骨干渠道糙率取值合理性測試研究

沈天升

摘要：在滿足試驗段選取原則的基礎上，選取了不同斷面形式與砌護材料形式的7個典型渠段進行渠道斷面幾何參數與水力要素原型監測試驗，利用曼寧公式對實測數據進行計算得出渠道實測糙率，將單一襯砌材料糙率結合復合渠道設計與實測數據進行加權平均，計算得出兩組糙率數值，并與實測、設計糙率進行對比，結合試驗段具體情況對率定糙率值偏大的原因進行了分析。結果表明：率定糙率值偏大的主要原因為斷面幾何尺寸不標準、渠底比降不連續和渠道淤積。最終得出寧夏引黃灌區不同襯砌材料渠道的糙率，并結合國家及地方規范給出了各種砌護材料糙率的設計取值范圍，為寧夏引黃灌區渠道設計糙率選取提供了依據。

關鍵詞：襯砌材料；糙率；測試研究；寧夏引黃灌區

中圖分類號：TV135.3

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.035

襯砌渠道糙率值的選取直接關系到渠道工程投資與運行管理。近年來，在渠道運行管理過程中，個別渠段運行后水位降幅達到50cm，甚至更大，對農田正常灌溉產生影響。分析其原因，發現隨著施工水平的逐步提高以及工程質量的不斷提升，可能在設計中糙率采用的規范值存在偏大現象。原型渠道的糙率觀測值更能真實地反映襯砌材料糙率情況以及影響糙率的相關因素。筆者針對寧夏引黃灌區骨干渠道，選擇不同襯砌結構類型典型渠段開展糙率原型觀測與研究。

1 試驗段選取

1.1 選取原則

國內外在渠道糙率原型觀測方面已有一些相關的研究成果，筆者結合前人研究成果，本著最大程度減小誤差的原則，對典型試驗段的選取制定以下原則，以期在減小測量誤差的基礎上所得數據能真實反映砌護材料的糙率情況。

1.1.1 代表性原則

（1）流量代表性。為保證試驗段的流量范圍能涵蓋寧夏引黃灌區絕大部分骨干渠道設計流量，按照灌溉渠道襯砌技術規范（DB64/T811-2012）的規定，流量劃分為4個級別。

（2）斷面形式與砌護材料代表性。目前寧夏灌區渠道襯砌所用的材料有混凝土預制板、現澆混凝土、格賓石籠、卵石或塊石。混凝土板用于梯形渠道的全斷面襯砌，現澆混凝土主要用于渠道的圓弧坡腳，格賓石籠主要用于地下水位高、流沙段等特殊條件下的渠道邊坡及基礎，卵石主要用于渠底，塊石多用于漿砌石護坡基礎或干砌石護坡。

1.1.2 測量方法規范化原則

（1）水流為明渠均勻流，試驗渠段順直，水流平穩，渠段長度應大于1km。

（2）試驗渠段縱橫斷面規則、穩定，襯砌材料一致。

（3）試驗渠段無閘、坎等建筑物。

（4）測流斷面附近不宜有影響水流的建筑物和樹木雜草等，不受上游建筑物泄流和下游建筑物回水影響。

1.1.3 有利于監測的原則

（1）試驗段區間內應至少有一處踏步。

（2）試驗段區間應基本整潔，無雜草或垃圾堆積。

（3）試驗段至少單側渠堤道路通暢。

（4）試驗段停水期渠底無積水。

（5）測流斷面處應有固定水尺，便于實時觀測水位。

（6）應優先選擇渠道管理單位現有測水斷面。

1.2 渠段選取

本試驗共選取試驗段7個。斷面包括梯形、弧底梯形、圓弧坡腳梯形3種形式：砌護材料有全斷面現澆混凝土、全斷面預制混凝土板、弧腳現澆+邊坡與渠底預制、弧底現澆+邊坡預制以及格賓石籠與現澆混凝土板+預制混凝土板相組合的復合襯砌形式。具體砌護結構以及各水力要素設計參數見表1。

2 測量的內容與要求

（1）斷面幾何尺寸。主要有渠底寬度、坡度、網弧坡腳長度、網弧段弦長、弧高、渠道比降等。

（2）測量精度要求：底寬為±1c：m，坡度為±l°，圓弧坡腳長度為+2Cm，弧高為±5mm，圓弧段弦長為+2cm，渠底高差為+5mm。

（3）水力學要素。測流斷面水力學要素主要包括水深、流速、流量，其中流量選取相對設計流量的80%～100%、60%～75%、40%～55%共3個流量級別。

3 測量結果分析與評價

對所選7個典型渠段斷面幾何尺寸與水力學要素進行測量，得到15組實測數據，利用曼寧公式對渠道糙率計算進行反推，計算公式為式中：v為渠道斷面流速，m3/s；R為渠道水力半徑，m；i為渠道比降。

計算結果見表3。將實測數據推算的糙率值與設計值進行對比，實測值大于設計值的占73%，實測值小于設計值的占27%。

3.1 單一渠道糙率計算

（1）現澆混凝土渠道（固海三干渠）。全斷面現澆混凝土梯形斷面，應用實測數據對糙率進行計算，計算糙率為0.0155，比設計值0.0140大，其原因：一是該渠段為傍山渠道，影響整個渠道的順直和斷面幾何尺寸的標準程度：二是設計比降為1/6000，而實測比降為1/4545，是導致該渠段實測糙率比設計值大的主要因素：三是實測條件與設計條件不完全一致，實測水力要素與設計水力要素存在不同程度的偏差，也導致渠道實測糙率偏大。根據羅光蘭提出的渠道彎道糙率附加值，結合該試驗段實際情況，將該試驗段渠道糙率減去彎道附加值0.002，最終得出實測現澆混凝土糙率值為0.0135。

（2）預制混凝土板渠道（固海二干渠、鹽環一干渠）。固海二干渠渠段為全斷面預制混凝土板梯形斷面，計算糙率為0.0154，與設計值0.0160較為接近，誤差在5%以內，導致實測數據率定糙率與設計值產生偏差的主要因素為比降偏差。

鹽環一干渠渠段為全斷面預制混凝土板襯砌梯形斷面，根據3組實測數據計算的糙率分別為0.0166、0.0145、0.0144，均小于設計值0.0170。將所測數據進行平均，得出實測預制混凝土板糙率為0.0152。

（3）格賓石籠渠道（西干渠鎮北堡攔洪庫段）。該渠段為復合材料襯砌形式，圓弧坡腳梯形斷面，格賓石籠左岸邊坡+渠底、預制混凝土板邊坡、右岸現澆混凝土圓弧坡腳襯砌形式，實測糙率為0.0229，大于設計值0.0202。

3.2 復合渠道糙率計算

復合渠道是由兩種或兩種以上襯砌材料組合而成的，設計過程中復合渠道糙率一般由單一襯砌材料糙率通過濕周加權平均計算得到。本試驗利用曼寧公式將實測數據代人計算公式可直接得到復合渠道糙率，但是由于測量過程中試驗段出現了淤積、幾何尺寸偏差等問題，使得實測糙率存在一定的偏差，因此根據單一襯砌材料糙率值與實測斷面幾何尺寸、水力要素計算復合渠道糙率，將所得數值與實測值進行比對，應用單一襯砌材料糙率值與設計斷面幾何尺寸、水力要素計算復合渠道糙率值，與設計值進行比對，分析復合渠道糙率值與單一襯砌材料糙率值的合理性。計算結果見表4。

3.3 渠道糙率取值推薦

本試驗所得現澆混凝土糙率為0.0135，預制混凝土板糙率為0.0152，格賓石籠糙率為0.0290，實測復合渠道糙率均大于設計值。《渠道防滲工程技術規范>（SL18-2004）中規定現澆混凝土渠道糙率取值為0.015、預制混凝土板糙率取值為0.016～0.018。《灌溉渠道襯砌工程技術規范>（DB64/T811-2012）中給出現澆混凝土糙率為0.014，預制混凝土板糙率為0.015，鉛絲石籠（塊石）糙率為0.026。結合本試驗結果，推薦現澆混凝土糙率為0.0135～0.0145，預制混凝土板的糙率為0.014～0.016，格賓石籠填充卵石的糙率為0.024～0.030、填充塊石的糙率為0.025～0.029，卵礫石糙率為0.025～0.030。

4 結論

本研究在滿足測流試驗段選取的3個原則的基礎上選取了7個典型試驗段進行渠道斷面幾何尺寸與水力學要素的原型監測，利用曼寧公式反推渠道糙率，將所得結果與設計數據進行對比，并結合試驗段具體情況進行分析，最終給出了不同材料糙率建議取值。

（1）以體現渠道襯砌材料、結構、型式的普遍性、特殊性為基本原則，確定了流量、斷面形式與襯砌材料等代表性指標，完成了相關測量工作。

（2）通過試驗段原型觀測，利用曼寧公式計算出單一襯砌材料糙率，現澆混凝土為0.0135，預制混凝土板為0.0152，格賓石籠（塊石）為0.0290，并利用單一襯砌材料糙率加權平均計算了復合渠道糙率，與實測、設計兩組數值進行對比，結果發現計算糙率均小于實測與設計糙率：結合試驗段具體情況，認為率定糙率值偏大的主要原因為斷面幾何尺寸不標準、渠底比降不連續和渠道淤積。

（3）依據現行的相關國家和行業標準，結合試驗成果，提出了不同襯砌材料推薦糙率取值范圍：現澆混凝土糙率為0.0135～0.0145，預制混凝土板糙率為0.014～0.016，格賓石籠填充卵石糙率為0.024～0.030、填充塊石糙率為0.025～0.029，卵礫石糙率為0.025～0.030。