李家岸引黃灌區(qū)骨干渠道糙率原型觀測(cè)

孫濤，章廣騰

（山東省德州市水利局，山東 德州 253014）

1 項(xiàng)目區(qū)概況

德州市李家岸引黃灌區(qū)是山東省德州市大型引黃灌區(qū)之一，地處德州市東南部，灌區(qū)始建于20 世紀(jì)70 年代初，并于1972年開(kāi)始灌溉運(yùn)行。此后該灌區(qū)實(shí)際灌溉面積不斷拓展，截至目前該灌區(qū)實(shí)際灌溉面積已經(jīng)達(dá)到1 678.54 km2，年引水量均值達(dá)到5.78×108m3。該灌區(qū)總干渠配套較好，引水口門(mén)較多，分屬于縣鄉(xiāng)村級(jí)管理部門(mén)，在該灌區(qū)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，先后出現(xiàn)渠道淤積、堤防缺失、控制性工程老化，過(guò)水能力降低及向下游供水困難等問(wèn)題。灌區(qū)現(xiàn)有骨干渠道10條，分別為安頭干渠、大黃干渠、表白寺干渠、晏城干渠、牛角店干渠、崔許干渠、裴莊干渠、宮家渡干渠、三里莊干渠、沙河干渠，總長(zhǎng)度2 989 km，自從灌區(qū)1998年啟動(dòng)實(shí)施灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目以來(lái)，灌區(qū)骨干渠道運(yùn)行狀況得到大幅度改善，渠道綜合運(yùn)行調(diào)控能力持續(xù)增強(qiáng)，在此基礎(chǔ)上，為提升渠道灌溉效率及灌溉水利用率，強(qiáng)化渠道日常運(yùn)行管理，并積累大型灌區(qū)襯砌渠道糙率原型觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，必須加強(qiáng)渠道設(shè)計(jì)糙率取值準(zhǔn)確性分析。

2 糙率原型觀測(cè)要求

結(jié)合類似工程渠道運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及該灌區(qū)實(shí)際情況，德州市引黃灌區(qū)渠道襯砌結(jié)構(gòu)、形式及所用材料基本確定。當(dāng)前，引黃灌區(qū)渠道襯砌方面普遍使用預(yù)制混凝土板、格賓石籠、現(xiàn)澆混凝土、塊卵石等材料，其中預(yù)制混凝土板和現(xiàn)澆混凝土襯砌形式分別用于梯形渠道全斷面襯砌和渠道圓弧坡腳；格賓石籠襯砌形式則多見(jiàn)于地下水位高的流沙段渠道基礎(chǔ)及邊坡襯砌；塊卵石則多用于渠底襯砌。

2.1 觀測(cè)渠段設(shè)定

德州市引黃灌區(qū)渠道試驗(yàn)段為順直輸水渠道，水流表現(xiàn)為明渠均勻流狀態(tài)，且觀測(cè)渠段長(zhǎng)度至少在1 km以上，橫縱斷面規(guī)則，襯砌材料一致；觀測(cè)渠段內(nèi)測(cè)流斷面周圍不得存在引起水流流向、流速改變的閘門(mén)、灌水溝等建筑物；且觀測(cè)段單側(cè)渠堤道路必須整潔通暢，不得堆積垃圾、雜草、樹(shù)根等，停灌期間試驗(yàn)渠底應(yīng)無(wú)積水；在觀測(cè)段測(cè)流斷面處增設(shè)水位實(shí)時(shí)觀測(cè)用固定水尺。按照以上要求所確定的德州市引黃灌區(qū)骨干渠道試驗(yàn)渠段基本情況詳見(jiàn)表1。

表1 德州市引黃灌區(qū)骨干渠道觀測(cè)渠段基本情況表

根據(jù)德州市李家岸引黃灌區(qū)觀測(cè)渠段襯砌結(jié)構(gòu)及斷面型式，進(jìn)行骨干渠道邊坡坡度、底寬、左右岸圓弧坡腳長(zhǎng)、比降等參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并結(jié)合相關(guān)規(guī)范所規(guī)定的流速儀量測(cè)要求進(jìn)行測(cè)量方案編制及測(cè)量方法、精度等的確定。

2.2 糙率率定公式

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)斷面量水方式進(jìn)行李家岸引黃灌區(qū)骨干渠道測(cè)水?dāng)嗝娌诼蕼y(cè)定，即根據(jù)試驗(yàn)段實(shí)測(cè)斷面及底坡尺寸、流速及流量、水深等水力參數(shù)值，應(yīng)用曼寧公式進(jìn)行渠道糙率值的反算，具體公示如下：

式中：n—德州市李家岸引黃灌區(qū)襯砌骨干渠道糙率值；R—骨干渠道水力半徑（m）；i—骨干渠道比降；v—骨干渠道斷面水流流速（m/s）。

由原型觀測(cè)渠段流量、水深等進(jìn)行相應(yīng)過(guò)水?dāng)嗝婷娣e、水力坡降、水力半徑等的計(jì)算，并應(yīng)用式（1）計(jì)算各觀測(cè)渠段糙率值。水力坡降是根據(jù)各斷面總水頭及對(duì)應(yīng)渠道長(zhǎng)度所回歸得出的水力坡降均值。根據(jù)式（1）進(jìn)行各觀測(cè)渠段糙率值計(jì)算時(shí)，水力半徑及過(guò)水?dāng)嗝婷娣e均取斷面均值，水位、流量等為水位檢測(cè)系統(tǒng)量測(cè)值。

3 糙率原型觀測(cè)結(jié)果分析

3.1 觀測(cè)結(jié)果

結(jié)合德州市李家岸引黃灌區(qū)春灌及夏秋灌過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)流結(jié)果，該灌區(qū)骨干渠道斷面幾何尺寸和典型水力要素取值情況具體見(jiàn)表2。

表2 灌區(qū)骨干渠道斷面糙率原型觀測(cè)結(jié)果表

3.2 糙率率定結(jié)果

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)段不同骨干渠道流量、水位、糙率及渠底比降等實(shí)測(cè)結(jié)果和設(shè)計(jì)值的對(duì)比可以看出，在該引黃灌區(qū)中表白寺干渠實(shí)測(cè)糙率值比設(shè)計(jì)值小，晏城干渠、牛角店干渠、崔許干渠、裴莊干渠實(shí)測(cè)糙率值比設(shè)計(jì)值大；宮家渡干渠、三里莊干渠、沙河干渠、安頭干渠、大黃干渠等骨干渠道實(shí)測(cè)糙率值圍繞設(shè)計(jì)值上下波動(dòng)；整體而言，該引黃灌區(qū)骨干渠道總體糙率實(shí)測(cè)值比設(shè)計(jì)值大。通過(guò)進(jìn)行實(shí)測(cè)結(jié)果和設(shè)計(jì)值的比較還可以看出，該灌區(qū)骨干渠道糙率率定結(jié)果和設(shè)計(jì)值存在一定程度的偏差，且包括牛角店干渠、三里莊干渠、沙河干渠在內(nèi)的部分渠道偏差較大。

3.2.1 牛角店干渠

該骨干渠道傍山建設(shè)，渠道設(shè)計(jì)走向、順直程度和斷面幾何尺寸等均受到地形的較大限制，故現(xiàn)狀渠道彎道多，實(shí)測(cè)條件和設(shè)計(jì)情況也存在一定出入，導(dǎo)致渠底比降和斷面幾何尺寸等實(shí)測(cè)結(jié)果均與設(shè)計(jì)值存在較大偏差，進(jìn)而造成其渠道實(shí)測(cè)糙率值偏大。

3.2.2 三里莊干渠

該渠段張家橋段斷面幾何尺寸全部參數(shù)均和設(shè)計(jì)值存在偏差，水流流態(tài)也受到較為嚴(yán)重的影響。張家橋段設(shè)計(jì)測(cè)流長(zhǎng)3 km，其中起訖樁號(hào)SH35+800～SH36+400段渠底及兩岸現(xiàn)澆混凝土圓弧坡腳處淤積較為嚴(yán)重，淤積厚度達(dá)到18～22 cm，且淤積泥沙與混凝土材料在糙率方面存在較大差異，造成該干渠段實(shí)測(cè)糙率值偏大。

3.2.3 沙河干渠

斷面幾何尺寸不標(biāo)準(zhǔn)，流速、水深、水力半徑及濕周等均偏離設(shè)計(jì)值是造成該干渠段實(shí)測(cè)糙率值較大的主要原因，具體而言，該渠段現(xiàn)澆混凝土圓弧渠底實(shí)測(cè)尺寸和設(shè)計(jì)尺寸偏離較大，導(dǎo)致水流流態(tài)發(fā)生畸變。

3.3 糙率取值建議

《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)程》對(duì)不同襯砌材料渠道糙率值參考值進(jìn)行了規(guī)定，現(xiàn)澆混凝土渠道糙率值取0.01，根據(jù)各觀測(cè)渠段實(shí)測(cè)水力要素及式（1），便可進(jìn)行李家岸引黃灌區(qū)各觀測(cè)渠段不同流量計(jì)水位條件下糙率值反算。具體而言，德州市李家岸引黃灌區(qū)屬于采用復(fù)合材料襯砌的渠段，可根據(jù)不同襯砌材料在濕周中占比的加權(quán)值進(jìn)行格賓石籠、卵礫石等實(shí)測(cè)糙率值反算。根據(jù)反算結(jié)果現(xiàn)澆混凝土糙率和混凝土預(yù)制板糙率分別取0.01 和0.02；格賓石籠塊石和卵石實(shí)測(cè)糙率均為0.03，卵礫石實(shí)測(cè)糙率為0.03～0.04。

根據(jù)分析，原型觀測(cè)糙率值與根據(jù)曼寧公式所得出的糙率值存在差異，且現(xiàn)澆混凝土渠道糙率系數(shù)與規(guī)范中原型觀測(cè)試驗(yàn)糙率結(jié)果較為接近。測(cè)流斷面上游現(xiàn)澆混凝土渠道運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，過(guò)流壁面水泥漿受沖蝕后存在剝落、麻面及錯(cuò)縫，故糙率值較大。下游渠道因壁面泥苔較厚，導(dǎo)致其過(guò)流斷面形態(tài)與土渠較為接近，阻水作用較大，故所計(jì)算糙率值偏大。

4 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)德州市李家岸引黃灌區(qū)不同襯砌材料干渠所進(jìn)行的糙率原型觀測(cè)試驗(yàn)，進(jìn)行了灌區(qū)干渠現(xiàn)澆混凝土、混凝土預(yù)制板、渠底卵礫石、格賓石籠等襯砌材料糙率值的率定分析，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和設(shè)計(jì)值進(jìn)行了比較。該灌區(qū)依據(jù)分析結(jié)果所提供的不同襯砌材料糙率值范圍進(jìn)行干渠糙率設(shè)計(jì)，大大提升了灌區(qū)襯砌渠道設(shè)計(jì)結(jié)果的科學(xué)性。在引黃灌區(qū)干渠設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須結(jié)合不同灌溉單元內(nèi)實(shí)際灌水建筑物布置情況、泥沙淤積、渠底比降等分段確定糙率，以增強(qiáng)觀測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。