不同加糙方式對明渠水力要素的影響探究

楊會朋，張思佳，田鵬偉，陳力暉，王志國

（1.河北工程大學 水利水電學院，河北 邯鄲 056038； 2.河北工程大學 河北省智慧水利重點實驗室，河北 邯鄲 056038； 3.中國水利水電科學研究院 北京中水科海利工程技術有限公司，北京 100038）

明渠是一種人工修建或自然形成的渠槽，當水流通過渠槽流動時會形成與大氣相接的自由表面，表面上各點壓強均為大氣壓強，這種渠槽中的水流稱為明渠水流或無壓流［1］。 明渠水流的水力計算是輸水工程設計必不可少的前提，不同加糙方式對水流特性的影響不同。 近年來，越來越多的學者研究糙率變化值與各水力要素之間的關系。 張紅光等［2］研究糙率突變時摩阻流速的變化情況及壁面切應力的特點，結果表明糙率突變時相應的摩阻流速會突增后趨于平緩；張曉朋等［3］研究不同水力要素對糙率影響的主次關系，結果表明弗勞德數與渠道平均水深對渠道糙率的影響較大；朱代臣等［4］進行的Y 形梅花加糙試驗表明，隨著糙體間距的增大，水流阻力逐漸減小后趨于平穩值；林金裕［5］對渠道底部開展了不同間距的糙條加糙試驗，結果表明流速隨著糙條間距的增大先快速增大后趨于平穩值；李仟等［6］采用護岸草皮和三棱柱磚塊模擬糙率，并分析了不同條件下河道糙率、紊動強度等的變化規律。 本研究通過在梯形渠道邊壁布置不同形式的糙體，分析布置形式發生變化時糙率、水流流速和水流縱向紊動強度的變化規律。

1 試驗概況

本試驗在長為4 m、底寬為0.35 m、高為0.16 m、邊坡系數為1.5、渠道底坡為0.000 04 的梯形渠道內進行，渠道橫斷面如圖1 所示。 渠道由磚砌而成，渠底和邊壁內用水泥抹光。 選取長度為2 m 的渠道中間段為試驗段，渠道前端預留1.4 m、尾端預留0.6 m 作為過渡段。 試驗系統包括抽水泵、輸水塑料管、控制閥門、水槽、三角量水堰、凈水池、輸水渠道、梯形渠道等。 凈水池出口處設穩流裝置，以保證水流平穩進入渠道中。在渠道末端安裝人字形尾門，通過調節尾門開關來調節渠道水位，以達到試驗所需的水深。 在梯形邊壁試驗段鋪設厚度為2 mm 的塑料板，加糙時將有機玻璃條使用AB 膠黏貼在塑料板上，有機玻璃條為等腰直角三棱柱狀，截面三角形直角邊長0.45 cm、底邊長0.60 cm，柱長2 cm。 試驗工況分別為不加糙、Y 形矩形加糙、Y 形梅花加糙，3 種工況加糙間距依次減小，布置形式如圖2 所示。 針對3 種工況的設計水深h分別為6.4、11.2、14.4 cm，流量Q分別為5、7、9 L／s。 試驗段內水流方向為y方向，每隔20 cm 設一個測量斷面，使用三維電磁流速儀進行測量。 水深為6.4 cm 時，布置3 條測速垂線，水深為11.2、14.4 cm 時均布置5 條測速垂線，垂線間隔12.5 cm，每隔0.9 cm 布置一個測點。

圖1 梯形渠道橫斷面（單位：cm）

圖2 糙體布置形式（單位：cm）

2 糙率的計算

明渠非恒定流糙率計算的曼寧公式為

式中：n為糙率；A為過水斷面面積；R為水力半徑；Q為流量；Zu、Zd為上、下游斷面水深；Au、Ad為上、下游斷面面積；Δs為兩過水斷面之間的距離；g為重力加速度。

均勻流情況下，糙率可直接采用如下公式計算：

式中：v為斷面平均流速；J為水力坡降。

3 試驗結果及分析

3.1 斷面平均流速分布

圖3～圖5 為3 種工況下不同h時斷面平均流速分布，圖中橫坐標表示各測量斷面到第一個測量斷面的縱向距離。

圖3 Q＝5 L／s 時不同h 對應的斷面平均流速

圖4 Q＝7 L／s 時不同h 對應的斷面平均流速

圖5 Q＝9 L／s 時不同h 對應的斷面平均流速

可見，當流量一定、h不變時，斷面平均流速隨著糙體間距的減小而減小，梅花加糙流速最小，矩形加糙次之，不加糙時斷面平均流速最大。 流量為5 L／s、h為14.4 cm 時，3 種工況的斷面平均流速差值不大，原因是當h較大時，來流量大于尾門的泄流量，邊壁糙體對水流的作用力達到一定值，導致流速變化小；流速不只受糙體的影響，還跟流量有關，當流量增加至9 L／s時，h不變，尾門開度變大，流速變大，泄水量增大，糙體間距小時阻水作用大，符合上述加糙間距越小流速越小的規律。

3.2 糙率與h、Q 的關系

通過對實測數據的處理，計算得到不同加糙方式、不同h、不同Q對應的糙率，見表1。 當h一定時，n隨流量的增大而減小。 原因是當h一定時，流量變大，流速相應增大，邊壁加糙體的阻水作用會相應減小，當增至一定流量時，渠道內的糙體和水流接觸面積是一定的，糙體不再明顯影響水流阻力。

表1 不同加糙方式、不同h、不同Q 時的糙率

h較大時，隨流量增大n的變化比h較小時明顯。原因可能是試驗渠道較窄，當流經渠道的流量較小時糙體的存在會產生一部分壅水，當流經渠道的流量增大時，水流流速變大，水流足夠快，壅水情況消失，故n變化較明顯。

當Q、h一定時，糙率隨著糙體間距的增大而減小。 原因是當糙體間距變大時，水流與渠道邊壁的作用力減小，流速增大，糙率變小。

3.3 紊動強度分布特征

脈動流速的均方根值與時均特征流速的比值稱為紊動強度［1］。 本文主要考慮加糙體對水流縱向紊動強度的影響。

式中：α代表x、y、z三個方向；σα為α方向的紊動強度；vαi為α方向第i時刻的瞬時流速；ˉvα為α方向的時均流速；N為一段時間內對某一點某一方向的測量次數。

通過試驗研究了各工況下水流縱向紊動強度的變化情況，本節選取距0 斷面120 cm 的6 斷面進行分析，選距離中垂線12.5 cm 的左邊垂線進行對比分析。不同工況下水流的縱向紊動強度見表2。

分析表2 得知：流量不變、測點水深一定時，縱向紊動強度隨加糙間距的變大而減小。 梅花加糙時，水流的縱向紊動強度變化最大，矩形次之。 原因是梅花形布置的糙體與水流的接觸面較大，對水流產生擾動作用大，進而導致水流脈動流速增大。 流量不變、不加糙時，水流的縱向紊動強度隨設計水深的變化不明顯；有糙體存在時，水流的縱向紊動強度隨著水深的增大而減小，這是因為設計水深較大時，渠道中水流流速變小，水流流速相對于水深較小時較平穩，脈動流速小，所以縱向紊動強度小。 當設計水深不變、加糙方式一定時縱向紊動強度隨流量的增大有所增大，但與設計水深和糙體間距對其產生的影響相比并不明顯。

表2 不同工況下水流的縱向紊動強度

4 結語

（1）加糙方式對水流特性會造成影響，梅花加糙比矩形加糙對水流的影響大，加糙后的糙率值也較大。

（2）斷面平均流速隨著糙體間距的增大而增大。當設計水深較大時，大流量的斷面平均流速變化較小流量時明顯。

（3）加糙方式、流量相同時，糙率隨著設計水深的增大有所增大。 設計水深和加糙方式不變時，隨著流量的增大，糙率值有所減小。

（4）不加糙時，水流的縱向紊動強度隨設計水深的增加變化不明顯；流量一定、設計水深一定時，水流的縱向紊動強度隨加糙體間距的變大而減小；流量一定、加糙體間距不變時，水流的縱向紊動強度隨設計水深的增大而減小；設計水深一定、糙體間距不發生變化時，水流的縱向紊動強度隨流量的增大逐漸增大，但趨勢與前兩者相比并不明顯。