模袋混凝土復(fù)合斷面襯砌渠道糙率系數(shù)原型觀測(cè)試驗(yàn)研究

翟東漢，何武全,2，賴紅兵，婁宗科，霍軼珍

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；3.中華人民共和國(guó)水利部,北京 100053；4.河套學(xué)院，內(nèi)蒙 巴彥淖爾 015000)

隨著水資源的日益緊缺，水資源的優(yōu)化配置及節(jié)水灌溉的實(shí)施變得越來(lái)越重要，我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，通過(guò)進(jìn)行渠道襯砌防滲的方式來(lái)節(jié)約水資源是緩解農(nóng)業(yè)用水壓力的重要途徑之一[1]。渠道襯砌防滲可以有效減少輸水過(guò)程中的滲漏損失，是目前應(yīng)用最廣泛的節(jié)水灌溉工程技術(shù)措施之一[2]。然而，凍脹破壞是制約我國(guó)北方寒冷地區(qū)渠道襯砌防滲工程建設(shè)的一個(gè)關(guān)鍵因素，為了解決這一問(wèn)題，近年來(lái)北方灌區(qū)引進(jìn)了模袋混凝土渠道襯砌技術(shù)。模袋混凝土是由上下兩層高質(zhì)量機(jī)織化纖布制成模袋，內(nèi)充混凝土或砂漿凝結(jié)后形成高密度、高強(qiáng)度的固結(jié)體，具有施工機(jī)械化程度高、施工速度快、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、抗凍脹性能好等優(yōu)點(diǎn)[3-5]。我國(guó)北方寒冷地區(qū)已有大量工程成功運(yùn)用模袋混凝土渠道襯砌技術(shù)，如河套灌區(qū)的東風(fēng)一干渠渠道襯砌防滲工程、沈陽(yáng)市渾浦灌區(qū)渠道防滲襯砌工程、引灤輸水明渠護(hù)坡工程等[6-8]。目前，模袋混凝土襯砌渠道的形式分為全斷面襯砌和復(fù)合斷面襯砌，主要應(yīng)用于大中型渠道，當(dāng)?shù)叵滤宦裆钶^大、渠道底寬較窄時(shí)，通常采用模袋混凝土全斷面襯砌形式；當(dāng)?shù)叵滤惠^高、凍脹破壞嚴(yán)重時(shí)，通常采用復(fù)合斷面(邊坡為模袋混凝土，渠底為砂礫石或土基)襯砌形式。國(guó)內(nèi)對(duì)復(fù)合斷面襯砌渠道的糙率系數(shù)已經(jīng)有了一些研究，黃寬淵[9]對(duì)濕周上有多種糙率的渠道開(kāi)展研究，推導(dǎo)出了綜合糙率計(jì)算公式；張紅岐[10]借助河套灌區(qū)多年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)擬合的方式得出了不同襯砌材料組成的復(fù)合渠道的糙率系數(shù)計(jì)算公式。但是，模袋混凝土襯砌技術(shù)由于引進(jìn)時(shí)間較短，仍屬于新工藝、新技術(shù)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中尚未給出模袋混凝土襯砌渠道糙率系數(shù)的取值范圍，也沒(méi)有模袋混凝土復(fù)合斷面襯砌渠道糙率系數(shù)的計(jì)算公式，實(shí)際工程應(yīng)用中設(shè)計(jì)人員一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用，誤差較大。糙率系數(shù)是渠道斷面設(shè)計(jì)中重要的技術(shù)參數(shù)之一，是用來(lái)衡量渠道邊壁的凹凸程度和壁面粗糙程度對(duì)水流流動(dòng)產(chǎn)生影響的計(jì)算系數(shù)，它直接影響渠道的工程量和實(shí)際輸水效果[11]。在水力計(jì)算中，糙率系數(shù)取值的準(zhǔn)確性對(duì)工程造價(jià)和安全有很大影響[12]。南水北調(diào)中線工程的北京干線經(jīng)評(píng)估，糙率系數(shù)值每下降0.001，工程投資就會(huì)減少數(shù)億元[13]。由此可見(jiàn)，在大型渠道輸水工程建設(shè)中，糙率系數(shù)取值的大小，對(duì)工程量和工程造價(jià)的影響是巨大的。通過(guò)原型觀測(cè)對(duì)襯砌防滲渠道的糙率系數(shù)開(kāi)展研究是一種行之有效的手段。孟立敏[14]利用曼寧公式計(jì)算不同水深和流量條件下不同襯砌材料組成的復(fù)合渠道糙率系數(shù)，并利用寧夏引黃灌區(qū)復(fù)合渠道糙率系數(shù)的原型觀測(cè)結(jié)果對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行了驗(yàn)證；張建斌等[15]在寧夏引黃灌區(qū)選取了具有代表性的11條不同流量級(jí)別的骨干渠道,開(kāi)展襯砌渠道原型糙率觀測(cè)試驗(yàn)，提出了不同襯砌材料的建議取值。雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)渠道糙率系數(shù)有了很多的研究，但是對(duì)于邊坡采用模袋混凝土襯砌、渠底采用砂礫石砌護(hù)的模袋混凝土復(fù)合斷面襯砌渠道的原型觀測(cè)試驗(yàn)尚未見(jiàn)到文獻(xiàn)資料。本文在河套灌區(qū)什巴分干渠和建設(shè)二分干渠選取模袋混凝土復(fù)合斷面襯砌渠道試驗(yàn)渠段，開(kāi)展原型觀測(cè)試驗(yàn)，測(cè)定復(fù)合斷面模袋混凝土襯砌渠道糙率系數(shù)，并進(jìn)行誤差分析，對(duì)模袋混凝土技術(shù)在渠道襯砌與防滲工程中的進(jìn)一步應(yīng)用具有重要意義。

1 原型觀測(cè)試驗(yàn)

1.1 測(cè)試渠段的選擇

進(jìn)行襯砌渠道糙率系數(shù)的原型觀測(cè)試驗(yàn)時(shí)，觀測(cè)斷面的選取特別重要。本次試驗(yàn)分別在河套灌區(qū)什巴分干渠(0+200～2+216)、建設(shè)二分干渠(1+910～3+040)布設(shè)測(cè)流段面，測(cè)流渠段要求滿足以下條件：(1)測(cè)流面所在渠段順直、水流均勻平穩(wěn)，均勻無(wú)回流，測(cè)流面與水流方向垂直；(2)測(cè)橋架設(shè)前后1 km內(nèi)均無(wú)水閘、坎等建筑物，不受上游建筑物泄流和下游建筑物回水影響；(3)測(cè)流段內(nèi)無(wú)沖刷淤積；(4)測(cè)流段所處區(qū)域交通通暢，便于儀器設(shè)施等運(yùn)送、安裝。

1.2 試驗(yàn)渠段基本情況

什巴分干渠從豐濟(jì)干渠第二節(jié)制閘引水，分干渠全長(zhǎng)32.1 km，設(shè)計(jì)引水流量為22.0 m3·s-1，加大流量26.0 m3·s-1。渠道防滲襯砌采用梯形斷面，渠道兩邊坡鋪設(shè)15 cm厚模袋混凝土防滲襯砌，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25、抗凍等級(jí)為F200、抗?jié)B等級(jí)為W6, 底部為經(jīng)平整后的砂礫石。什巴分干渠試驗(yàn)渠段(0+200～2+216)長(zhǎng)度2.016 km。

建設(shè)二分干渠開(kāi)口于烏蘭布和灌域一干渠第一節(jié)制閘，全長(zhǎng)31.98 km，設(shè)計(jì)流量為15 m3·s-1，加大流量18 m3·s-1。渠道防滲襯砌采用梯形斷面，渠道兩邊坡鋪設(shè)15 cm厚模袋混凝土防滲襯砌，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25、抗凍等級(jí)為F200、抗?jié)B等級(jí)為W6，底部為經(jīng)平整后的砂礫石。建設(shè)二分干渠試驗(yàn)渠段(1+910～3+040)長(zhǎng)度1.130 km。

測(cè)流斷面尺寸及斷面水力參數(shù)見(jiàn)表1，斷面結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

表1 測(cè)流斷面尺寸及水力參數(shù)表

H：渠深(m)；h：設(shè)計(jì)水深(m)；B：渠口寬(m)；b：渠底寬(m)；m1：右岸邊坡系數(shù)；m2：左岸邊坡系數(shù)H：Ditch depth(m) ；h：Design water depth(m) ；B：Channel width bottom(m)； b：Width of canal slope(m)；m1：Coefficient of right bank ；m2：Slope coefficient of left bank圖1 渠道測(cè)流斷面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Channel flow measurement schematic cross-sectional structure

1.3 觀測(cè)內(nèi)容及方法

結(jié)合試驗(yàn)渠段斷面形式和襯砌結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)?nèi)容包括渠道斷面尺寸、斷面水深、斷面流量等。渠道斷面尺寸采用鋼卷尺和水準(zhǔn)儀測(cè)量；渠底高程測(cè)量采用精度為1 mm的DS1型水準(zhǔn)儀；流量采用測(cè)速范圍在0.2～3.5 m·s-1，精度為1.5%的SL68型旋杯式流速儀測(cè)量平均流速，計(jì)算出斷面流量。流速采用精測(cè)法測(cè)量[16]，在觀測(cè)斷面上布設(shè)7條測(cè)線，根據(jù)水深情況確定垂線上測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)，用面積-流速法處理測(cè)定結(jié)果，即用流速儀分別測(cè)出由測(cè)速垂線分隔的若干部分面積的部分平均流速，然后乘以部分過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，求得該部分流量，再計(jì)算其代數(shù)和得出斷面流量，由斷面流量與過(guò)水?dāng)嗝婵偯娣e求得斷面平均流速；水深用精密水準(zhǔn)儀和精度為1 mm的水尺測(cè)量。流量和水深測(cè)量時(shí)結(jié)合灌區(qū)灌溉用水情況，什巴分干渠測(cè)試時(shí)間為2017年10月19日—10月28日，水溫為3℃；建設(shè)二分干渠測(cè)試時(shí)間為2017年10月29日—11月4日，水溫為2℃。每組數(shù)據(jù)上下游斷面同時(shí)測(cè)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 糙率系數(shù)計(jì)算公式

測(cè)定渠段水流假定為恒定非均勻流，渠道上下游斷面能量守恒，其基本公式為：

(1)

其中

(2)

(3)

(4)

由(1)～(4)式可得，恒定非均勻流渠道糙率系數(shù)的計(jì)算公式為：

(5)

式中,n為渠道糙率系數(shù)；Q為流量；h1為上斷面水深，h2為下斷面水深；A1為上斷面面積，A2為下斷面面積；L為渠道長(zhǎng)度，g為重力加速度，i為底坡。

其中

(6)

2.2 原型觀測(cè)結(jié)果

根據(jù)觀測(cè)渠段斷面尺寸、什巴分干渠測(cè)得的水深與流量，利用式(5)就可以計(jì)算出觀測(cè)渠道的糙率系數(shù)。原型觀測(cè)數(shù)據(jù)及糙率系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可得，什巴分干渠糙率系數(shù)最大值為0.0267，糙率系數(shù)最小值為0.0251，平均值為0.0259。建設(shè)二分干渠糙率系數(shù)最大值為0.0279，糙率系數(shù)最小值為0.0264，平均值為0.0272。什巴分干渠和建設(shè)二分干渠模袋混凝土復(fù)合斷面襯砌渠道糙率系數(shù)范圍為0.0251～0.0279，平均值為0.0265。

表2 原型觀測(cè)數(shù)據(jù)及糙率系數(shù)計(jì)算結(jié)果

3 糙率系數(shù)測(cè)定的誤差分析

3.1 糙率系數(shù)測(cè)定誤差與水力測(cè)量誤差的函數(shù)關(guān)系

在渠道糙率系數(shù)原型觀測(cè)過(guò)程中，由于儀器精度及人為操作等問(wèn)題，測(cè)得的流量、水深等水力參數(shù)存在一定誤差，由此產(chǎn)生的誤差會(huì)導(dǎo)致測(cè)定的糙率系數(shù)產(chǎn)生誤差。渠道糙率系數(shù)試驗(yàn)中，需要測(cè)量上、下游斷面面積A1、A2，渠底比降i，渠道長(zhǎng)度L，渠道流量Q，上下游水深h1、h2等參數(shù)。渠道斷面面積、渠底比降、渠道長(zhǎng)度采用精密水準(zhǔn)儀和鋼尺測(cè)量，精度高、誤差小，對(duì)糙率系數(shù)測(cè)定結(jié)果影響較??；流量和水深測(cè)量采用SL68型旋杯式流速儀和水尺，由于渠道斷面流速分布不均，水面波動(dòng)等影響，流量和水深的測(cè)量誤差較大，對(duì)糙率系數(shù)測(cè)定結(jié)果影響較大。因此，糙率系數(shù)原型觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生誤差的主要影響因素為流量和水深。因此，為了分析模袋混凝土復(fù)合襯砌渠道糙率系數(shù)測(cè)定的誤差，建立了觀測(cè)斷面水力 測(cè)量誤差與渠道糙率誤差之間的函數(shù)關(guān)系。

當(dāng)測(cè)得渠道斷面流量與水深時(shí)，可以用公式(5)計(jì)算渠道的糙率系數(shù)。由于流量和水深測(cè)量值存在誤差，獲得的糙率值也存在誤差[17]。假設(shè)流量測(cè)量誤差為ΔQ，上斷面水深誤差為Δh1，下斷面水深誤差為Δh2，則糙率誤差的數(shù)學(xué)描述為：

(7)

式中,Δn=nr-n，Δh1=h1r-h1,Δh2=h2r-h2下標(biāo)r為準(zhǔn)確值，Q、h1、h2為測(cè)量值；?n/?Q、?n/?h1、?n/?h2是對(duì)(5)式分別求Q、h1、h2的偏導(dǎo)數(shù)。

對(duì)(5)式分別求偏導(dǎo)數(shù)可得：

(8)

(9)

(10)

其中：

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

將算得的?n/?Q、?n/?h1、?n/?h2代入式(7)，可得渠道糙率誤差。在測(cè)量設(shè)備誤差給定情況下，渠道糙率最大誤差是：

(17)

或者

|Δn|max≤|ΔnQ|+|Δnh1|+|Δnh2|

(18)

其中，ΔnQ=(?n/?Q)×ΔQ為糙率的流量測(cè)量誤差分量，Δnh1=(?n/?h1)×Δh1為糙率的上斷面水深測(cè)量誤差分量，Δnh2=(?n/?h2)×Δh2為糙率的下斷面水深測(cè)量誤差分量。從公式(17)或(18)可以看出，只要已知流量和水深的水力參數(shù)測(cè)量誤差，計(jì)算出流量測(cè)量誤差分量和水深測(cè)量誤差分量，就可以計(jì)算得到渠道糙率系數(shù)測(cè)定的誤差。

3.2 糙率測(cè)定誤差計(jì)算與分析

對(duì)什巴分干渠和建設(shè)二分干渠試驗(yàn)渠段糙率系數(shù)測(cè)定值進(jìn)行誤差計(jì)算。因?yàn)橛^測(cè)流量用的SL68型旋杯式流速儀測(cè)速范圍在0.2～3.5 m·s-1，精度為1.5%，測(cè)水深用的精密水準(zhǔn)儀、水尺精度為1 mm。故分別計(jì)算ΔQ/Q=1%、Δh=0.5 mm，ΔQ/Q=1.5%、Δh=1 mm條件下測(cè)流斷面的測(cè)定誤差。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3和表4，渠道糙率隨流量變化的誤差曲線圖見(jiàn)圖2。

表3 什巴分干渠、建設(shè)二分干渠糙率的誤差(ΔQ/Q=1%、Δh=0.5 mm)

表4 什巴分干渠、建設(shè)二分干渠糙率的誤差(ΔQ/Q=1.5%、Δh=1 mm)

圖2 渠道糙率誤差曲線Fig.2 Error curve of channel roughness

從表3和表4可以看出，測(cè)量水深、流量過(guò)程中，微小的水力測(cè)量誤差可能產(chǎn)生較大的渠道糙率測(cè)定誤差，經(jīng)計(jì)算，什巴分干渠、建設(shè)二分干渠原型觀測(cè)的糙率誤差最大可達(dá)5.037%。由表3、表4和圖2可以看出，引起渠道糙率誤差的關(guān)鍵因素是糙率的水深誤差分量|Δnh|/n，且上、下游水深誤差分量近似相等，即|Δnh1|/n≈|Δnh2|/n，當(dāng)建設(shè)二分干渠的流量為9.179 9 m3·s-1時(shí)，測(cè)量誤差最大為1.543%，此時(shí)上、下游水深測(cè)量誤差分別為2.0791%、2.0577%；當(dāng)什巴分干渠的流量15.4465 m3·s-1時(shí)，測(cè)量誤差最大為0.971%，此時(shí)上、下游水深測(cè)量誤差分別為2.404 8%、2.553 9%，水深誤差大小近似相等，但均大于流量測(cè)量誤差，糙率測(cè)定的流量誤差分量|ΔnQ|/n很小且穩(wěn)定，說(shuō)明本次試驗(yàn)觀測(cè)流量用的SL68型旋杯式流速儀工作穩(wěn)定，試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。

由圖2可看出，最大相對(duì)誤差近似等于上下游水深測(cè)量誤差之和，即|Δn|max/n≈|Δnh1|/n+|Δnh2|/n，因此，本次試驗(yàn)誤差主要來(lái)源于測(cè)量水深讀水尺時(shí)產(chǎn)生的誤差，且水深誤差分量隨著過(guò)水流量的增大而減小，對(duì)同一渠道而言，渠道水深會(huì)隨著斷面流量的增大而增大，隨著渠道水深的增大，讀水尺產(chǎn)生誤差所占比例變小，因此對(duì)同一渠道而言，糙率的水深誤差分量隨著斷面流量的增大而減小，最大誤差可達(dá)2.554%，從而引起的最大絕對(duì)誤差可達(dá)5.037%。因此，建議今后測(cè)量時(shí)，采用更高精度的水深測(cè)量?jī)x器，可有效減小渠道糙率測(cè)定誤差。

4 結(jié) 論

1)對(duì)模袋混凝土護(hù)坡、砂礫石護(hù)底的復(fù)合斷面襯砌渠道開(kāi)展了糙率原型觀測(cè)試驗(yàn)，引水流量為9.7～20 m3·s-1?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)計(jì)算了不同流量下什巴分干渠、建設(shè)二分干渠模袋混凝土復(fù)合斷面襯砌渠道糙率系數(shù)范圍為0.025 1～0.027 9，平均糙率為0.026 5。

2)通過(guò)渠道水力測(cè)量誤差對(duì)渠道糙率測(cè)定影響的研究，建立了水力測(cè)量誤差與渠道糙率誤差之間的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算分析了什巴分干渠、建設(shè)二分干渠實(shí)測(cè)流量、水深產(chǎn)生的糙率計(jì)算誤差，計(jì)算得到本次原型觀測(cè)糙率測(cè)定最大誤差為5.037%。

3)通過(guò)誤差分析發(fā)現(xiàn)，流量測(cè)量誤差很小，本次試驗(yàn)觀測(cè)流量用的SL68型旋杯式流速儀工作穩(wěn)定，試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠。水深測(cè)量誤差偏大，最大可達(dá)2.254%。最大相對(duì)誤差近似等于上下游水深測(cè)量誤差之和，即|Δn|max/n≈|Δnh1|/n+|Δnh2|/n，建議以后進(jìn)行原型觀測(cè)試驗(yàn)，水深等應(yīng)采用精度更高的儀器測(cè)量，最大化減小測(cè)量誤差對(duì)糙率系數(shù)計(jì)算的影響。