不同加糙方式對(duì)明渠水力要素的影響探究

楊會(huì)朋，張思佳，田鵬偉，陳力暉，王志國

（1.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038； 2.河北工程大學(xué) 河北省智慧水利重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邯鄲 056038； 3.中國水利水電科學(xué)研究院 北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，北京 100038）

明渠是一種人工修建或自然形成的渠槽，當(dāng)水流通過渠槽流動(dòng)時(shí)會(huì)形成與大氣相接的自由表面，表面上各點(diǎn)壓強(qiáng)均為大氣壓強(qiáng)，這種渠槽中的水流稱為明渠水流或無壓流［1］。 明渠水流的水力計(jì)算是輸水工程設(shè)計(jì)必不可少的前提，不同加糙方式對(duì)水流特性的影響不同。 近年來，越來越多的學(xué)者研究糙率變化值與各水力要素之間的關(guān)系。 張紅光等［2］研究糙率突變時(shí)摩阻流速的變化情況及壁面切應(yīng)力的特點(diǎn)，結(jié)果表明糙率突變時(shí)相應(yīng)的摩阻流速會(huì)突增后趨于平緩；張曉朋等［3］研究不同水力要素對(duì)糙率影響的主次關(guān)系，結(jié)果表明弗勞德數(shù)與渠道平均水深對(duì)渠道糙率的影響較大；朱代臣等［4］進(jìn)行的Y 形梅花加糙試驗(yàn)表明，隨著糙體間距的增大，水流阻力逐漸減小后趨于平穩(wěn)值；林金裕［5］對(duì)渠道底部開展了不同間距的糙條加糙試驗(yàn)，結(jié)果表明流速隨著糙條間距的增大先快速增大后趨于平穩(wěn)值；李仟等［6］采用護(hù)岸草皮和三棱柱磚塊模擬糙率，并分析了不同條件下河道糙率、紊動(dòng)強(qiáng)度等的變化規(guī)律。 本研究通過在梯形渠道邊壁布置不同形式的糙體，分析布置形式發(fā)生變化時(shí)糙率、水流流速和水流縱向紊動(dòng)強(qiáng)度的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

本試驗(yàn)在長為4 m、底寬為0.35 m、高為0.16 m、邊坡系數(shù)為1.5、渠道底坡為0.000 04 的梯形渠道內(nèi)進(jìn)行，渠道橫斷面如圖1 所示。 渠道由磚砌而成，渠底和邊壁內(nèi)用水泥抹光。 選取長度為2 m 的渠道中間段為試驗(yàn)段，渠道前端預(yù)留1.4 m、尾端預(yù)留0.6 m 作為過渡段。 試驗(yàn)系統(tǒng)包括抽水泵、輸水塑料管、控制閥門、水槽、三角量水堰、凈水池、輸水渠道、梯形渠道等。 凈水池出口處設(shè)穩(wěn)流裝置，以保證水流平穩(wěn)進(jìn)入渠道中。在渠道末端安裝人字形尾門，通過調(diào)節(jié)尾門開關(guān)來調(diào)節(jié)渠道水位，以達(dá)到試驗(yàn)所需的水深。 在梯形邊壁試驗(yàn)段鋪設(shè)厚度為2 mm 的塑料板，加糙時(shí)將有機(jī)玻璃條使用AB 膠黏貼在塑料板上，有機(jī)玻璃條為等腰直角三棱柱狀，截面三角形直角邊長0.45 cm、底邊長0.60 cm，柱長2 cm。 試驗(yàn)工況分別為不加糙、Y 形矩形加糙、Y 形梅花加糙，3 種工況加糙間距依次減小，布置形式如圖2 所示。 針對(duì)3 種工況的設(shè)計(jì)水深h分別為6.4、11.2、14.4 cm，流量Q分別為5、7、9 L／s。 試驗(yàn)段內(nèi)水流方向?yàn)閥方向，每隔20 cm 設(shè)一個(gè)測(cè)量斷面，使用三維電磁流速儀進(jìn)行測(cè)量。 水深為6.4 cm 時(shí)，布置3 條測(cè)速垂線，水深為11.2、14.4 cm 時(shí)均布置5 條測(cè)速垂線，垂線間隔12.5 cm，每隔0.9 cm 布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖1 梯形渠道橫斷面（單位：cm）

圖2 糙體布置形式（單位：cm）

2 糙率的計(jì)算

明渠非恒定流糙率計(jì)算的曼寧公式為

式中：n為糙率；A為過水?dāng)嗝婷娣e；R為水力半徑；Q為流量；Zu、Zd為上、下游斷面水深；Au、Ad為上、下游斷面面積；Δs為兩過水?dāng)嗝嬷g的距離；g為重力加速度。

均勻流情況下，糙率可直接采用如下公式計(jì)算：

式中：v為斷面平均流速；J為水力坡降。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 斷面平均流速分布

圖3～圖5 為3 種工況下不同h時(shí)斷面平均流速分布，圖中橫坐標(biāo)表示各測(cè)量斷面到第一個(gè)測(cè)量斷面的縱向距離。

圖3 Q＝5 L／s 時(shí)不同h 對(duì)應(yīng)的斷面平均流速

圖4 Q＝7 L／s 時(shí)不同h 對(duì)應(yīng)的斷面平均流速

圖5 Q＝9 L／s 時(shí)不同h 對(duì)應(yīng)的斷面平均流速

可見，當(dāng)流量一定、h不變時(shí)，斷面平均流速隨著糙體間距的減小而減小，梅花加糙流速最小，矩形加糙次之，不加糙時(shí)斷面平均流速最大。 流量為5 L／s、h為14.4 cm 時(shí)，3 種工況的斷面平均流速差值不大，原因是當(dāng)h較大時(shí)，來流量大于尾門的泄流量，邊壁糙體對(duì)水流的作用力達(dá)到一定值，導(dǎo)致流速變化?。涣魉俨恢皇懿隗w的影響，還跟流量有關(guān)，當(dāng)流量增加至9 L／s時(shí)，h不變，尾門開度變大，流速變大，泄水量增大，糙體間距小時(shí)阻水作用大，符合上述加糙間距越小流速越小的規(guī)律。

3.2 糙率與h、Q 的關(guān)系

通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理，計(jì)算得到不同加糙方式、不同h、不同Q對(duì)應(yīng)的糙率，見表1。 當(dāng)h一定時(shí)，n隨流量的增大而減小。 原因是當(dāng)h一定時(shí)，流量變大，流速相應(yīng)增大，邊壁加糙體的阻水作用會(huì)相應(yīng)減小，當(dāng)增至一定流量時(shí)，渠道內(nèi)的糙體和水流接觸面積是一定的，糙體不再明顯影響水流阻力。

表1 不同加糙方式、不同h、不同Q 時(shí)的糙率

h較大時(shí)，隨流量增大n的變化比h較小時(shí)明顯。原因可能是試驗(yàn)渠道較窄，當(dāng)流經(jīng)渠道的流量較小時(shí)糙體的存在會(huì)產(chǎn)生一部分壅水，當(dāng)流經(jīng)渠道的流量增大時(shí)，水流流速變大，水流足夠快，壅水情況消失，故n變化較明顯。

當(dāng)Q、h一定時(shí)，糙率隨著糙體間距的增大而減小。 原因是當(dāng)糙體間距變大時(shí)，水流與渠道邊壁的作用力減小，流速增大，糙率變小。

3.3 紊動(dòng)強(qiáng)度分布特征

脈動(dòng)流速的均方根值與時(shí)均特征流速的比值稱為紊動(dòng)強(qiáng)度［1］。 本文主要考慮加糙體對(duì)水流縱向紊動(dòng)強(qiáng)度的影響。

式中：α代表x、y、z三個(gè)方向；σα為α方向的紊動(dòng)強(qiáng)度；vαi為α方向第i時(shí)刻的瞬時(shí)流速；ˉvα為α方向的時(shí)均流速；N為一段時(shí)間內(nèi)對(duì)某一點(diǎn)某一方向的測(cè)量次數(shù)。

通過試驗(yàn)研究了各工況下水流縱向紊動(dòng)強(qiáng)度的變化情況，本節(jié)選取距0 斷面120 cm 的6 斷面進(jìn)行分析，選距離中垂線12.5 cm 的左邊垂線進(jìn)行對(duì)比分析。不同工況下水流的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度見表2。

分析表2 得知：流量不變、測(cè)點(diǎn)水深一定時(shí)，縱向紊動(dòng)強(qiáng)度隨加糙間距的變大而減小。 梅花加糙時(shí)，水流的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度變化最大，矩形次之。 原因是梅花形布置的糙體與水流的接觸面較大，對(duì)水流產(chǎn)生擾動(dòng)作用大，進(jìn)而導(dǎo)致水流脈動(dòng)流速增大。 流量不變、不加糙時(shí)，水流的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度隨設(shè)計(jì)水深的變化不明顯；有糙體存在時(shí)，水流的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度隨著水深的增大而減小，這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)水深較大時(shí)，渠道中水流流速變小，水流流速相對(duì)于水深較小時(shí)較平穩(wěn)，脈動(dòng)流速小，所以縱向紊動(dòng)強(qiáng)度小。 當(dāng)設(shè)計(jì)水深不變、加糙方式一定時(shí)縱向紊動(dòng)強(qiáng)度隨流量的增大有所增大，但與設(shè)計(jì)水深和糙體間距對(duì)其產(chǎn)生的影響相比并不明顯。

表2 不同工況下水流的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度

4 結(jié)語

（1）加糙方式對(duì)水流特性會(huì)造成影響，梅花加糙比矩形加糙對(duì)水流的影響大，加糙后的糙率值也較大。

（2）斷面平均流速隨著糙體間距的增大而增大。當(dāng)設(shè)計(jì)水深較大時(shí)，大流量的斷面平均流速變化較小流量時(shí)明顯。

（3）加糙方式、流量相同時(shí)，糙率隨著設(shè)計(jì)水深的增大有所增大。 設(shè)計(jì)水深和加糙方式不變時(shí)，隨著流量的增大，糙率值有所減小。

（4）不加糙時(shí)，水流的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度隨設(shè)計(jì)水深的增加變化不明顯；流量一定、設(shè)計(jì)水深一定時(shí)，水流的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度隨加糙體間距的變大而減??；流量一定、加糙體間距不變時(shí)，水流的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度隨設(shè)計(jì)水深的增大而減??；設(shè)計(jì)水深一定、糙體間距不發(fā)生變化時(shí)，水流的縱向紊動(dòng)強(qiáng)度隨流量的增大逐漸增大，但趨勢(shì)與前兩者相比并不明顯。