不同斷面形狀對人工渠道糙率影響的試驗(yàn)研究

趙錦程

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊 830000)

文章編號：1006—2610(2015)02—0079—03

不同斷面形狀對人工渠道糙率影響的試驗(yàn)研究

趙錦程

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,烏魯木齊 830000)

為探究不同斷面對渠道糙率的影響，采用2種不同斷面的人工渠道，在2種底坡及5種不同流量的條件下研究糙率隨流量、底坡的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：在明渠均勻流條件下，在相同底坡、不同斷面的人工渠道中，糙率的變化與流態(tài)有關(guān)，當(dāng)Fr<1時(shí)，糙率值隨著流量的增大逐漸減小；當(dāng)Fr>1時(shí)，糙率值隨著流量的增大逐漸增大。人工渠道斷面形狀發(fā)生變化時(shí)，糙率與各水力要素之間關(guān)系的變化規(guī)律基本相同，渠道的斷面形狀并不是影響渠道糙率變化的因素之一。

人工渠道；糙率；底坡；斷面形狀；試驗(yàn)研究

0 前 言

明渠水流廣泛地存在于自然界中，明渠水流的水力計(jì)算是水利工程計(jì)算中一個(gè)重要組成部分，而糙率是水力計(jì)算中的重要敏感參數(shù)，受眾多因素的影響，要準(zhǔn)確選用和標(biāo)定糙率絕非易事，如若確定不準(zhǔn)往往會給求解計(jì)算帶來很大的誤差。長期以來，人們對糙率系數(shù)的研究從未停止過，對糙率系數(shù)的特性以及它與一些水力要素相關(guān)關(guān)系也有了一定的認(rèn)識[1-5]。馬吉明等[6]對南水北調(diào)中線工程的寬淺渠道進(jìn)行模型試驗(yàn)，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[7]采用3種不同粗糙度的人工加糙矩形渠道進(jìn)行試驗(yàn)，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)論完全相反。由此可以看出，對于影響糙率變化的因素目前還沒有定論。

筆者在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)分析了在不同斷面形狀的條件下，明渠均勻流糙率隨流量弗汝德數(shù)及水深的變化的規(guī)律。為進(jìn)一步研究糙率的特性以及選取、修正水力計(jì)算中糙率提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)布置及方案

1.1 試驗(yàn)布置

本試驗(yàn)研究在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院水力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，分別制作了長10 m，寬0.36 m，深0.29 m的PVC板矩形渠道和渠道底寬0.2 m，渠深0.17 m，邊坡系數(shù)m=1，渠長10 m的PVC板梯形渠道，試驗(yàn)布置矩形渠道與梯形渠道基本一致，底板下放置鋼梁以便于后期調(diào)整渠道坡度。試驗(yàn)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(yàn)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一致時(shí)，便形成了明渠恒定流。試驗(yàn)中取渠道中間均勻流段為量測對象。試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)圖 單位：m

1.2 試驗(yàn)方案

如圖1所示，取0+03.0 m、0+05.0 m、0+07.0 m處作為測量水深的斷面。使用水位測針對水深進(jìn)行量測。每個(gè)測量斷面分別布置左、中、右3個(gè)測點(diǎn)。其中左右測點(diǎn)距離邊壁5 cm，中點(diǎn)為斷面的中點(diǎn)，距離兩側(cè)邊壁10 cm，計(jì)算時(shí)采用左中右3點(diǎn)的均值。選取0.001、0.03共2種不同的底坡進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)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。每種底坡下均選取5組流量，試驗(yàn)流量的變化范圍為13～28 L/s，流量調(diào)節(jié)幅度為3 L/s。因此試驗(yàn)共進(jìn)行了5×4=20組。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 相同底坡下流量Q與糙率的關(guān)系

利用明渠均勻流的公式：

(1)

和曼寧公式：

(2)

得出：

(3)

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

試驗(yàn)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(jì)算不同底坡、不同流量、不同斷面形狀所對應(yīng)的糙率值,計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 相同底坡不同斷面的Q-n值表

根據(jù)表1繪制出相同坡度下不同斷面Q-n關(guān)系曲線，見圖2、3。

圖2 底坡i=0.001時(shí)Q-n關(guān)系圖

圖3 底坡i=0.03時(shí)Q-n關(guān)系圖

由表1和圖2、3可知，當(dāng)?shù)灼耰=0.001，渠道斷面為矩形時(shí)，隨著流量的增大糙率值逐漸減??；渠道斷面為梯形時(shí)，隨著流量的增大糙率值也逐漸減小。當(dāng)?shù)灼耰=0.03，渠道斷面為矩形時(shí)，隨著流量的增大糙率值逐漸增大；渠道斷面為梯形時(shí)，隨著流量的增大糙率值逐漸增大。

2.2 相同底坡弗汝德數(shù)Fr與糙率關(guān)系

利用公式：

(4)

計(jì)算出不同底坡渠道中不同流量水深所對應(yīng)的弗如德數(shù)Fr。

式中：α為動能修正系數(shù)，一般取α=1.0；v為斷面平均流速，m/s；g為重力加速度，取9.81 m/s2；h為斷面平均水深，m。

由表1及公式(4)可得不同底坡、不同流量、不同斷面所對應(yīng)的弗汝德數(shù)和糙率值的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 相同底坡不同斷面的Fr-n值表

根據(jù)表1繪制出相同坡度下不同斷面Fr-n關(guān)系曲線，見圖4、5。

圖4 底坡i=0.001時(shí)Fr-n關(guān)系圖

圖5 底坡i=0.03時(shí)Fr-n關(guān)系圖

由表2和圖4、5可知，當(dāng)?shù)灼耰=0.001，渠道斷面為矩形時(shí)，隨著弗汝德數(shù)Fr的增大糙率值逐漸減??；渠道斷面為梯形時(shí)，隨著弗汝德數(shù)Fr的增大糙率值也逐漸減小。當(dāng)?shù)灼耰=0.03，渠道斷面為矩形時(shí)，隨著弗汝德數(shù)Fr的增大糙率值逐漸減小；渠道斷面為梯形時(shí)，隨著弗汝德數(shù)Fr的增大糙率值也逐漸減小。同時(shí)，還可以看出當(dāng)Fr<1時(shí)，隨著流量的增大糙率值逐漸減小；當(dāng)Fr>1時(shí)，隨著流量的增大糙率值逐漸增大。

2.3 相同底坡水深h與糙率關(guān)系

通過水位測針可測得矩形斷面與梯形斷面在相同底坡下，不同流量所對應(yīng)的水深，水深h為同一斷面左、中、右3個(gè)測點(diǎn)的均值，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 相同底坡不同斷面的h-n值表

根據(jù)表3繪制出相同坡度下不同斷面h-n關(guān)系曲線，見圖6、7。

圖6 底坡i=0.001時(shí)h-n關(guān)系圖

圖7 底坡i=0.03時(shí)h-n關(guān)系圖

由表3和圖6、7可知，當(dāng)?shù)灼耰=0.001，渠道斷面為矩形時(shí)，隨著水深的增大糙率值逐漸減??；渠道斷面為梯形時(shí)，隨著水深的增大糙率值也逐漸減小。當(dāng)?shù)灼耰=0.03，渠道斷面為矩形時(shí)，隨著水深的增大糙率值逐漸增大；渠道斷面為梯形時(shí)，隨著水深的增大糙率值也逐漸增大。

3 結(jié) 語

通過對不同底坡不同斷面的人工渠道進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 在相同底坡下，不同斷面形狀的人工渠道中，糙率值隨流量的變化關(guān)系與流態(tài)有關(guān)。緩流中，糙率值隨著流量的增大而減小；急流中，糙率值隨流量的增大而增大。

(2) 在相同底坡下，不同斷面形狀的人工渠道中，糙率與各種水力要素之間關(guān)系的變化規(guī)律基本相同，因此，渠道的斷面形狀并不是渠道糙率變化的影響因素之一。

[1] 李榕.關(guān)于影響曼寧粗糙系數(shù)n值的水力因素探討[J].水利學(xué)報(bào),1989,(12)：62-66.

[2] 董槐三,陳耀忠.引灤入津隧洞糙率的原型觀測[J].水力發(fā)電,1987,(03)：46-52.

[3] 曾祥,黃國兵,段文剛.混凝土渠道糙率調(diào)研綜述[J].長江科學(xué)院院報(bào),1999,(06)：1-4.

[4] 何建京,王惠民.流動型態(tài)對曼寧糙率系數(shù)的影響研究[J].水文,2002,(06)：22-24，53.

[5] 李麗,王加虎,王建群,等.自適應(yīng)隨機(jī)搜索算法在河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型糙率反演中的應(yīng)用[J].水利水電科技進(jìn)展,2011,31 ( 5 ): 64-67.

[6] 馬吉明，史哲.南水北調(diào)典型寬淺渠道糙率系數(shù)研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2007,(05)：75-79.

[7] 楊岑,路澤生,欒維功,李建雄,呂宏興,張寬地.矩形渠道人工加糙壁面阻力規(guī)律試驗(yàn)研究[J].長江科學(xué)院院報(bào),2011,(01)：34-38.

Study on Tests of Roughness of Artificial Canal With Different Sections

ZHAO Jin-cheng

(Xinjiang Water Resources and Hydropower Investigation Design and Research Institute, Urumqi 830000，China)

To study the roughness of the artificial canal with different sections, the artificial canal with two different sections are applied to study the law of the roughness with variation of discharge and bottom slope at the conditions of two bottom slopes and five different discharges. The tests present that, in conditions of uniform flow in open canal, roughness varies with flow pattern in the artificial canal with same bottom slope and different section. WhenFr<1, the roughness increases with the discharge decrease; whenFr>1, the roughness increases with the discharge increase. When the canal section changes, the variation law of the relationship between roughness and hydraulic factors is the same basically. The section shape of the canal is not the factor which impacts the roughness variation.

artificial canal; roughness; slope bottom; section shape; study on test

2014-09-20

趙錦程(1986- ),男,西安市人,助理工程師,主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作.

新疆水利水電工程重點(diǎn)學(xué)科基金(xjslgczdxk20101202).

TV135.3

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.02.020