玻璃水槽糙率與明渠流態關系試驗研究

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(1.河西學院 土木工程學院，甘肅 張掖 734000； 2.河西走廊水資源保護利用研究所，甘肅 張掖 734000)

1 概 述

明渠水流指在固體邊界約束下具有自由表面的水流運動，在水利、航運等行業中被廣泛應用。隨著我國各類型調水工程、灌溉排水工程的建設，在各類型輸水明渠的設計運行管理中，出現越來越多關于明渠糙率的水力學問題[1]。糙率有較清楚的涵義，也必有其規律性，其大小受各種因素的影響。沿程糙率主要與不同流態、流體的邊界條件有關[2]。因此，本文以變坡水槽為依托，模擬天然河道，試圖從明渠均勻流入手，研究不同流量及水槽底部材料對糙率值的影響規律[3-4]。

目前，糙率的取值方法主要有3種：查表法、水力學方法和糙率公式法。當河道實測資料欠缺時，可依據河道和床面特性查閱天然河道糙率表，得到相應的糙率值。水力學方法是利用天然河道實測資料來推算糙率，這種方法所得結果較查表法精確度更高，更符合實際情況。糙率公式法是通過物理分析和數學方法推導確定糙率。

2 試驗部分

2.1 試驗設計及方法

本試驗采用高精度多功能變坡水槽試驗裝置系統，該裝置由水槽主體(9 m×0.6 m×0.8 m)、變坡控制、流量控制、尾門控制及測控系統組成。水槽坡度變化范圍為-2%～2%。

試驗采用有機玻璃和人工草坪兩種床面，控制流量分別在10、15、20、25、30、35 L/s，渠道斷面類型分別為矩形斷面(0.6 m×0.8 m)。在水槽上部沿長度方向分設7個測點，在同一坡度i下調節不同流量值,利用尾門控制系統調節水流為明渠均勻流,測得每個測點斷面的水深和流量,利用明渠水力計算方法計算斷面平均流速和糙率系數。整個水槽分為兩段，光滑玻璃床面和人工草坪防護的粗糙床面。光滑玻璃床面：試驗用明渠底為精制玻璃板,表面進行清潔減小底板阻力,水槽兩側為有機玻璃。人工草坪粗糙床面：在玻璃水槽底部及兩側放入人工草坪,并與玻璃水槽緊密貼合，模擬河道。

2.2 試驗原理

本文選擇用水力學方法，對于恒定均勻流來說，糙率可以根據謝才公式和曼寧公式推算：

n=1/QAR2/3i1/2

(1)

式中：Q為斷面流量，m3/s；A為斷面面積，m2;R為水力半徑，m；i為底坡。

根據式(1)，在已知Q、A、R和i的情況下，即可算出明渠糙率系數實測值n實測。

3 試驗結果及分析

1) 在有草坪和無草坪兩種情況下，流量-水位關系見圖1。

圖1 流量-水位關系

由圖1可知，隨流量的增加，水位高度呈線性增大趨勢，鋪設人工草坪后的水位明顯高于鋪設前的水位，造成這種現象的原因是人工草坪自身的高度對水位的影響。

2) 在有草坪和無草坪兩種情況下，流量-糙率關系見圖2。

圖2 流量-糙率關系

由圖2可知，隨著流量的增加，糙率系數逐漸減小。另外，在同一流量作用下，鋪設人工草坪后的糙率系數大于玻璃水槽，這是因為人工草坪粗糙粒徑較大，鋪設后增加了對水流的阻力作用。當水流平均流量大于25 L/s時，流量對糙率系數的影響逐漸減小，即在同一斷面上，水流流量越大，糙率系數越趨于穩定。

4 結 語

有機玻璃因表面光滑，與天然河道差別較大，因此同條件下由變坡水槽測得的流速值偏大。雖然較玻璃河床更接近于天然河道，但因人工草坪本身材質、密度、厚度、粗糙度等與天然河道河床有一定區別。因此，在后續研究中因采用不同材料參數的草坪并鋪設一定的沙石，得到的結果更接近實際情況。