模袋混凝土渠道糙率影響因素?cái)?shù)值模擬研究

張海玲 霍軼珍 郭彥芬 高意如 王文達(dá)

摘要：以模袋混凝土襯砌渠道為研究對象，使用FLUENT數(shù)值模擬軟件對測流渠道建立二維模型，加載速度、壓力和壁面粗糙度等邊界條件，模擬渠道的流場，得出同一流量時(shí)不同水深的斷面流速分布圖。研究流量、流速與糙率的關(guān)系，以期在實(shí)際工作中為正確選擇糙率系數(shù)提供依據(jù)。結(jié)果表明：對于模袋混凝土襯砌渠道，流速和流量是糙率的影響因素，通過數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，糙率與流速、流量成負(fù)相關(guān)關(guān)系;沿渠底向水面的方向，流速逐漸增大，但是最大流速發(fā)生在水面以下，并且橫向水流從渠道邊壁向中央流動(dòng)，導(dǎo)致較大流速集中在中間區(qū)域。

關(guān)鍵詞：渠道;模袋混凝土;流量;流速;糙率

中圖分類號：TV135.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn. 1000- 13 79.2019.02.034

渠道防滲效果在很大程度上取決于渠道襯砌形式。渠道襯砌的形式多種多樣，從襯砌的材料來看，目前普遍采用剛性襯砌（混凝土襯砌）、膜料襯砌、土料襯砌等[1-2]。模袋混凝土是20世紀(jì)80年代初從國外引進(jìn)的一項(xiàng)現(xiàn)澆混凝土技術(shù)，采用織物模袋為軟模具，通過混凝土泵將砂漿或混凝土充灌進(jìn)模袋成形，起到護(hù)坡、護(hù)底、防滲等作用。2003年在河套灌區(qū)引進(jìn)模袋混凝土襯砌渠道技術(shù)，對豐濟(jì)干渠采用模袋混凝土護(hù)坡進(jìn)行彎道整治，取得了良好效果。

測試渠床糙率系數(shù)是渠道防滲工程的關(guān)鍵技術(shù)之一[3].專家學(xué)者采用室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場原型測試相結(jié)合的方法，對糙率的取值及影響因素進(jìn)行了深入研究。步豐湖等[4]對河套灌區(qū)骨干渠道的非均質(zhì)防滲襯砌結(jié)構(gòu)的糙率進(jìn)行了測試，同時(shí)對均質(zhì)混凝土襯砌渠道、土渠的糙率進(jìn)行了測試，提出了不同襯砌渠道結(jié)構(gòu)形式糙率的取值范圍和經(jīng)驗(yàn)公式。何建京[5]對明渠非均勻流糙率系數(shù)及水力特性進(jìn)行了研究。楊岑[6]通過對水力光滑壁面和三種不同粗糙的人工加糙壁面的阻力規(guī)律及紊動(dòng)特性進(jìn)行研究，得出明渠均勻流中糙率系數(shù)與紊動(dòng)強(qiáng)度的規(guī)律。

本文以連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k-ε方程為指導(dǎo)，采用FLUENT數(shù)值模擬軟件對典型渠道及測流斷面建立二維模型[7-8]，加載典型渠道測流斷面水力要素、壁面粗糙度等邊界條件，計(jì)算渠道的流場，研究流量、流速等水力要素與糙率的關(guān)系[9-10]，總結(jié)模袋混凝土渠道糙率系數(shù)的變化規(guī)律，以期在實(shí)際工作中為正確選擇糙率系數(shù)提供依據(jù)。

1 物理模型

1.1 測流斷面水力基本條件

測流渠段及測流斷面的選擇，應(yīng)該滿足測流渠段平直、水流均勻，縱橫斷面比較規(guī)則、穩(wěn)定，測流斷面與水流方向垂直且附近不應(yīng)有影響水流的建筑物和樹木雜草等[11-12]。通過比較，選取永蘭分干渠作為模袋混凝土襯砌斷面典型渠道。永蘭分干渠開口于永濟(jì)渠第一節(jié)制閘，全長23.8 km，口部設(shè)計(jì)流量為18 m/s，最大流量為20 m/s，全斷面鋪設(shè)15 cm厚土工模袋混凝土防滲襯砌，混凝土強(qiáng)度等級為C25、抗凍等級為F200、抗?jié)B等級為W6。在永蘭分干渠二閘至三閘段選擇上、下2個(gè)測流渠段，間距為1.63 km。測流斷面水力要素見表1，襯砌渠道標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖1。

1.2 測量方法和測量結(jié)果

上下游渠道斷面尺寸、渠底高程、水尺基準(zhǔn)點(diǎn)、水面線高程利用水準(zhǔn)儀測量，采用水文三等水準(zhǔn)測量。在測流斷面下游的固定水尺斷面上，利用水準(zhǔn)儀測出水尺零點(diǎn)與渠底各測點(diǎn)處的高差△h.測深時(shí)以水尺讀數(shù)h加減△h就得到每個(gè)測點(diǎn)處的實(shí)際水深，據(jù)此計(jì)算固定水尺斷面的過水?dāng)嗝婷娣e。

水面比降觀測采用水面水尺，測量上下游兩測流橋之間渠段長度，在同一時(shí)間觀測兩測流橋處的水位并詳細(xì)記錄。

測量斷面尺寸時(shí)，在測流斷面上下游5～10 m范圍內(nèi)選擇若干斷面尺寸取平均值。

測量得出：渠底高程為1 036.654 m.上斷面水平線高程為1 040.376 m.下斷面水平線高程為1 039.786m，上斷面水平線至上斷面水位線差值為2.470 m，下斷面水平線至下斷面水位線差值為2.135 m。

水深測量用測桿直接觀讀，讀數(shù)時(shí)修正壅水影響的水深誤差，即觀讀水深減去壅水高度。測流時(shí)保持測桿鉛垂。通過測量得出：平均水深為1.146 m，上、下斷面的距離為1 630 m。

流速測量利用懸吊流速儀，采用水文測量規(guī)范中的多線精測法。依靠渠段上的閘門控制流量，待流量穩(wěn)定后進(jìn)行測量，為了提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，流速精度設(shè)為0.000 1m/s。

2 理論模型

2.1 控制方程

以連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、k-ε方程為指導(dǎo)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和VOF方法相耦合進(jìn)行模擬[13]。連續(xù)性方程為

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

以間距為1 630 m的上、下測流斷面為研究對象，建立計(jì)算模型，導(dǎo)人GAMBIT中，選擇四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，壁面處采用局部加密處理。

選取出口邊界條件為壓力邊界，進(jìn)口邊界為速度邊界，上部為大氣邊界，固體壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理，水氣交界面采用VOF方法處理[14]，

3 結(jié)果與討論

3.1 斷面流速分布

根據(jù)加載的邊界條件計(jì)算渠道的流場，得出同一流量時(shí)不同水深的斷面流速分布，見圖2—圖5。圖2～圖5中糙率系數(shù)分別為0.023 8、0.022 7、0.023 2、0.023 1。不同糙率系數(shù)的模袋混凝土渠道流速分布見表2。

模擬結(jié)果表明：沿著渠底向水面的方向，流速逐漸增大，但是最大流速發(fā)生在水面以下。動(dòng)量較小的水體因二次流的作用從渠道邊壁移動(dòng)到中心，故橫向水流是從渠道邊壁向中央流動(dòng)，而動(dòng)量大的水體則是從水面向下移動(dòng)，使得豎向水流沿著渠道中心線從自由水面向下流動(dòng)[15]。最終，渠道斷面存在二次流的現(xiàn)象導(dǎo)致最大流速的位置處于自由水面以下。

二次流的作用使橫向水流從渠道邊壁向中央流動(dòng)，導(dǎo)致沿著左水邊向右水邊的方向，較大流速集中在左水邊和中間區(qū)域。

分別加載斷面平均速度邊界條件依次為0.566 7、0.603 1、0.645 2、0.700 3m/s，流量依次為5.866 7、7.108 9、7.295 7、8.667 0 m/s，糙率依次為0.023 8、0.022 7、0，023 2、0，023 1。由斷面流速分布圖可知：最大流速依次為0.577、0.614、0.656、0.713 m/s。

3.2 糙率影響因素分析

選取12組數(shù)據(jù)，最小流速為0.566 7m/s，最大流速為0.700 3m/s，通過數(shù)據(jù)擬合，得出糙率與流速的關(guān)系（見圖6）。由圖6可知，隨著流速的增大，糙率值逐漸減小。考慮到渠道在實(shí)際運(yùn)行中水流形態(tài)比較復(fù)雜，有時(shí)不滿足明渠均勻流條件，為提高計(jì)算精度，采用伯努利能量方程推算渠床糙率系數(shù)，得出計(jì)算公式：式中：△z為上、下游兩斷面的水位差;A為過水?dāng)嗝婷娣e;v1、v2分別為上、下兩斷面平均流速;Q為流量;R為水力半徑;g為重力加速度。

可以看出，當(dāng)下斷面流速增大時(shí)，糙率減小，從而驗(yàn)證了數(shù)據(jù)的正確性。

選取12組數(shù)據(jù)，最小流量為5.866 7 m/s，最大流量為8.877 2 m/s，通過數(shù)據(jù)擬合，得出糙率與流量的關(guān)系（見圖7）。由圖7可知，隨著流量的增大，糙率值逐漸減小。從公式中也可以看出當(dāng)流量增大時(shí)，糙率減小。

4 結(jié)論

采用FLUENT數(shù)值模擬軟件對典型渠道及測流斷面建立二維模型，選擇四邊形網(wǎng)格劃分，加載典型渠道測流斷面水力要素、壁面粗糙度等邊界條件，計(jì)算渠道的流場，得出斷面流速分布圖。根據(jù)實(shí)測的12組數(shù)據(jù)，分別繪制了糙率與流速、流量的關(guān)系圖，得出以下結(jié)論。

（1）對于模袋混凝土襯砌渠道，流速是糙率的影響因素之一，通過數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，糙率與流速成負(fù)相關(guān)關(guān)系。通過伯努利能量方程推算的渠床糙率系數(shù)計(jì)算公式驗(yàn)證了糙率值隨著流速的增大而逐漸減小的規(guī)律。

（2）對于模袋混凝土襯砌渠道，隨著流量的增大，糙率值逐漸減小，和公式驗(yàn)證的規(guī)律是一致的。通過數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，糙率與流量成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（3）二次流的作用使沿渠底向水面的方向流速逐漸增大，但是最大流速出現(xiàn)在水面以下，并且橫向水流從渠道邊壁向中央流動(dòng)，導(dǎo)致較大流速集中在中間區(qū)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]段文剛，黃國兵，何東，混凝土渠道糙率原型觀測[J].人民珠江，2001，22（5）：7-8.

[2]徐衛(wèi)東，群潛壩對河道糙率影響的數(shù)值模擬研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2011：2-5.

[3] 趙錦程，人工渠道糙率影響因素的試驗(yàn)研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013：1-6.

[4] 步豐湖，張紅岐，王慶文，等，襯砌渠道糙率取值方法的研究[J].內(nèi)蒙古水利，2007（4）：144-146.

[5] 何建京，明渠非均勻流糙率系數(shù)及水力特性研究[D].南京：河海大學(xué)，2003：94-95.

[6] 楊岑，明渠均勻流糙率系數(shù)及紊動(dòng)特性試驗(yàn)研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010：50-51.

[7]楊開林，汪易森，提高渠道糙率率定精度的方法[J].南水北調(diào)與水利科技，2011，9（6）：1-15.

[8] 鄭小玉，溢洪道水力特性的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究[D].成都：四川大學(xué)，2004：11-12.

[9] 張小峰，元媛，趙梓涵，糙率減小與洪峰增值關(guān)系的數(shù)值模擬研究[J].泥沙研究，2014（6）：36-43.

[10] 拜亞茹，明渠均勻流人工加糙壁面絕對粗糙度與糙率關(guān)系試驗(yàn)研究[D].烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015：1-5.

[11]高楊.U形渠道水力特性及測流試驗(yàn)研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011：2-10.

[12] 嚴(yán)軍，王二平，孫東坡，等，矩形斷面明渠流速分布特性的試驗(yàn)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2005，38（5）： 57-62.

[13] 張光碧，鄧軍，劉超，等，河道水流三維流速場的數(shù)值模擬研究[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程科學(xué)版），2007，39（1）： 58-62，

[14] 吳持恭，水力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2007：143-150.

[15] 雒天峰，呂宏興.U形渠道斷面流速分布規(guī)律的初步研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2006，25（2）：12-14.