模袋混凝土衬砌渠道糙率系数的研究

张海玲，霍轶珍，高意如，郭彦芬

摘 要：以模袋混凝土全断面衬砌渠道为研究对象，伯努利能量方程作为指导，选取典型渠段，使用原型观测试验的方法研究糙率，结果表明：什巴分干渠糙率系数中0.021～0.023所占的个数最多。经数值模拟，得到的断面速度分布图与渠道原型观测得到的断面流速分布情况一致，对原型观测的结果进行校核，验证了原型观测数据的正确性。

关键词：模袋混凝土;原型观测;糙率;数值模拟

中图分类号：TV135.3             文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）11-0116-02

渠道防渗效果在很大程度上取决于渠道衬砌形式。渠道衬砌的形式是多种多样的，目前普遍采用的材料主要包括混凝上衬砌、膜料衬砌、土料衬砌等[1-2]。步丰湖[3]对河套灌区骨干渠道的非均质防渗衬砌结构的糙率进行了测量。何建京[4]对明渠非均匀流糙率系数及水力特性进行了研究。杨岑[5]通过对水力光滑壁面和三种不同粗糙程度的人工加糙壁面的阻力规律及紊动特性进行研究。本文以伯努利能量方程为指导，通过测量模袋混凝土衬砌渠道的断面尺寸、高程、布设测线、测量水面比降的原型观测方法进行研究。

1选择渠道

依据国家标准《灌溉渠道系统量水规范》（GB/T21303—2007），什巴分干渠第一节制闸渠段满足测流渠段平直、水流均匀，纵横断面比较规则、稳定，渠段平顺无分水口等条件 [6]。故通过比较，选取什巴分干渠第一节制闸渠段作为全模袋混凝土衬砌断面典型渠道。选择上、下2个测流渠段，测流断面尺寸实测值及测流断面尺寸见下表及下图。

表1 什巴分干渠第一节制闸下测流断面尺寸实测值

图1   测流渠段结构示意图

2原型观测方法

2.1控制方程

根据前期原型观测数据分析计算，考虑到渠道在实际运行中水流形态比较复杂，有时不满足明渠均匀流条件，为提高计算精度，后期采用伯努利能量方程推算渠床糙率系数，计算渠段上下游能量方程为[7]：

式中：z1和z2为上下游断面渠底高程，h1和h2为计算渠段上下游斷面的水深，V1和V2为计算渠段上下游断面的平均流速，g为重力加速度，hw为计算渠段上下游断面的水头损失，经推导计算得：

式中：

L—渠道上、下游两断面间长度;

—上、下游两断面水位差;

h—水深;   v1 、v2—上、下游两断面平均流速; g—重力加速度;

A1 、A2—上、下游两过水断面面积;

R1  、R2—上、下游两过水断面水力半径; J—水力坡度。

2.2计算方法

主要采用面积～流量法，即用流速仪分别测出若干部分面积的垂直于过水断面的部分平均流速，由各部分面积乘以相应部分平均流速即得部分流量，计算其代数和得出断面流量，断面流量除以断面面积得出断面平均流速。

3计算结果分析

由表2可知：在所测得的什巴分干渠糙率系数中0.021～0.023所占的个数最多。

4数值模拟验证

采用FLUENT数值模拟软件对典型渠道及测流断面建立二维模型，选择四边形网格划分，选取进口边界为速度进口、上部为大气进口、固体壁面采用标准函数法处理，水气交界面采用VOF方法处理。

加载典型渠道测流断面水力要素、壁面粗糙度等边界条件，计算渠道的流场，得出同一流量时不同水深的断面速度分布图。

图2  糙率为0.0230什巴分干渠断面流速分布图

经数值模拟，沿着渠底向水面的方向，流速逐渐增大，但是最大流速发生在液面以下。得到的断面速度分布图与渠道原型观测得到的断面点流速分布规律情况一致，通过数值模拟计算结果对糙率系数原型观测结果进行校核，验证了原型观测数据的正确性。

5结论

（1）以伯努利能量方程为指导，从什巴分干渠糙率系数测试值结果中看出，糙率系数0.021～0.023所占的个数最多。

（2） 壁面粗糙度按典型渠道糙率系数原型观测的计算结果加载，经数值模拟，得到的断面速度分布图与渠道原型观测得到的断面流速分布情况一致，对糙率系数原型观测结果进行校核，验证了原型观测数据的正确性。

（3）经数值模拟，沿着渠底向水面的方向，流速逐渐增大，但是最大流速发生在液面以下。

参考文献：

[1]邓军，许唯临.高水头岸边泄洪洞水力特性的数值模拟[J].水利学报，2005，36（10）：1209-1218.

[2]董曾南，王晋军，陈长植等.粗糙床面明渠均匀紊流水力特性[J].中国科学（A辑），1992，（5）：542- 547.

[3]步丰湖，张红岐，王庆文，等.衬砌渠道糙率取值方法的研究[J].内蒙古水利，2007（4）：144-146.

[4]何建京.明渠非均匀流糙率系数及水力特性研究[D].江苏： 河海大学.2003.

[5]杨岑.明渠均匀流糙率系数及紊动特性试验研究[D].陕西：西北农林科技大学 .2010.

[6]杨胜发，赵志舟，杨斌.支流入汇干流交界面数值模拟[J].重庆交通学院学报，2002，21（2）：115-118.

[7]吕宏兴，周维博，刘海军U 形渠道的水力特性及水力计算[J].灌溉排水，2004，23（4）：50-52.