骨干渠道糙率取值合理性测试研究

沈天升

摘要：在满足试验段选取原则的基础上，选取了不同断面形式与砌护材料形式的7个典型渠段进行渠道断面几何参数与水力要素原型监测试验，利用曼宁公式对实测数据进行计算得出渠道实测糙率，将单一衬砌材料糙率结合复合渠道设计与实测数据进行加权平均，计算得出两组糙率数值，并与实测、设计糙率进行对比，结合试验段具体情况对率定糙率值偏大的原因进行了分析。结果表明：率定糙率值偏大的主要原因为断面几何尺寸不标准、渠底比降不连续和渠道淤积。最终得出宁夏引黄灌区不同衬砌材料渠道的糙率，并结合国家及地方规范给出了各种砌护材料糙率的设计取值范围，为宁夏引黄灌区渠道设计糙率选取提供了依据。

关键词：衬砌材料；糙率；测试研究；宁夏引黄灌区

中图分类号：TV135.3

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.04.035

衬砌渠道糙率值的选取直接关系到渠道工程投资与运行管理。近年来，在渠道运行管理过程中，个别渠段运行后水位降幅达到50cm，甚至更大，对农田正常灌溉产生影响。分析其原因，发现随着施工水平的逐步提高以及工程质量的不断提升，可能在设计中糙率采用的规范值存在偏大现象。原型渠道的糙率观测值更能真实地反映衬砌材料糙率情况以及影响糙率的相关因素。笔者针对宁夏引黄灌区骨干渠道，選择不同衬砌结构类型典型渠段开展糙率原型观测与研究。

1 试验段选取

1.1 选取原则

国内外在渠道糙率原型观测方面已有一些相关的研究成果，笔者结合前人研究成果，本着最大程度减小误差的原则，对典型试验段的选取制定以下原则，以期在减小测量误差的基础上所得数据能真实反映砌护材料的糙率情况。

1.1.1 代表性原则

（1）流量代表性。为保证试验段的流量范围能涵盖宁夏引黄灌区绝大部分骨干渠道设计流量，按照灌溉渠道衬砌技术规范（DB64/T811-2012）的规定，流量划分为4个级别。

（2）断面形式与砌护材料代表性。目前宁夏灌区渠道衬砌所用的材料有混凝土预制板、现浇混凝土、格宾石笼、卵石或块石。混凝土板用于梯形渠道的全断面衬砌，现浇混凝土主要用于渠道的圆弧坡脚，格宾石笼主要用于地下水位高、流沙段等特殊条件下的渠道边坡及基础，卵石主要用于渠底，块石多用于浆砌石护坡基础或干砌石护坡。

1.1.2 测量方法规范化原则

（1）水流为明渠均匀流，试验渠段顺直，水流平稳，渠段长度应大于1km。

（2）试验渠段纵横断面规则、稳定，衬砌材料一致。

（3）试验渠段无闸、坎等建筑物。

（4）测流断面附近不宜有影响水流的建筑物和树木杂草等，不受上游建筑物泄流和下游建筑物回水影响。

1.1.3 有利于监测的原则

（1）试验段区间内应至少有一处踏步。

（2）试验段区间应基本整洁，无杂草或垃圾堆积。

（3）试验段至少单侧渠堤道路通畅。

（4）试验段停水期渠底无积水。

（5）测流断面处应有固定水尺，便于实时观测水位。

（6）应优先选择渠道管理单位现有测水断面。

1.2 渠段选取

本试验共选取试验段7个。断面包括梯形、弧底梯形、圆弧坡脚梯形3种形式：砌护材料有全断面现浇混凝土、全断面预制混凝土板、弧脚现浇+边坡与渠底预制、弧底现浇+边坡预制以及格宾石笼与现浇混凝土板+预制混凝土板相组合的复合衬砌形式。具体砌护结构以及各水力要素设计参数见表1。

2 测量的内容与要求

（1）断面几何尺寸。主要有渠底宽度、坡度、网弧坡脚长度、网弧段弦长、弧高、渠道比降等。

（2）测量精度要求：底宽为±1c：m，坡度为±l°，圆弧坡脚长度为+2Cm，弧高为±5mm，圆弧段弦长为+2cm，渠底高差为+5mm。

（3）水力学要素。测流断面水力学要素主要包括水深、流速、流量，其中流量选取相对设计流量的80%～100%、60%～75%、40%～55%共3个流量级别。

3 测量结果分析与评价

对所选7个典型渠段断面几何尺寸与水力学要素进行测量，得到15组实测数据，利用曼宁公式对渠道糙率计算进行反推，计算公式为式中：v为渠道断面流速，m3/s；R为渠道水力半径，m；i为渠道比降。

计算结果见表3。将实测数据推算的糙率值与设计值进行对比，实测值大于设计值的占73%，实测值小于设计值的占27%。

3.1 单一渠道糙率计算

（1）现浇混凝土渠道（固海三干渠）。全断面现浇混凝土梯形断面，应用实测数据对糙率进行计算，计算糙率为0.0155，比设计值0.0140大，其原因：一是该渠段为傍山渠道，影响整个渠道的顺直和断面几何尺寸的标准程度：二是设计比降为1/6000，而实测比降为1/4545，是导致该渠段实测糙率比设计值大的主要因素：三是实测条件与设计条件不完全一致，实测水力要素与设计水力要素存在不同程度的偏差，也导致渠道实测糙率偏大。根据罗光兰提出的渠道弯道糙率附加值，结合该试验段实际情况，将该试验段渠道糙率减去弯道附加值0.002，最终得出实测现浇混凝土糙率值为0.0135。

（2）预制混凝土板渠道（固海二干渠、盐环一干渠）。固海二干渠渠段为全断面预制混凝土板梯形断面，计算糙率为0.0154，与设计值0.0160较为接近，误差在5%以内，导致实测数据率定糙率与设计值产生偏差的主要因素为比降偏差。

盐环一干渠渠段为全断面预制混凝土板衬砌梯形断面，根据3组实测数据计算的糙率分别为0.0166、0.0145、0.0144，均小于设计值0.0170。将所测数据进行平均，得出实测预制混凝土板糙率为0.0152。

（3）格宾石笼渠道（西干渠镇北堡拦洪库段）。该渠段为复合材料衬砌形式，圆弧坡脚梯形断面，格宾石笼左岸边坡+渠底、预制混凝土板边坡、右岸现浇混凝土圆弧坡脚衬砌形式，实测糙率为0.0229，大于设计值0.0202。

3.2 复合渠道糙率计算

复合渠道是由两种或两种以上衬砌材料组合而成的，设计过程中复合渠道糙率一般由单一衬砌材料糙率通过湿周加权平均计算得到。本试验利用曼宁公式将实测数据代人计算公式可直接得到复合渠道糙率，但是由于测量过程中试验段出现了淤积、几何尺寸偏差等问题，使得实测糙率存在一定的偏差，因此根据单一衬砌材料糙率值与实测断面几何尺寸、水力要素计算复合渠道糙率，将所得数值与实测值进行比对，应用单一衬砌材料糙率值与设计断面几何尺寸、水力要素计算复合渠道糙率值，与设计值进行比对，分析复合渠道糙率值与单一衬砌材料糙率值的合理性。计算结果见表4。

3.3 渠道糙率取值推荐

本试验所得现浇混凝土糙率为0.0135，预制混凝土板糙率为0.0152，格宾石笼糙率为0.0290，实测复合渠道糙率均大于设计值。《渠道防渗工程技术规范>（SL18-2004）中规定现浇混凝土渠道糙率取值为0.015、预制混凝土板糙率取值为0.016～0.018。《灌溉渠道衬砌工程技术规范>（DB64/T811-2012）中给出现浇混凝土糙率为0.014，预制混凝土板糙率为0.015，铅丝石笼（块石）糙率为0.026。结合本试验结果，推荐现浇混凝土糙率为0.0135～0.0145，预制混凝土板的糙率为0.014～0.016，格宾石笼填充卵石的糙率为0.024～0.030、填充块石的糙率为0.025～0.029，卵砾石糙率为0.025～0.030。

4 结论

本研究在满足测流试验段选取的3个原则的基础上选取了7个典型试验段进行渠道断面几何尺寸与水力学要素的原型监测，利用曼宁公式反推渠道糙率，将所得结果与设计数据进行对比，并结合试验段具体情况进行分析，最终给出了不同材料糙率建议取值。

（1）以体现渠道衬砌材料、结构、型式的普遍性、特殊性为基本原则，确定了流量、断面形式与衬砌材料等代表性指标，完成了相关测量工作。

（2）通过试验段原型观测，利用曼宁公式计算出单一衬砌材料糙率，现浇混凝土为0.0135，预制混凝土板为0.0152，格宾石笼（块石）为0.0290，并利用单一衬砌材料糙率加权平均计算了复合渠道糙率，与实测、设计两组数值进行对比，结果发现计算糙率均小于实测与设计糙率：结合试验段具体情况，认为率定糙率值偏大的主要原因为断面几何尺寸不标准、渠底比降不连续和渠道淤積。

（3）依据现行的相关国家和行业标准，结合试验成果，提出了不同衬砌材料推荐糙率取值范围：现浇混凝土糙率为0.0135～0.0145，预制混凝土板糙率为0.014～0.016，格宾石笼填充卵石糙率为0.024～0.030、填充块石糙率为0.025～0.029，卵砾石糙率为0.025～0.030。