骨干渠道糙率取值合理性測(cè)試研究

沈天升

摘要：在滿足試驗(yàn)段選取原則的基礎(chǔ)上，選取了不同斷面形式與砌護(hù)材料形式的7個(gè)典型渠段進(jìn)行渠道斷面幾何參數(shù)與水力要素原型監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，利用曼寧公式對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得出渠道實(shí)測(cè)糙率，將單一襯砌材料糙率結(jié)合復(fù)合渠道設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)平均，計(jì)算得出兩組糙率數(shù)值，并與實(shí)測(cè)、設(shè)計(jì)糙率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合試驗(yàn)段具體情況對(duì)率定糙率值偏大的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：率定糙率值偏大的主要原因?yàn)閿嗝鎺缀纬叽绮粯?biāo)準(zhǔn)、渠底比降不連續(xù)和渠道淤積。最終得出寧夏引黃灌區(qū)不同襯砌材料渠道的糙率，并結(jié)合國(guó)家及地方規(guī)范給出了各種砌護(hù)材料糙率的設(shè)計(jì)取值范圍，為寧夏引黃灌區(qū)渠道設(shè)計(jì)糙率選取提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：襯砌材料；糙率；測(cè)試研究；寧夏引黃灌區(qū)

中圖分類號(hào)：TV135.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.035

襯砌渠道糙率值的選取直接關(guān)系到渠道工程投資與運(yùn)行管理。近年來(lái)，在渠道運(yùn)行管理過(guò)程中，個(gè)別渠段運(yùn)行后水位降幅達(dá)到50cm，甚至更大，對(duì)農(nóng)田正常灌溉產(chǎn)生影響。分析其原因，發(fā)現(xiàn)隨著施工水平的逐步提高以及工程質(zhì)量的不斷提升，可能在設(shè)計(jì)中糙率采用的規(guī)范值存在偏大現(xiàn)象。原型渠道的糙率觀測(cè)值更能真實(shí)地反映襯砌材料糙率情況以及影響糙率的相關(guān)因素。筆者針對(duì)寧夏引黃灌區(qū)骨干渠道，選擇不同襯砌結(jié)構(gòu)類型典型渠段開(kāi)展糙率原型觀測(cè)與研究。

1 試驗(yàn)段選取

1.1 選取原則

國(guó)內(nèi)外在渠道糙率原型觀測(cè)方面已有一些相關(guān)的研究成果，筆者結(jié)合前人研究成果，本著最大程度減小誤差的原則，對(duì)典型試驗(yàn)段的選取制定以下原則，以期在減小測(cè)量誤差的基礎(chǔ)上所得數(shù)據(jù)能真實(shí)反映砌護(hù)材料的糙率情況。

1.1.1 代表性原則

（1）流量代表性。為保證試驗(yàn)段的流量范圍能涵蓋寧夏引黃灌區(qū)絕大部分骨干渠道設(shè)計(jì)流量，按照灌溉渠道襯砌技術(shù)規(guī)范（DB64/T811-2012）的規(guī)定，流量劃分為4個(gè)級(jí)別。

（2）斷面形式與砌護(hù)材料代表性。目前寧夏灌區(qū)渠道襯砌所用的材料有混凝土預(yù)制板、現(xiàn)澆混凝土、格賓石籠、卵石或塊石。混凝土板用于梯形渠道的全斷面襯砌，現(xiàn)澆混凝土主要用于渠道的圓弧坡腳，格賓石籠主要用于地下水位高、流沙段等特殊條件下的渠道邊坡及基礎(chǔ)，卵石主要用于渠底，塊石多用于漿砌石護(hù)坡基礎(chǔ)或干砌石護(hù)坡。

1.1.2 測(cè)量方法規(guī)范化原則

（1）水流為明渠均勻流，試驗(yàn)渠段順直，水流平穩(wěn)，渠段長(zhǎng)度應(yīng)大于1km。

（2）試驗(yàn)渠段縱橫斷面規(guī)則、穩(wěn)定，襯砌材料一致。

（3）試驗(yàn)渠段無(wú)閘、坎等建筑物。

（4）測(cè)流斷面附近不宜有影響水流的建筑物和樹(shù)木雜草等，不受上游建筑物泄流和下游建筑物回水影響。

1.1.3 有利于監(jiān)測(cè)的原則

（1）試驗(yàn)段區(qū)間內(nèi)應(yīng)至少有一處踏步。

（2）試驗(yàn)段區(qū)間應(yīng)基本整潔，無(wú)雜草或垃圾堆積。

（3）試驗(yàn)段至少單側(cè)渠堤道路通暢。

（4）試驗(yàn)段停水期渠底無(wú)積水。

（5）測(cè)流斷面處應(yīng)有固定水尺，便于實(shí)時(shí)觀測(cè)水位。

（6）應(yīng)優(yōu)先選擇渠道管理單位現(xiàn)有測(cè)水?dāng)嗝妗?/p>

1.2 渠段選取

本試驗(yàn)共選取試驗(yàn)段7個(gè)。斷面包括梯形、弧底梯形、圓弧坡腳梯形3種形式：砌護(hù)材料有全斷面現(xiàn)澆混凝土、全斷面預(yù)制混凝土板、弧腳現(xiàn)澆+邊坡與渠底預(yù)制、弧底現(xiàn)澆+邊坡預(yù)制以及格賓石籠與現(xiàn)澆混凝土板+預(yù)制混凝土板相組合的復(fù)合襯砌形式。具體砌護(hù)結(jié)構(gòu)以及各水力要素設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

2 測(cè)量的內(nèi)容與要求

（1）斷面幾何尺寸。主要有渠底寬度、坡度、網(wǎng)弧坡腳長(zhǎng)度、網(wǎng)弧段弦長(zhǎng)、弧高、渠道比降等。

（2）測(cè)量精度要求：底寬為±1c：m，坡度為±l°，圓弧坡腳長(zhǎng)度為+2Cm，弧高為±5mm，圓弧段弦長(zhǎng)為+2cm，渠底高差為+5mm。

（3）水力學(xué)要素。測(cè)流斷面水力學(xué)要素主要包括水深、流速、流量，其中流量選取相對(duì)設(shè)計(jì)流量的80%～100%、60%～75%、40%～55%共3個(gè)流量級(jí)別。

3 測(cè)量結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

對(duì)所選7個(gè)典型渠段斷面幾何尺寸與水力學(xué)要素進(jìn)行測(cè)量，得到15組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用曼寧公式對(duì)渠道糙率計(jì)算進(jìn)行反推，計(jì)算公式為式中：v為渠道斷面流速，m3/s；R為渠道水力半徑，m；i為渠道比降。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推算的糙率值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，實(shí)測(cè)值大于設(shè)計(jì)值的占73%，實(shí)測(cè)值小于設(shè)計(jì)值的占27%。

3.1 單一渠道糙率計(jì)算

（1）現(xiàn)澆混凝土渠道（固海三干渠）。全斷面現(xiàn)澆混凝土梯形斷面，應(yīng)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)糙率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算糙率為0.0155，比設(shè)計(jì)值0.0140大，其原因：一是該渠段為傍山渠道，影響整個(gè)渠道的順直和斷面幾何尺寸的標(biāo)準(zhǔn)程度：二是設(shè)計(jì)比降為1/6000，而實(shí)測(cè)比降為1/4545，是導(dǎo)致該渠段實(shí)測(cè)糙率比設(shè)計(jì)值大的主要因素：三是實(shí)測(cè)條件與設(shè)計(jì)條件不完全一致，實(shí)測(cè)水力要素與設(shè)計(jì)水力要素存在不同程度的偏差，也導(dǎo)致渠道實(shí)測(cè)糙率偏大。根據(jù)羅光蘭提出的渠道彎道糙率附加值，結(jié)合該試驗(yàn)段實(shí)際情況，將該試驗(yàn)段渠道糙率減去彎道附加值0.002，最終得出實(shí)測(cè)現(xiàn)澆混凝土糙率值為0.0135。

（2）預(yù)制混凝土板渠道（固海二干渠、鹽環(huán)一干渠）。固海二干渠渠段為全斷面預(yù)制混凝土板梯形斷面，計(jì)算糙率為0.0154，與設(shè)計(jì)值0.0160較為接近，誤差在5%以內(nèi)，導(dǎo)致實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)率定糙率與設(shè)計(jì)值產(chǎn)生偏差的主要因素為比降偏差。

鹽環(huán)一干渠渠段為全斷面預(yù)制混凝土板襯砌梯形斷面，根據(jù)3組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的糙率分別為0.0166、0.0145、0.0144，均小于設(shè)計(jì)值0.0170。將所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，得出實(shí)測(cè)預(yù)制混凝土板糙率為0.0152。

（3）格賓石籠渠道（西干渠鎮(zhèn)北堡攔洪庫(kù)段）。該渠段為復(fù)合材料襯砌形式，圓弧坡腳梯形斷面，格賓石籠左岸邊坡+渠底、預(yù)制混凝土板邊坡、右岸現(xiàn)澆混凝土圓弧坡腳襯砌形式，實(shí)測(cè)糙率為0.0229，大于設(shè)計(jì)值0.0202。

3.2 復(fù)合渠道糙率計(jì)算

復(fù)合渠道是由兩種或兩種以上襯砌材料組合而成的，設(shè)計(jì)過(guò)程中復(fù)合渠道糙率一般由單一襯砌材料糙率通過(guò)濕周加權(quán)平均計(jì)算得到。本試驗(yàn)利用曼寧公式將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代人計(jì)算公式可直接得到復(fù)合渠道糙率，但是由于測(cè)量過(guò)程中試驗(yàn)段出現(xiàn)了淤積、幾何尺寸偏差等問(wèn)題，使得實(shí)測(cè)糙率存在一定的偏差，因此根據(jù)單一襯砌材料糙率值與實(shí)測(cè)斷面幾何尺寸、水力要素計(jì)算復(fù)合渠道糙率，將所得數(shù)值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比對(duì)，應(yīng)用單一襯砌材料糙率值與設(shè)計(jì)斷面幾何尺寸、水力要素計(jì)算復(fù)合渠道糙率值，與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比對(duì)，分析復(fù)合渠道糙率值與單一襯砌材料糙率值的合理性。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

3.3 渠道糙率取值推薦

本試驗(yàn)所得現(xiàn)澆混凝土糙率為0.0135，預(yù)制混凝土板糙率為0.0152，格賓石籠糙率為0.0290，實(shí)測(cè)復(fù)合渠道糙率均大于設(shè)計(jì)值?！肚婪罎B工程技術(shù)規(guī)范>（SL18-2004）中規(guī)定現(xiàn)澆混凝土渠道糙率取值為0.015、預(yù)制混凝土板糙率取值為0.016～0.018?！豆喔惹酪r砌工程技術(shù)規(guī)范>（DB64/T811-2012）中給出現(xiàn)澆混凝土糙率為0.014，預(yù)制混凝土板糙率為0.015，鉛絲石籠（塊石）糙率為0.026。結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果，推薦現(xiàn)澆混凝土糙率為0.0135～0.0145，預(yù)制混凝土板的糙率為0.014～0.016，格賓石籠填充卵石的糙率為0.024～0.030、填充塊石的糙率為0.025～0.029，卵礫石糙率為0.025～0.030。

4 結(jié)論

本研究在滿足測(cè)流試驗(yàn)段選取的3個(gè)原則的基礎(chǔ)上選取了7個(gè)典型試驗(yàn)段進(jìn)行渠道斷面幾何尺寸與水力學(xué)要素的原型監(jiān)測(cè)，利用曼寧公式反推渠道糙率，將所得結(jié)果與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并結(jié)合試驗(yàn)段具體情況進(jìn)行分析，最終給出了不同材料糙率建議取值。

（1）以體現(xiàn)渠道襯砌材料、結(jié)構(gòu)、型式的普遍性、特殊性為基本原則，確定了流量、斷面形式與襯砌材料等代表性指標(biāo)，完成了相關(guān)測(cè)量工作。

（2）通過(guò)試驗(yàn)段原型觀測(cè)，利用曼寧公式計(jì)算出單一襯砌材料糙率，現(xiàn)澆混凝土為0.0135，預(yù)制混凝土板為0.0152，格賓石籠（塊石）為0.0290，并利用單一襯砌材料糙率加權(quán)平均計(jì)算了復(fù)合渠道糙率，與實(shí)測(cè)、設(shè)計(jì)兩組數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)計(jì)算糙率均小于實(shí)測(cè)與設(shè)計(jì)糙率：結(jié)合試驗(yàn)段具體情況，認(rèn)為率定糙率值偏大的主要原因?yàn)閿嗝鎺缀纬叽绮粯?biāo)準(zhǔn)、渠底比降不連續(xù)和渠道淤積。

（3）依據(jù)現(xiàn)行的相關(guān)國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合試驗(yàn)成果，提出了不同襯砌材料推薦糙率取值范圍：現(xiàn)澆混凝土糙率為0.0135～0.0145，預(yù)制混凝土板糙率為0.014～0.016，格賓石籠填充卵石糙率為0.024～0.030、填充塊石糙率為0.025～0.029，卵礫石糙率為0.025～0.030。