北疆供水工程渠道糙率分析

章再興

（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆烏魯木齊830000）

北疆供水工程渠道糙率分析

章再興

（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆烏魯木齊830000）

北疆供水工程混凝土預(yù)制板襯砌渠道設(shè)計糙率0.017，運(yùn)行6～11a后的實證糙率值為0.015，比設(shè)計規(guī)范推薦值0.016～0.018小，比目前國內(nèi)其它渠道糙率取值偏小，為同類工程設(shè)計糙率選取提供借鑒。

渠道糙率；供水工程；正態(tài)分布

1 工程概況

北疆供水總干渠工程等別為大（Ⅱ）型二等工程，1997年8月動工興建，2000年8月1日基本完工并轉(zhuǎn)入試運(yùn)行。渠道斷面形式為平底梯形斷面和弧形底梯形斷面，渠底寬4m，內(nèi)外邊坡1∶2，縱坡1/10000～1/12500。渠深5.4～6.2m，水深4.68～5.36m，渠道超高0.5m，流速1～1.16m/s，采用0.6mm聚乙烯塑膜防滲。渠道表面清潔，塊與塊之間接縫平整飽滿，混凝土預(yù)制板為邊長25cm的正六角形，均勻而單一，為提高穩(wěn)定性，每隔19.4m設(shè)一道橫向混凝土隔梁，渠線較順直，該工程糙率設(shè)計取0.017?？偢汕?000年通水運(yùn)行以來，已安全運(yùn)行11a，混凝土預(yù)制襯砌板在水流的沖刷作用下，水下部分板面出現(xiàn)了不同程度的麻面。受氣候以及地質(zhì)條件影響，襯砌表面的平整度發(fā)生了變化［1］。

2 糙率的影響因素

渠道的糙率系數(shù)一般根據(jù)類似工程運(yùn)行經(jīng)驗進(jìn)行選擇。但影響渠道糙率的因素很多，準(zhǔn)確選擇是十分困難的，主要是因為運(yùn)行期有許多不確定的因素［2］。在設(shè)計的水流條件下，設(shè)計糙率是根據(jù)工程經(jīng)驗和規(guī)范推薦的數(shù)值選定的；初始糙率是施工剛結(jié)束投入運(yùn)行時渠道的糙率，它決定于襯砌面平整度、分縫、施工質(zhì)量等因素；實際運(yùn)行糙率是運(yùn)行相當(dāng)長時間，形成了穩(wěn)定的渠道形態(tài)后所具有的，它決定于襯砌材料的變形、動植物的附著生長、淤積等情況。

（1）沉積物。松散的顆粒狀土、沙粒附著于襯砌表面和渠底，其絕對高度對水流形成阻礙，加大了糙率。

（2）生物因素。襯砌混凝土表面即使進(jìn)行仔細(xì)的抹光處理，也會有細(xì)小的不平之處，凹處會被細(xì)顆粒所充填、覆蓋，其上落有水生植物，在適宜的環(huán)境中生長。某些昆蟲幼體等也會附著在表面，在被損壞的裂縫、施工縫、誘導(dǎo)縫中，不供水時段會生長較高大的雜草，造成糙率系數(shù)的增大。

（3）施工縫。為了滿足施工和抗裂的要求，會預(yù)留或后切縫，這些縫隙會被止水物質(zhì)充填，有試驗資料證明糙率的增加不超過1%?；A(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降，整體性遭到破壞后，出現(xiàn)表面不平整才是造成糙率增加的主要因素。

（4）水深。在渠道的各種條件一定的情況下，糙率大小是隨著水深的變化而變化的。一般來說，水深越小，糙率就越大。嚴(yán)格來說，糙率應(yīng)該是正常水深時的糙率。

（5）襯砌材料及襯砌面的平整度。渠道襯砌材料及襯砌形式、襯砌面的平整度也是影響糙率的直接因素，襯砌面平整光滑，糙率較??；反之，糙率較大。

3 渠道糙率計算

3.1 斷面流量實測

總干渠各監(jiān)測斷面都布置在離渠系建筑物較遠(yuǎn)、水流平穩(wěn)、滿足測水要求的渠段上，每個斷面上都架設(shè)測橋。每年在通水運(yùn)行前都對各監(jiān)測斷面進(jìn)行測速線布置，將監(jiān)測斷面的渠道上口寬度以每10cm一個點(diǎn)進(jìn)行劃分，將其點(diǎn)對應(yīng)標(biāo)在測橋扶手上以便于運(yùn)行期間開展測流工作。

點(diǎn)流速u1計算公式為：

式中：u1—點(diǎn)流速，m/s；k、C—儀器鑒定常數(shù)；n—每秒轉(zhuǎn)數(shù)，n=R/T；T—總歷時，s；R—轉(zhuǎn)數(shù)。

測速垂線間面積按梯形面積法計算，岸邊用三角形面積法。計算時先求2垂線起點(diǎn)之間距離bi，再求2垂線平均水深，即：1/2（hi-1+hi），則部分面積計算公式為：

式中：Ai—部分面積，m2；hi-1、hi—相鄰2垂線水深深度，m2；bi—2垂線間距離，m2。

兩岸邊部分平均流速計算公式為：

式中：u—岸邊部分平均流速，m/s；um岸—岸邊垂線平均流速，m/s；α岸—岸邊流速系數(shù)，見表1。

表1 岸邊流速系數(shù)α值

其余相鄰2測速垂線間部分面積平均流速可用垂線平均流速算術(shù)平均求得，即

式中：ui—相鄰2測速垂線間部分面積平均流速，m/s；um，i-1、umi—相鄰2垂線平均流速，m/s。

部分平均流量qi等于部分面積Ai與相應(yīng)部分平均流速ui的乘積，即

式中：qi—部分平均流量，m3/s；其余變量符號意義同前。

斷面上所有部分流量之和為：

式中：Q—斷面流量，m3/s；其余變量符號意義同前。

3.2 渠道糙率計算

根據(jù)實測斷面流量，采用水力學(xué)公式，結(jié)合日常實測流量、水位等資料（見表2），計算實際糙率。

式中：A—斷面面積，m2；V—流速，m/s。

式中：C—謝才系數(shù)；R—水力半徑，m2；i—渠道縱坡。

表2 渠道實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4 渠道糙率分析

對實測糙率值進(jìn)行樣本統(tǒng)計分析，確定北疆供水工程預(yù)制混凝土襯砌板實際糙率區(qū)間。

4.1 假定條件

在計算分析時，假定如下條件成立。

（1）就觀測的過程而言，由于無糙率的直接觀測設(shè)備，而是將流量、渠道坡比及過水面積代入數(shù)學(xué)公式計算求得，流量與糙率具有成型的數(shù)學(xué)關(guān)系，不是2個相互獨(dú)立的觀測量，因此僅選取糙率的觀測數(shù)據(jù)作計算分析。

（2）流量數(shù)據(jù)觀測的設(shè)備、人員及觀測方法基本一致，即所有的觀測是在相同條件下進(jìn)行重復(fù)，觀測周期為1a。

（3）流量觀測是一個隨機(jī)抽樣的過程，事先明確了流量大小的所有可能結(jié)果，因此計算出的糙率數(shù)據(jù)包含所有可能結(jié)果，符合隨機(jī)抽樣的要求。

4.2 滿足正態(tài)分布的條件

正態(tài)分布是概率論中最重要的一種分布，一般來講，若影響某一數(shù)量指標(biāo)的隨機(jī)因素很多，而每個因素所起的作用不太大，則這個指標(biāo)服從正態(tài)分布。

如果把數(shù)值變量資料編制頻數(shù)表后繪制頻數(shù)分布圖（又稱直方圖，它用矩形面積表示數(shù)值變量資料的頻數(shù)分布，直條的寬表示組距，直條的面積表示頻數(shù)（或頻率）大小，直條與直條之間不留空隙），若頻數(shù)分布呈現(xiàn)中間為最多，左右兩側(cè)基本對稱，越靠近中間頻數(shù)越多，離中間越遠(yuǎn)，頻數(shù)越少，形成一個中間頻數(shù)多，兩側(cè)頻數(shù)逐漸減少且基本對稱的分布，那我們一般認(rèn)為該數(shù)值變量服從或近似服從數(shù)學(xué)上的正態(tài)分布。

糙率是將流量、渠道坡比及過水面積代入數(shù)學(xué)公式計算而得，主要受流量、過水面積（水位）、渠道橫縱坡比及結(jié)構(gòu)等因素的影響、且受流量、水位觀測等隨機(jī)因素的干擾較強(qiáng)，流量、水位的數(shù)據(jù)觀測設(shè)備、人員及觀測方法基本一致，即所有的觀測是在相同條件下進(jìn)行重復(fù)，且觀測是隨機(jī)進(jìn)行的，事先明確了現(xiàn)有渠道的所有可能結(jié)果，因此計算出的糙率數(shù)據(jù)包含所有可能結(jié)果，符合隨機(jī)抽樣的要求。

對渠道監(jiān)測斷面3+050的糙率監(jiān)測數(shù)據(jù)的分布頻數(shù)統(tǒng)計見表3，如圖1所示。從圖1中可看出：糙率頻數(shù)分布基本呈現(xiàn)中間為最多，左右兩側(cè)基本對稱，越靠近中間頻數(shù)越多，離中間越遠(yuǎn)，頻數(shù)越少，形成一個中間頻數(shù)多，兩側(cè)頻數(shù)逐漸減少且基本對稱的分布，因此認(rèn)為糙率服從或近似服從數(shù)學(xué)上的正態(tài)分布。

表3 3+050斷面糙率頻數(shù)（樣本數(shù)52）n（糙率）

圖1 3+050斷面糙率頻數(shù)

4.3 3+050斷面渠道糙率數(shù)據(jù)分析

3+050斷面總共觀測數(shù)據(jù)52條，均為有效觀測數(shù)據(jù)，采用正態(tài)分布對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析，糙率數(shù)據(jù)放大1000倍（見表4，如圖2、圖3所示）。

表4 3+050斷面渠道不同流量下糙率的正態(tài)分布參數(shù)

續(xù)表4 3+050斷面渠道不同流量下糙率的正態(tài)分布參數(shù)

圖2 3+050斷面不同流量下糙率的概率密度

圖3 3+050斷面流量與糙率的實測數(shù)據(jù)關(guān)系

5 結(jié)論

（1）從上述概率統(tǒng)計計算及分析可看出：不同的流量階段，流量越大且變幅較穩(wěn)定，渠道糙率的均方差和均值越小，反應(yīng)在圖形中就是糙率測點(diǎn)落在均值附近的概率越大，相應(yīng)圖形變得越尖。在置信度為99.7%時，均值與均方差的置信區(qū)間也在減少，精度也較高。

通過數(shù)學(xué)概率統(tǒng)計方法對3個斷面采集的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行分析，符合要求的數(shù)據(jù)如下：3+050的位置，糙率置信區(qū)間為0.010～0.012；20+000的位置，糙率置信區(qū)間為0.013～0.015；93+657的位置，糙率置信區(qū)間為0.012～0.015。

根據(jù)分析研究得出混凝土預(yù)制板襯砌渠道實際糙率小于設(shè)計選取的糙率，建議同類渠道設(shè)計糙率取值為0.015。

（2）與當(dāng)前國內(nèi)同類研究、同類技術(shù)的綜合比較。北疆供水工程混凝土預(yù)制板襯砌渠道設(shè)計糙率0.017，運(yùn)行6～11a后的實證糙率值為0.015，比設(shè)計規(guī)范推薦值0.016～0.018小，比目前國內(nèi)其它渠道糙率取值偏?。ㄒ姳?），為同類工程設(shè)計糙率選取提供借鑒［3］。

表5 與國內(nèi)同類研究成果對照

［1］沈長江，楊賜金，張龍.從北疆某干渠防洪看長距離輸水渠道［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計，2009（01）.

［2］姜旭新，周夢嬌.新疆北疆供水工程渠道糙率計算與分析［J］.新疆水利，2011（04）.

［3］劉方亮，牧振偉.北疆供水工程混凝土預(yù)制板渠道糙率分析研究［J］.內(nèi)蒙古水利，2014（03）.

TV674

B

1672-2469（2015）12-0042-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.016

章再興（1983年—），男，工程師。