淮河干流河工模型糙率模擬試驗研究

武心嘉 白夏

摘要：通過水槽均勻流試驗，研究了梅花形排列的十字片在不同尺寸、排列間距和水深條件下的六種粘貼加糙方案.結果表明：相同大小的糙片，其糙率值隨著排列間距的增大而減小;而同一排列間距的糙片，其糙率值則隨著水深的增大而減小.制作淮河干流正陽關至渦河口段河工模型的河道主槽，適合采用間距為10cm的小糙片進行加糙模擬;該段河工模型的灘地，適合采用間距為11.5cm的大糙片進行加糙模擬.

關鍵詞：梅花形排列;十字片;糙率模擬;河工模型

中圖分類號：TV143? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2019）06-0103-05

為提高淮河中游正陽關至渦河口河段的防洪除澇標準，需采用河工模型試驗進行分析.由于受實驗場地、模型水深以及水流形態等的影響，為避免建造過大模型，同時保持基本的流動相似條件，模型在水平方向和垂直方向上需采用不同的比尺，就成了變態模型[1].經模型變態后，模型糙率值大于原型糙率，因此需要進行模型加糙[2-3].由于本項加糙技術相關研究尚不夠深入充分，需開展“淮河干流河工模型糙率模擬技術研究”，對這種十字片糙體進行水力阻力特性專門水槽試驗.

淮委水科院梁斌等[4-5]對梅花型十字片加糙技術進行試驗論證，認為其糙率值較大，進入阻力平方區時雷諾數小，糙體自身體積小、排列密度小、對于不同方向水流糙率各向均勻性較好，能較好地解決了大變態非恒定流河工模型的加糙問題.徐華等[6]研究了梅花形布置的三角橡皮塊，在不同粘貼方向、厚度、間距和水深條件下對糙率的影響，并將試驗成果應用于長江河口段河工模型，較好地復演了該段水流運動規律.Carvalho等[7]在排水系統物理模型中使用了平板加糙技術，研究水流在不同厚度、間距和高度的平板加糙情況下的流動特性.孫東坡等[8]利用在有機玻璃上貼膜的方式，對水力模型加糙處理，研究了三種加糙膜的糙率特性.趙海鏡等[9]開展了草墊加糙的研究試驗，計算草墊加糙可得到的糙率范圍，并將該方法應用到灤河遷安段綜合整治水力模型.李甲振等[10]在分析了點塊型加糙、條帶型加糙和膜片型加糙三種方法后，得出結論：在多種加糙方式里，對于河道槽蓄量對水流水力特性影響較大的模型，建議使用梅花形十字板加糙.綜上，在明渠水流試驗中，加糙方法有多種，而常規加糙塊體體積較大，會影響槽蓄量和水流流速分布，難以滿足淮干主河槽和灘地的河工模型大糙率值要求.因此本文擬在淮河流域河工模型的研究基礎上，對淮河正陽關至渦河口河段的模型采用梅花型十字片加糙，通過水槽試驗確定滿足淮干主河槽和灘地糙率模擬的糙片形狀、尺寸、排列密度、糙率計算方法等設計參數，為河工模型制作提供參考依據.

1 試驗水槽布置及試驗方案

試驗在長35m、寬0.80m、高0.90m的混凝土水槽中進行.水槽底部固定坡降為1：1000，試驗水槽濕周各部分糙率不同，有效測試段一邊為玻璃，另一邊為光滑水泥面，底部則為加糙的水泥面.在槽底埋設紫銅管，用來測量水面落差;水位共用21根測針測量;流量用矩形堰（小流量換為直角三角堰）量測.用智能紅外傳感流速儀測量斷面流速，并根據斷面各點流速積分所求出的流量與量水堰所測流量進行校核，相對誤差小于5%.模型由兩臺軸流水泵供水，采用80cm等寬矩形堰測量進口流量.模型進口部分包括前池和穩流區，尾部設豎板閘門調節出口水位以保持恒定均勻流[11].

十字片由塑料廠家定型生產，用強力膠粘結于槽底，片厚0.5mm.十字片的邊長為b（所采用的十字片長、寬邊長相等），高為△，相鄰兩糙片間距為L，縱向排列間距約為0.866L.根據已開展的淮河局部河工模型的實踐經驗，選取兩種常用尺寸規格的十字片，十字片的長、寬、高分別為b×b×△=2.0×2.0×1.5（單位cm，簡稱小糙片）和b×b×△=2.5×2.5×1.8（單位cm，簡稱大糙片）.十字片采用兩片相同尺寸的塑料片垂直相交構成，并用梅花形排列方式粘貼鋪設，見圖1.制作河道地形時在水泥床面干燥情況下將糙片用力得牢膠水粘于模型河床.

2 糙率計算

根據淮河干流正陽關至渦河口段的河工模型資料，原型主槽水深12.5m，原型灘地水深4.8m.由于淮河該段河工模型垂直比尺為1：60，計算得出設計水位條件下平均主槽水深h主槽=20.83cm，平均灘地水深h灘地=8cm，因此水槽試驗水深取值范圍為7.5cm～25.5cm.

淮河干流正陽關至渦河口段河工模型平面比尺為1：300，垂直比尺為1：60，糙率比尺為1：0.885.根據實測資料，淮河中游干流河道，一般主槽糙率平均值為0.0215，灘地糙率平均值為0.0335，經模型變態后糙率變大，模型中主槽糙率nm1=0.0237～0.0249、灘地糙率nm2=0.0305～0.0418[3].

對于明槽恒定均勻流，其過水斷面的形狀和大小、流速、流量和水深，沿流程不變，其水力坡度J、水面坡度Jp、水面線坡度Jw和渠低坡度i相等，即J=Jp=Jw=i.處于紊流阻力平方區的明槽恒定均勻流，可采用謝才公式[13]計算：

3 不同加糙試驗結果

3.1 試驗組次及控制參數

試驗時，變化流量Q，對每一流量調節尾門使水流達到或接近均勻流，然后測量各斷面水深、流速和落差.對接近均勻流的組次控制在公式（7）范圍內：

×100%≤5%? （7）

式中：Hmax——最大斷面水深;Hmin——為最小斷面水深;Hp——為平均斷面水深.

試驗中小糙片間距分別為L=6、8、10cm，大糙片間距分別為L=7.5、10、11.5cm，相鄰兩行糙片的排列方向不同，均按圖1方式擺列，試驗水深控制在8.0cm～25.0cm范圍內，得出兩種糙片不同堰流量下的糙率值.試驗過程中測量各斷面水深、流速和落差等水力參數，以分析計算不同加糙方案的糙率值，試驗組次及控制參數見表1.

3.2 小糙片的試驗結果

3.2.1 間距L=6cm

采用小糙片尺寸b×b×△=2.0×2.0×1.5cm，間距6.0cm，縱向排列間距取5.2cm，得出該加糙方式下的糙率值見表2.試驗表明，該加糙方式糙率為0.0367～0.0455.

3.2.2 間距L=8cm

采用小糙片尺寸b×b×△=2.0×2.0×1.5cm，間距8cm，縱向排列間距取6.9cm，得出該加糙方式下的糙率值見表3.試驗表明，該加糙方式糙率為0.0315～0.0371.

3.2.3 間距L=10cm

采用小糙片尺寸b×b×△=2×2×1.5cm，間距10cm，縱向排列間距取8.7cm，得出該加糙方式下的糙率值見表4.試驗表明，該加糙方式糙率為0.0245～0.0299.

3.3 大糙片的試驗結果

3.2.1 間距L=7.5cm

采用大糙片尺寸b×b×△=2.5×2.5×1.8cm，間距7.5cm，縱向排列間距取6.5cm，得出該加糙方式下的糙率值見表5.試驗表明，該加糙方式糙率為0.0442～0.0563.

3.2.2 間距L=10cm

采用糙片尺寸b×b×△=2.5×2.5×1.8cm，間距10cm，縱向排列間距取8.7cm，得出該加糙方式下的糙率值見表6.試驗表明，該加糙方式糙率為0.0355～0.0469.

3.3.3 間距L=11.5cm

采用糙片尺寸b×b×△=2.5×2.5×1.8cm，間距11.5cm，縱向排列間距取9.6cm，得出該加糙方式下的糙率值見表7.試驗表明，該加糙方式糙率為0.0321～0.0418.

3.4 結果分析

實驗表明，隨著水深的增加，表現出的糙率值會減小.根據表2～表4以及表5～表7可分別繪出小糙片和大糙片在三種不同間距下糙率與水深關系曲線，如圖2、圖3.由圖可以看出，相同大小的糙片，其糙率值隨著排列間距的增大而減小;而同一排列間距的糙片，其糙率值則隨著水深的增大而減小，且隨水深增加而減小的幅度越來越小，糙率n最終將趨于一個定值.

小糙片的三種排列間距中L=10cm槽底糙率范圍最小n3=0.0245～0.0299.河工模型的主槽糙率nm1=0.0237～0.0249，且根據模型制作要求，應選取糙率值適當大于計算糙率，便于試驗過程中對糙率進行調整，故可采用間距10cm的小糙片對模型主槽加糙.同理，大糙片中間距L=11.5cm的槽底糙率范圍n3=0.0321～0.0418，與河工模型中的灘地糙率nm2=0.0305～0.0418最為接近，故可采用間距11.5cm的大糙片進行模型灘地加糙.

4 結論

（1）制作淮河中游河段的河工模型，采用梅花型十字片加糙技術是較合適的，能滿足變態河工模型大糙率值的要求，且十字片加工鋪設方便，造價較低.

（2）通過試驗研究了大小兩種糙片在不同間距下的槽底糙率值，表明相同大小的糙片，其糙率值隨著排列間距的增大而減小;同一排列間距的糙片，其糙率值則隨著水深的增大而減小.淮河正陽關至渦河口河段采用間距為10cm的小糙片即可模擬河道主槽不同的糙率值，灘地糙率可采用間距11.5cm的大糙片進行模擬，具體制作河工模型時仍需進一步調整.

參考文獻：

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