底坡對人工渠道糙率影響的試驗

趙錦程，邱秀云，杜利霞，惠 康，陳 超

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052)

底坡對人工渠道糙率影響的試驗

趙錦程，邱秀云，杜利霞，惠 康，陳 超

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052)

為探究不同底坡對渠道糙率的影響，采用9種不同底坡的人工渠道，在6種不同的流量條件下研究糙率隨底坡和流量變化的規(guī)律。試驗結(jié)果表明:在明渠均勻流條件下，隨著底坡的變化，渠道糙率存在3種不同的變化規(guī)律。當(dāng)Fr＜1時，隨著流量的增大，糙率逐漸減小;當(dāng)1＜Fr＜1.51時，隨著流量的增大，糙率先減小后增大;當(dāng)Fr＞1.51時，隨著流量的增大糙率逐漸增大。當(dāng)流量相同時，隨著底坡的增大，糙率逐漸增大。在緩流渠道中，渠道糙率隨底坡變化的速率很快;在急流渠道中，渠道糙率隨底坡變化的速率較慢，糙率趨于某一常數(shù)。

糙率;底坡;均勻流;人工渠道;試驗研究

明渠是一種具有自由表面水流的渠道。明渠水流的水力計算是水利工程計算中一個重要的組成部分，其中糙率的確定對于工程設(shè)計及投資具有非常重要的意義［1-2］。多年來，國內(nèi)外很多學(xué)者對糙率的變化規(guī)律進行了理論分析和試驗研究［3-11］。馬吉明等［12］對南水北調(diào)中線工程的寬淺渠道進行模型試驗，認(rèn)為對于水力半徑較大、斷面形狀和尺寸一定的渠道來說，糙率將隨流量的加大而加大。而楊岑等［13］采用3種不同粗糙度的人工加糙渠道進行試驗，得出同一粗糙度的明渠糙率隨流量的增加呈對數(shù)減小的趨勢。二者所得結(jié)論恰好相反。由此可以看出，關(guān)于糙率隨流量的變化規(guī)律目前還沒有定論。尋求糙率的變化規(guī)律是水力學(xué)中的重要課題，解決該課題，將會對水力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展有重要意義。

筆者在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，試驗分析了不同底坡條件下明渠均勻流糙率隨流量的變化規(guī)律，探究糙率與不同水力要素間的相互關(guān)系，為進一步研究糙率的特性以及選取、修正水力計算中糙率的取值提供了依據(jù)。

1 試驗布置及方案

1.1 試驗布置

試驗在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院水力學(xué)實驗室水工大廳進行，采用長10 m、寬0.36 m、深0.29 m的PVC板矩形渠道，底板下放置鋼梁以便后期調(diào)整渠道坡度。試驗系統(tǒng)包括泵房、供水管道、調(diào)節(jié)閥門、三角形量水堰、矩形量水堰、水箱、地下回水渠道。為了獲得試驗所需要的明渠均勻流，在渠道前端安設(shè)水箱，用以穩(wěn)定水流，當(dāng)固定流量條件下的上下游水位穩(wěn)定時，便形成了明渠恒定流。試驗中取渠道中間均勻流段為量測對象。試驗系統(tǒng)見圖1。

1.2 試驗方案

由于要對渠道的底坡進行多次調(diào)整，故在渠道底板上架設(shè)了鋼梁，當(dāng)要調(diào)整一個新的底坡，先將水箱與渠道進行分離，再對渠道底坡進行調(diào)整。為保證渠道底坡的精度，將分離后的渠道分為10個斷面，通過水準(zhǔn)儀控制每個斷面的高程。水準(zhǔn)儀的測量精度為0.1 mm。

如圖1 所示，取 0+03.00、0+05.00、0+07.00作為測量水深的斷面。使用水位測針對水深進行測量。每個測量斷面分別布置左、中、右3個測點，其中左、右測點距離邊壁5cm，中間測點為斷面的中心點，距離邊壁18 cm，計算時采用以上3點的均值。選取 0.000 5、0.001、0.002、0.004、0.006、0.008、0.01、0.02、0.03共9種不同的底坡進行試驗。試驗中通過流量調(diào)節(jié)閥門和上下游量水堰控制流量大小及其精度。每種底坡條件下均選取6組流量，試驗流量的變化范圍為0.013～0.028 m3/s，流量調(diào)節(jié)幅度為0.003 m3/s。共進行了6×9=54組試驗。

圖1 試驗系統(tǒng)

2 試驗結(jié)果及分析

由明渠均勻流公式(式(1))和曼寧公式(式(2))可得糙率的計算表達式(式(3)):

式中:Q為渠道過水流量，m3/s;A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2;C為謝才系數(shù);R為斷面的水力半徑，m;i為渠道底坡;n為糙率。

試驗中分別量測出不同底坡所對應(yīng)的流量、水深，然后利用式(3)計算不同底坡、不同流量所對應(yīng)的糙率，計算結(jié)果見表1。

2.1 糙率與流量的關(guān)系

根據(jù)表1繪制出不同坡度下的Q-n關(guān)系曲線，見圖2。

圖2 不同底坡下的Q-n關(guān)系曲線

由表1和圖2可以看出，當(dāng)i=0.000 5、0.001、0.002時，隨著Q的增大，n逐漸減小，此時Fr＜1，屬于緩流;當(dāng)i=0.004、0.006、0.008時，n先隨著Q的增大而減小，達到某一值后再隨Q的增大而增大，此時Fr＞1，屬于急流，F(xiàn)r在1.07＜Fr＜1.51范圍內(nèi);當(dāng)i=0.01、0.02、0.03時，隨著Q的增大，n逐漸增大，此時Fr＞1，屬于急流，F(xiàn)r＞1.51。

由此筆者認(rèn)為，糙率隨流量的變化關(guān)系與流態(tài)有關(guān)。緩流中，隨著流量的增大，糙率減小;急流中，當(dāng)1＜Fr＜1.51時，糙率先隨著流量的增大而減小，達到某一值后再隨流量的增大而增大，稱此段為緩流向急流的過渡段;當(dāng)Fr＞1.51時，糙率隨流量的增大而增大。

李榕［3］曾通過量綱分析法導(dǎo)出以下公式:

式中:ns為Fr=1時的糙率;α為系數(shù);R為水力半徑;ˉh為平均水深;A為過水?dāng)嗝娣e;B為自由水面寬度。

由式(4)可以看出，當(dāng)流動為緩流，即Fr＜1時，ˉh/R值的增大會引起n的減小;當(dāng)流動為急流，即Fr＞1時，ˉh/R值的增大會引起糙率的增大。由本試驗可得，隨著流量的增大，ˉh/R值亦增大。由此得出，本試驗所得結(jié)論與式(4)是一致的。

2.2 糙率與底坡的關(guān)系

圖3為不同流量條件下的i-n關(guān)系曲線。由圖3可以看出，當(dāng)流量相同時，隨著底坡的增大，糙率逐漸增大。同時還可以看出，當(dāng)?shù)灼耰=0.000 5、0.001、0.002時，渠道糙率隨底坡變化的速率很快。由表1知，此時Fr＜1，為緩流流態(tài)。當(dāng)?shù)灼耰=0.004、0.006、0.008、0.01、0.02、0.03 時，渠道糙率隨底坡變化的速率較慢，糙率趨于穩(wěn)定。由表1知，此時Fr＞1，為急流流態(tài)。

圖3 不同流量下的i-n關(guān)系曲線

由此可以得出結(jié)論，在緩流渠道中，渠道糙率隨底坡變化的速率很快;在急流渠道中，渠道糙率隨底坡變化的速率較慢，糙率趨于某一常數(shù)。

3 結(jié)語

通過對不同底坡的矩形人工渠道的試驗研究，得出以下幾點結(jié)論:①糙率隨流量的變化關(guān)系與流態(tài)有關(guān)。緩流中，糙率隨著流量的增大而減小;急流中，當(dāng)1＜Fr＜1.51時，糙率先隨著流量的增大而減小，達到某一值后再隨流量的增大而增大;當(dāng)Fr＞1.51時，糙率隨流量的增大而增大。②當(dāng)流量相同時，隨著底坡的增大，糙率逐漸增大。在緩流渠道中，渠道糙率隨底坡變化的速率很快;在急流渠道中，渠道糙率隨底坡變化的速率較慢，糙率趨于某一常數(shù)。

本試驗僅對PVC板的矩形渠道進行了研究，所得結(jié)果僅僅表明糙率隨流量的變化規(guī)律以及底坡對粗糙的影響。至于渠道邊壁的絕對粗糙度、斷面形狀對粗糙的影響尚未涉及。

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Experimental study on effect of bottom slope on the artificial channel roughness

ZHAO Jincheng，QIU Xiuyun，DU Lixia，HUI Kang，CHEN Chao(College of Water Conservancy and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi830052，China)

In order to analyze the effect of different bottom slopes on the artificial channel roughness，an experiment is carried out under nine artificial channels of different bottom slopes with six different flow discharges to discuss the regularity of roughness changing with the bottom slope and flow discharge.The experimental results indicate that under an uniform flow，with the change of the bottom slope，channel roughness exists three different variation rules.With the increase of the flow，roughness value decreases gradually whenFr＜ 1.With the increase of the flow discharge，roughness value decreases and then increases when 1 ＜Fr＜ 1.51，and increases gradually whenFr＞ 1.51.With the increase of the bottom slope，roughness value increases gradually under the same flow condition.With the change of channel bottom slope，the change rate of channel roughness is fast in the subcritical flow channel，the change rate of channel roughness is slow in the torrent channel，and roughness value tends to be a constant.

roughness coefficient;bottom slope;uniform flow;artificial channel;experimental research

TV135.3

A

1006-7647(2013)06-0048-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.06.010

新疆水利水電工程重點學(xué)科基金(xjslgczdxk20101202)

趙錦程(1986—)，男，陜西西安人，碩士研究生，主要從事水工結(jié)構(gòu)研究。E-mal:309229273@qq.com

2012-12-17 編輯:駱 超)