i=0.03，渠道斷面為矩形時，隨著水深的增大糙率值逐漸增大；渠道斷面為梯形時，隨著水深的增大糙率值也逐漸增大。

3 結 語

通過對不同底坡不同斷面的人工渠道進行試驗研究，得出以下幾點結論：

(1) 在相同底坡下，不同斷面形狀的人工渠道中，糙率值隨流量的變化關系與流態有關。緩流中，糙率值隨著流量的增大而減小；急流中，糙率值隨流量的增大而增大。

(2) 在相同底坡下，不同斷面形狀的人工渠道中，糙率與各種水力要素之間關系的變化規律基本相同，因此，渠道的斷面形狀并不是渠道糙率變化的影響因素之一。

[1] 李榕.關于影響曼寧粗糙系數n值的水力因素探討[J].水利學報,1989,(12)：62-66.

[2] 董槐三,陳耀忠.引灤入津隧洞糙率的原型觀測[J].水力發電,1987,(03)：46-52.

[3] 曾祥,黃國兵,段文剛.混凝土渠道糙率調研綜述[J].長江科學院院報,1999,(06)：1-4.

[4] 何建京,王惠民.流動型態對曼寧糙率系數的影響研究[J].水文,2002,(06)：22-24，53.

[5] 李麗,王加虎,王建群,等.自適應隨機搜索算法在河網數學模型糙率反演中的應用[J].水利水電科技進展,2011,31 ( 5 ): 64-67.

[6] 馬吉明，史哲.南水北調典型寬淺渠道糙率系數研究[J].水力發電學報,2007,(05)：75-79.

[7] 楊岑,路澤生,欒維功,李建雄,呂宏興,張寬地.矩形渠道人工加糙壁面阻力規律試驗研究[J].長江科學院院報,2011,(01)：34-38.

Study on Tests of Roughness of Artificial Canal With Different Sections

ZHAO Jin-cheng

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000，China)

To study the roughness of the artificial canal with different sections, the artificial canal with two different sections are applied to study the law of the roughness with variation of discharge and bottom slope at the conditions of two bottom slopes and five different discharges. The tests present that, in conditions of uniform flow in open canal, roughness varies with flow pattern in the artificial canal with same bottom slope and different section. WhenFr<1, the roughness increases with the discharge decrease; whenFr>1, the roughness increases with the discharge increase. When the canal section changes, the variation law of the relationship between roughness and hydraulic factors is the same basically. The section shape of the canal is not the factor which impacts the roughness variation.

artificial canal; roughness; slope bottom; section shape; study on test

2014-09-20

趙錦程(1986- ),男,西安市人,助理工程師,主要從事水利工程設計工作.

新疆水利水電工程重點學科基金(xjslgczdxk20101202).

TV135.3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.020