淮河干流河工模型糙率模擬試驗(yàn)研究

武心嘉 白夏

摘要：通過(guò)水槽均勻流試驗(yàn)，研究了梅花形排列的十字片在不同尺寸、排列間距和水深條件下的六種粘貼加糙方案.結(jié)果表明：相同大小的糙片，其糙率值隨著排列間距的增大而減小;而同一排列間距的糙片，其糙率值則隨著水深的增大而減小.制作淮河干流正陽(yáng)關(guān)至渦河口段河工模型的河道主槽，適合采用間距為10cm的小糙片進(jìn)行加糙模擬;該段河工模型的灘地，適合采用間距為11.5cm的大糙片進(jìn)行加糙模擬.

關(guān)鍵詞：梅花形排列;十字片;糙率模擬;河工模型

中圖分類號(hào)：TV143? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2019）06-0103-05

為提高淮河中游正陽(yáng)關(guān)至渦河口河段的防洪除澇標(biāo)準(zhǔn)，需采用河工模型試驗(yàn)進(jìn)行分析.由于受實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、模型水深以及水流形態(tài)等的影響，為避免建造過(guò)大模型，同時(shí)保持基本的流動(dòng)相似條件，模型在水平方向和垂直方向上需采用不同的比尺，就成了變態(tài)模型[1].經(jīng)模型變態(tài)后，模型糙率值大于原型糙率，因此需要進(jìn)行模型加糙[2-3].由于本項(xiàng)加糙技術(shù)相關(guān)研究尚不夠深入充分，需開(kāi)展“淮河干流河工模型糙率模擬技術(shù)研究”，對(duì)這種十字片糙體進(jìn)行水力阻力特性專門(mén)水槽試驗(yàn).

淮委水科院梁斌等[4-5]對(duì)梅花型十字片加糙技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)論證，認(rèn)為其糙率值較大，進(jìn)入阻力平方區(qū)時(shí)雷諾數(shù)小，糙體自身體積小、排列密度小、對(duì)于不同方向水流糙率各向均勻性較好，能較好地解決了大變態(tài)非恒定流河工模型的加糙問(wèn)題.徐華等[6]研究了梅花形布置的三角橡皮塊，在不同粘貼方向、厚度、間距和水深條件下對(duì)糙率的影響，并將試驗(yàn)成果應(yīng)用于長(zhǎng)江河口段河工模型，較好地復(fù)演了該段水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律.Carvalho等[7]在排水系統(tǒng)物理模型中使用了平板加糙技術(shù)，研究水流在不同厚度、間距和高度的平板加糙情況下的流動(dòng)特性.孫東坡等[8]利用在有機(jī)玻璃上貼膜的方式，對(duì)水力模型加糙處理，研究了三種加糙膜的糙率特性.趙海鏡等[9]開(kāi)展了草墊加糙的研究試驗(yàn)，計(jì)算草墊加糙可得到的糙率范圍，并將該方法應(yīng)用到灤河遷安段綜合整治水力模型.李甲振等[10]在分析了點(diǎn)塊型加糙、條帶型加糙和膜片型加糙三種方法后，得出結(jié)論：在多種加糙方式里，對(duì)于河道槽蓄量對(duì)水流水力特性影響較大的模型，建議使用梅花形十字板加糙.綜上，在明渠水流試驗(yàn)中，加糙方法有多種，而常規(guī)加糙塊體體積較大，會(huì)影響槽蓄量和水流流速分布，難以滿足淮干主河槽和灘地的河工模型大糙率值要求.因此本文擬在淮河流域河工模型的研究基礎(chǔ)上，對(duì)淮河正陽(yáng)關(guān)至渦河口河段的模型采用梅花型十字片加糙，通過(guò)水槽試驗(yàn)確定滿足淮干主河槽和灘地糙率模擬的糙片形狀、尺寸、排列密度、糙率計(jì)算方法等設(shè)計(jì)參數(shù)，為河工模型制作提供參考依據(jù).

1 試驗(yàn)水槽布置及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在長(zhǎng)35m、寬0.80m、高0.90m的混凝土水槽中進(jìn)行.水槽底部固定坡降為1：1000，試驗(yàn)水槽濕周各部分糙率不同，有效測(cè)試段一邊為玻璃，另一邊為光滑水泥面，底部則為加糙的水泥面.在槽底埋設(shè)紫銅管，用來(lái)測(cè)量水面落差;水位共用21根測(cè)針測(cè)量;流量用矩形堰（小流量換為直角三角堰）量測(cè).用智能紅外傳感流速儀測(cè)量斷面流速，并根據(jù)斷面各點(diǎn)流速積分所求出的流量與量水堰所測(cè)流量進(jìn)行校核，相對(duì)誤差小于5%.模型由兩臺(tái)軸流水泵供水，采用80cm等寬矩形堰測(cè)量進(jìn)口流量.模型進(jìn)口部分包括前池和穩(wěn)流區(qū)，尾部設(shè)豎板閘門(mén)調(diào)節(jié)出口水位以保持恒定均勻流[11].

十字片由塑料廠家定型生產(chǎn)，用強(qiáng)力膠粘結(jié)于槽底，片厚0.5mm.十字片的邊長(zhǎng)為b（所采用的十字片長(zhǎng)、寬邊長(zhǎng)相等），高為△，相鄰兩糙片間距為L(zhǎng)，縱向排列間距約為0.866L.根據(jù)已開(kāi)展的淮河局部河工模型的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，選取兩種常用尺寸規(guī)格的十字片，十字片的長(zhǎng)、寬、高分別為b×b×△=2.0×2.0×1.5（單位cm，簡(jiǎn)稱小糙片）和b×b×△=2.5×2.5×1.8（單位cm，簡(jiǎn)稱大糙片）.十字片采用兩片相同尺寸的塑料片垂直相交構(gòu)成，并用梅花形排列方式粘貼鋪設(shè)，見(jiàn)圖1.制作河道地形時(shí)在水泥床面干燥情況下將糙片用力得牢膠水粘于模型河床.

2 糙率計(jì)算

根據(jù)淮河干流正陽(yáng)關(guān)至渦河口段的河工模型資料，原型主槽水深12.5m，原型灘地水深4.8m.由于淮河該段河工模型垂直比尺為1：60，計(jì)算得出設(shè)計(jì)水位條件下平均主槽水深h主槽=20.83cm，平均灘地水深h灘地=8cm，因此水槽試驗(yàn)水深取值范圍為7.5cm～25.5cm.

淮河干流正陽(yáng)關(guān)至渦河口段河工模型平面比尺為1：300，垂直比尺為1：60，糙率比尺為1：0.885.根據(jù)實(shí)測(cè)資料，淮河中游干流河道，一般主槽糙率平均值為0.0215，灘地糙率平均值為0.0335，經(jīng)模型變態(tài)后糙率變大，模型中主槽糙率nm1=0.0237～0.0249、灘地糙率nm2=0.0305～0.0418[3].

對(duì)于明槽恒定均勻流，其過(guò)水?dāng)嗝娴男螤詈痛笮?、流速、流量和水深，沿流程不變，其水力坡度J、水面坡度Jp、水面線坡度Jw和渠低坡度i相等，即J=Jp=Jw=i.處于紊流阻力平方區(qū)的明槽恒定均勻流，可采用謝才公式[13]計(jì)算：

3 不同加糙試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)組次及控制參數(shù)

試驗(yàn)時(shí)，變化流量Q，對(duì)每一流量調(diào)節(jié)尾門(mén)使水流達(dá)到或接近均勻流，然后測(cè)量各斷面水深、流速和落差.對(duì)接近均勻流的組次控制在公式（7）范圍內(nèi)：

×100%≤5%? （7）

式中：Hmax——最大斷面水深;Hmin——為最小斷面水深;Hp——為平均斷面水深.

試驗(yàn)中小糙片間距分別為L(zhǎng)=6、8、10cm，大糙片間距分別為L(zhǎng)=7.5、10、11.5cm，相鄰兩行糙片的排列方向不同，均按圖1方式擺列，試驗(yàn)水深控制在8.0cm～25.0cm范圍內(nèi)，得出兩種糙片不同堰流量下的糙率值.試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)量各斷面水深、流速和落差等水力參數(shù)，以分析計(jì)算不同加糙方案的糙率值，試驗(yàn)組次及控制參數(shù)見(jiàn)表1.

3.2 小糙片的試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 間距L=6cm

采用小糙片尺寸b×b×△=2.0×2.0×1.5cm，間距6.0cm，縱向排列間距取5.2cm，得出該加糙方式下的糙率值見(jiàn)表2.試驗(yàn)表明，該加糙方式糙率為0.0367～0.0455.

3.2.2 間距L=8cm

采用小糙片尺寸b×b×△=2.0×2.0×1.5cm，間距8cm，縱向排列間距取6.9cm，得出該加糙方式下的糙率值見(jiàn)表3.試驗(yàn)表明，該加糙方式糙率為0.0315～0.0371.

3.2.3 間距L=10cm

采用小糙片尺寸b×b×△=2×2×1.5cm，間距10cm，縱向排列間距取8.7cm，得出該加糙方式下的糙率值見(jiàn)表4.試驗(yàn)表明，該加糙方式糙率為0.0245～0.0299.

3.3 大糙片的試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 間距L=7.5cm

采用大糙片尺寸b×b×△=2.5×2.5×1.8cm，間距7.5cm，縱向排列間距取6.5cm，得出該加糙方式下的糙率值見(jiàn)表5.試驗(yàn)表明，該加糙方式糙率為0.0442～0.0563.

3.2.2 間距L=10cm

采用糙片尺寸b×b×△=2.5×2.5×1.8cm，間距10cm，縱向排列間距取8.7cm，得出該加糙方式下的糙率值見(jiàn)表6.試驗(yàn)表明，該加糙方式糙率為0.0355～0.0469.

3.3.3 間距L=11.5cm

采用糙片尺寸b×b×△=2.5×2.5×1.8cm，間距11.5cm，縱向排列間距取9.6cm，得出該加糙方式下的糙率值見(jiàn)表7.試驗(yàn)表明，該加糙方式糙率為0.0321～0.0418.

3.4 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)表明，隨著水深的增加，表現(xiàn)出的糙率值會(huì)減小.根據(jù)表2～表4以及表5～表7可分別繪出小糙片和大糙片在三種不同間距下糙率與水深關(guān)系曲線，如圖2、圖3.由圖可以看出，相同大小的糙片，其糙率值隨著排列間距的增大而減小;而同一排列間距的糙片，其糙率值則隨著水深的增大而減小，且隨水深增加而減小的幅度越來(lái)越小，糙率n最終將趨于一個(gè)定值.

小糙片的三種排列間距中L=10cm槽底糙率范圍最小n3=0.0245～0.0299.河工模型的主槽糙率nm1=0.0237～0.0249，且根據(jù)模型制作要求，應(yīng)選取糙率值適當(dāng)大于計(jì)算糙率，便于試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)糙率進(jìn)行調(diào)整，故可采用間距10cm的小糙片對(duì)模型主槽加糙.同理，大糙片中間距L=11.5cm的槽底糙率范圍n3=0.0321～0.0418，與河工模型中的灘地糙率nm2=0.0305～0.0418最為接近，故可采用間距11.5cm的大糙片進(jìn)行模型灘地加糙.

4 結(jié)論

（1）制作淮河中游河段的河工模型，采用梅花型十字片加糙技術(shù)是較合適的，能滿足變態(tài)河工模型大糙率值的要求，且十字片加工鋪設(shè)方便，造價(jià)較低.

（2）通過(guò)試驗(yàn)研究了大小兩種糙片在不同間距下的槽底糙率值，表明相同大小的糙片，其糙率值隨著排列間距的增大而減小;同一排列間距的糙片，其糙率值則隨著水深的增大而減小.淮河正陽(yáng)關(guān)至渦河口河段采用間距為10cm的小糙片即可模擬河道主槽不同的糙率值，灘地糙率可采用間距11.5cm的大糙片進(jìn)行模擬，具體制作河工模型時(shí)仍需進(jìn)一步調(diào)整.

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