新疆阿勒泰哈巴河縣養殖渠人工渠道糙率的試驗分析

劉 婕

（新疆阿勒泰水文勘測局，新疆 阿勒泰 836500）

0 引言

表面具有自由水流的人工渠道水流水力計算和糙率系數研究是工程水力計算的難題之一，對水利工程設計與投資具有決定性意義。近年來，國內外諸多學者都對自由明渠糙率的演變規律進行了試驗分析與研究，例如馬繼明等通過對具體水利工程寬淺渠道的模擬試驗與分析，指出對于水力半徑、斷面形狀和尺寸不同的渠道，隨流量的增大，其糙率隨之增大[1]；楊岑通過對不同糙率人工渠道的試驗得出結論，認為隨著流量的增大，人工渠道糙率呈對數趨勢減小，兩種結論恰恰相反。由此可見，當前國內有關人工渠道糙率變動趨勢規律的研究尚無定論，探索糙率變動規律也成為水力學的重要課題之一。

本文在對已有研究成果進行總結的基礎上，對新疆阿勒泰哈巴河縣養殖渠人工渠道均勻流糙率影響因素及變動趨勢規律進行分析，并對不同水力要素和糙率的關系加以探討。

1 渠道概況

新疆阿勒泰哈巴河縣養殖渠人工渠道位于新疆哈巴河縣齊巴爾鄉境內，是為哈巴河縣冷水魚養殖產業供水而建設的攔河閘自流引水樞紐工程，渠道尺寸為2000 m×6.00 m×2.00 m（長×寬×深）。

2 實驗分析

2.1 流量與糙率的關系

明渠均勻流公式為：

曼寧公式為：

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

將渠道不同底坡所對應的水深、流量值帶入式（3），便可求出不同底坡和流量下所對應的糙率值，結果見表1。

表1 不同底坡和流量下的糙率 單位：10-3

根據表1 的計算結果繪制不同底坡條件下流量糙率（Q-n）關系曲線，具體見圖1。由1（a）圖可知，當底坡i=0.0005、0.001和0.002 時，糙率n 隨流量Q 的增大而逐漸減小，表現為緩流；由圖2（b）可知，當底坡i=0.004、0.006 和0.008 時，糙率n 起初隨流量Q 的增大而逐漸減小，當達到某一點后又隨流量Q 的增大而呈增大趨勢，屬于急流；而在圖1（c）中，當底坡i=0.01、0.02 和0.03 時，糙率n 隨流量Q 的增大而呈增大趨勢，表現為急流。

由此可見，流態是不同底坡條件下流量與糙率關系的主要影響因素，緩流情況下，糙率隨流量增大而呈減小趨勢。急流情況下，隨流量增大，糙率呈現出兩種變動趨勢：隨流量的增大先是減小，達到某一點后再隨之增大；隨流量的增大而增大，具體屬于哪種情況與弗汝德數Fr 有關[2]。

圖1 不同底坡條件下流量糙率（Q-n）關系曲線

2.2 底坡與糙率的關系

繪制不同流量條件下的底坡糙率（i-n）關系曲線，具體見圖2，由圖可知，流量相同情況下，糙率隨底坡增大而增大。當底坡i=0.0005、0.001 和0.002 時，糙率隨底坡變化速度較快，結合表1 可知，此為緩流流態；而當底坡i=0.004、0.006、0.008、0.01、0.02 和0.03 時，糙率隨底坡變化較為緩慢，結合表1 判斷，為急流流態。可見，緩流渠道內，糙率隨底坡變化速率較快，而急流渠道內，糙率隨底坡變化速率較慢，且糙率不斷趨于某一常數。

圖2 不同流量條件下的底坡糙率（i-n）關系曲線

2.3 弗汝得數與糙率的關系

斷面流速均值與波速之比為弗汝得數Fr，即：

式中：α 為動能調整系數，取α=1.0；v 為斷面流速均值，m/s；g 為重力加速度，取g=9.81 m/s2；h 為斷面水深均值，m。

弗汝德數所表征的物理意義是水流慣性力和重力之比，所以當水流慣性力大于重力時，Fr＞1，流態表現為急流；而當重力大于水流慣性力時，Fr＜1，流態為緩流；水流慣性力和重力相等時Fr=1，為臨界流。

將所測得的哈巴河縣養殖渠人工渠道流量、水深等數據帶入式（3）和（4）求得相同底坡條件下不同流量所對應的糙率與Fr，具體結果見表2。

表2 相同底坡條件下不同流量所對應的糙率值

由上表計算結果可知，相同底坡條件下，渠道的糙率隨弗汝德數Fr 的增大而減小，而且在底坡i 分別為0.0005、0.001、0.002、0.004、0.006、0.008、0.01、0.02 和0.03 時，糙率隨弗汝德數Fr 的變動趨勢基本一致。

2.4 水深與糙率的關系

所測量出的哈巴河縣養殖渠人工渠道的底坡與流量不同情況下水深與糙率的取值情況見表3。

表3 相同底坡條件下不同水深所對應的糙率值

根據表3 的計算結果，流態是影響哈巴河縣養殖渠人工渠道糙率與水深變化趨勢的主要因素，緩流流態下，糙率隨水深h 的增大而減小。急流流態下，當弗汝德數Fr∈(1,1.5)時，糙率起初隨水深增大而減小，待水深達到某一高度后便會隨水深的增大而增大；當弗汝德數Fr∈(1.5,3.0)時，糙率隨水深的增大而增大。可見，糙率與水深之間存在一定的相關關系[3]。

3 結論

本文所進行的阿勒泰哈巴河縣養殖渠人工渠道糙率的試驗分析結果表明，流態是影響人工渠道糙率的主要因素，緩流時，糙率隨流量增大而減小；急流時，隨流量增大，糙率呈現出兩種變動：一是隨流量增大先減小，達到某一點后再增大，二是隨流量的增大而增大，后者主要與弗汝德數Fr 的取值有關。此外，糙率的取值及變動趨勢還與底坡、弗汝德數、水深等因素有關，流量相同情況下，糙率與底坡變動方向基本一致，緩流渠道內，糙率隨底坡變化速率較快，而急流渠道內，糙率隨底坡變化速率較慢，而且糙率不斷趨于某一常數值。底坡相同條件下，糙率隨弗汝德數Fr 的增大而減小。