趙錦程，邱秀云，杜利霞，惠 康，陳 超

(新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊 830052)

底坡對人工渠道糙率影響的試驗

趙錦程，邱秀云，杜利霞，惠 康，陳 超

(新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊 830052)

為探究不同底坡對渠道糙率的影響，采用9種不同底坡的人工渠道，在6種不同的流量條件下研究糙率隨底坡和流量變化的規(guī)律。試驗結果表明:在明渠均勻流條件下，隨著底坡的變化，渠道糙率存在3種不同的變化規(guī)律。當Fr＜1時，隨著流量的增大，糙率逐漸減小;當1＜Fr＜1.51時，隨著流量的增大，糙率先減小后增大;當Fr＞1.51時，隨著流量的增大糙率逐漸增大。當流量相同時，隨著底坡的增大，糙率逐漸增大。在緩流渠道中，渠道糙率隨底坡變化的速率很快;在急流渠道中，渠道糙率隨底坡變化的速率較慢，糙率趨于某一常數。

糙率;底坡;均勻流;人工渠道;試驗研究

明渠是一種具有自由表面水流的渠道。明渠水流的水力計算是水利工程計算中一個重要的組成部分，其中糙率的確定對于工程設計及投資具有非常重要的意義［1-2］。多年來，國內外很多學者對糙率的變化規(guī)律進行了理論分析和試驗研究［3-11］。馬吉明等［12］對南水北調中線工程的寬淺渠道進行模型試驗，認為對于水力半徑較大、斷面形狀和尺寸一定的渠道來說，糙率將隨流量的加大而加大。而楊岑等［13］采用3種不同粗糙度的人工加糙渠道進行試驗，得出同一粗糙度的明渠糙率隨流量的增加呈對數減小的趨勢。二者所得結論恰好相反。由此可以看出，關于糙率隨流量的變化規(guī)律目前還沒有定論。尋求糙率的變化規(guī)律是水力學中的重要課題，解決該課題，將會對水力學等相關學科的發(fā)展有重要意義。

筆者在總結前人研究成果的基礎上，試驗分析了不同底坡條件下明渠均勻流糙率隨流量的變化規(guī)律，探究糙率與不同水力要素間的相互關系，為進一步研究糙率的特性以及選取、修正水力計算中糙率的取值提供了依據。

1 試驗布置及方案

1.1 試驗布置

試驗在新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院水力學實驗室水工大廳進行，采用長10 m、寬0.36 m、深0.29 m的PVC板矩形渠道，底板下放置鋼梁以便后期調整渠道坡度。試驗系統(tǒng)包括泵房、供水管道、調節(jié)閥門、三角形量水堰、矩形量水堰、水箱、地下回水渠道。為了獲得試驗所需要的明渠均勻流，在渠道前端安設水箱，用以穩(wěn)定水流，當固定流量條件下的上下游水位穩(wěn)定時，便形成了明渠恒定流。試驗中取渠道中間均勻流段為量測對象。試驗系統(tǒng)見圖1。

1.2 試驗方案

由于要對渠道的底坡進行多次調整，故在渠道底板上架設了鋼梁，當要調整一個新的底坡，先將水箱與渠道進行分離，再對渠道底坡進行調整。為保證渠道底坡的精度，將分離后的渠道分為10個斷面，通過水準儀控制每個斷面的高程。水準儀的測量精度為0.1 mm。

如圖1 所示，取 0+03.00、0+05.00、0+07.00作為測量水深的斷面。使用水位測針對水深進行測量。每個測量斷面分別布置左、中、右3個測點，其中左、右測點距離邊壁5cm，中間測點為斷面的中心點，距離邊壁18 cm，計算時采用以上3點的均值。選取 0.000 5、0.001、0.002、0.004、0.006、0.008、0.01、0.02、0.03共9種不同的底坡進行試驗。試驗中通過流量調節(jié)閥門和上下游量水堰控制流量大小及其精度。每種底坡條件下均選取6組流量，試驗流量的變化范圍為0.013～0.028 m3/s，流量調節(jié)幅度為0.003 m3/s。共進行了6×9=54組試驗。

圖1 試驗系統(tǒng)

2 試驗結果及分析

由明渠均勻流公式(式(1))和曼寧公式(式(2))可得糙率的計算表達式(式(3)):

式中:Q為渠道過水流量，m3/s;A為過水斷面面積，m2;C為謝才系數;R為斷面的水力半徑，m;i為渠道底坡;n為糙率。

試驗中分別量測出不同底坡所對應的流量、水深，然后利用式(3)計算不同底坡、不同流量所對應的糙率，計算結果見表1。

2.1 糙率與流量的關系

根據表1繪制出不同坡度下的Q-n關系曲線，見圖2。

圖2 不同底坡下的Q-n關系曲線

由表1和圖2可以看出，當i=0.000 5、0.001、0.002時，隨著Q的增大，n逐漸減小，此時Fr＜1，屬于緩流;當i=0.004、0.006、0.008時，n先隨著Q的增大而減小，達到某一值后再隨Q的增大而增大，此時Fr＞1，屬于急流，Fr在1.07＜Fr＜1.51范圍內;當i=0.01、0.02、0.03時，隨著Q的增大，n逐漸增大，此時Fr＞1，屬于急流，Fr＞1.51。

由此筆者認為，糙率隨流量的變化關系與流態(tài)有關。緩流中，隨著流量的增大，糙率減小;急流中，當1＜Fr＜1.51時，糙率先隨著流量的增大而減小，達到某一值后再隨流量的增大而增大，稱此段為緩流向急流的過渡段;當Fr＞1.51時，糙率隨流量的增大而增大。

李榕［3］曾通過量綱分析法導出以下公式:

式中:ns為Fr=1時的糙率;α為系數;R為水力半徑;ˉh為平均水深;A為過水斷面積;B為自由水面寬度。

由式(4)可以看出，當流動為緩流，即Fr＜1時，ˉh/R值的增大會引起n的減小;當流動為急流，即Fr＞1時，ˉh/R值的增大會引起糙率的增大。由本試驗可得，隨著流量的增大，ˉh/R值亦增大。由此得出，本試驗所得結論與式(4)是一致的。

2.2 糙率與底坡的關系

圖3為不同流量條件下的i-n關系曲線。由圖3可以看出，當流量相同時，隨著底坡的增大，糙率逐漸增大。同時還可以看出，當底坡i=0.000 5、0.001、0.002時，渠道糙率隨底坡變化的速率很快。由表1知，此時Fr＜1，為緩流流態(tài)。當底坡i=0.004、0.006、0.008、0.01、0.02、0.03 時，渠道糙率隨底坡變化的速率較慢，糙率趨于穩(wěn)定。由表1知，此時Fr＞1，為急流流態(tài)。

圖3 不同流量下的i-n關系曲線

由此可以得出結論，在緩流渠道中，渠道糙率隨底坡變化的速率很快;在急流渠道中，渠道糙率隨底坡變化的速率較慢，糙率趨于某一常數。

3 結語

通過對不同底坡的矩形人工渠道的試驗研究，得出以下幾點結論:①糙率隨流量的變化關系與流態(tài)有關。緩流中，糙率隨著流量的增大而減小;急流中，當1＜Fr＜1.51時，糙率先隨著流量的增大而減小，達到某一值后再隨流量的增大而增大;當Fr＞1.51時，糙率隨流量的增大而增大。②當流量相同時，隨著底坡的增大，糙率逐漸增大。在緩流渠道中，渠道糙率隨底坡變化的速率很快;在急流渠道中，渠道糙率隨底坡變化的速率較慢，糙率趨于某一常數。

本試驗僅對PVC板的矩形渠道進行了研究，所得結果僅僅表明糙率隨流量的變化規(guī)律以及底坡對粗糙的影響。至于渠道邊壁的絕對粗糙度、斷面形狀對粗糙的影響尚未涉及。

［1］邱秀云.水力學［M］.烏魯木齊:新疆電子出版社，2008.

［2］呂宏興，路澤生，欒維功，等.引洮供水一期工程總干渠糙率原型觀測:糙率原型觀測結果及經濟效益［J］.長江科學院院報，2010，27(2):37-41.(L¨U Hongxing，LU Zesheng，LUAN Weigong，et al.Prototype observation research on roughness of main channel of Taohe River Water Transfer First-phase Project:result and economic benefit of prototype observation［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27(2):37-41.(in Chinese))

［3］李榕.關于影響曼寧粗糙系數n值的水力因素探討［J］.水利學報，1989，19(12):62-66.(LI Rong.About the factors influencing the manning roughness coefficientnvalue of hydraulic［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1989，19(12):62-66.(in Chinese))

［4］董槐三，陳耀忠.引灤入津隧洞糙率的原型觀測［J］.水力發(fā)電，1987(3):46-52.(DONG Huaisan，CHEN Yaozhong.Prototype observation of tunnel roughness for water diversion tunnel from Luanhe River to Tianjin City［J］.Journal of Hydroelectric Power，1987(3):46-52.(in Chinese))

［5］曾祥，黃國兵，段文剛.混凝土渠道糙率調研綜述［J］.長江科學院院報，1999，16(6):1-4.(ZENG Xiang，HUANG Guobing，DUAN Wengang.Summarization of investigation on roughness of concrete channels［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1999，16(6):1-4.(in Chinese))

［6］何建京，王惠民.流動型態(tài)對曼寧糙率系數的影響研究［J］.水文，2002，22(6):22-24.(HE Jianjing，WANG Huimin.The effects of types of flow on Manning’s roughness coefficient［J］.Hydrology，2002，22(6):22-24.(in Chinese))

［7］李麗，王加虎，王建群，等.自適應隨機搜索算法在河網數學模型糙率反演中的應用［J］.水利水電科技進展，2011，31(5):64-67.(LI Li，WANG Jiahu，WANG Jianqun，et al.Application of adaptive random search algorithm in roughness inversion of mathematical model for river networks［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2011，31(5):64-67.(in Chinese))

［8］李紅英，羅永欽.水工模型多條有壓隧洞聯合泄流糙率校正方法［J］.水利水電科技進展，2011，31(6):14-15.(LIHongying，LUO Yongqin.Roughnesscorrection methods for hydraulic model tests on combined discharge of multiple pressure tunnels［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2011，31(6):14-15.(in Chinese))

［9］辛小康，劉剛，張向東，等.基于遺傳優(yōu)化的河網數學模型糙率參數反演［J］.水利水電科技進展，2009，29(6):21-24.(XINXiaokang，LIUGang，ZHANG Xiangdong，et al.Investigation on parameter identification for river network model by using genetic algorithm［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2009，29(6):21-24.(in Chinese))

［10］吳航，拾兵，陳志娟.淹沒狀態(tài)下河道植物偏斜高度與糙率的關系［J］.水利水電科技進展，2008，28(1):20-22.(WU Hang，SHI Bing，CHEN Zhijuan.Relationship between height of vegetation after deflection and roughness coefficient of vegetated channels in submerged state［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2008，28(1):20-22.(in Chinese))

［11］陳耀忠.引灤入津隧洞糙率兩次原型觀測成果綜述［J］.水利水電科技進展，2005，25(2):58-61.(CHEN Yaozhong.Summary of two times’prototype observation results of roughness coefficient for water diversion tunnel from Luanhe River to Tianjin City［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2005，25(2):58-61.(in Chinese))

［12］馬吉明，史哲.南水北調典型寬淺渠道糙率系數研究［J］.水力發(fā)電學報，2007，26(5):75-79.(MA Jiming，SHI Zhe.Research on the absolute roughness of the typical channel of the south-to-north water diversion project［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2007，26(5):75-79.(in Chinese))

［13］楊岑，路澤生，欒維功，等.矩形渠道人工加糙壁面阻力規(guī)律試驗研究［J］.長江科學院院報，2011，28(1):34-38.(YANG Cen，LU Zesheng，LUAN Weigong，et al.Experimental study on friction law of artificial rough-wall rectangle channel［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2011，28(1):34-38.(in Chinese))

Experimental study on effect of bottom slope on the artificial channel roughness

ZHAO Jincheng，QIU Xiuyun，DU Lixia，HUI Kang，CHEN Chao(College of Water Conservancy and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi830052，China)

In order to analyze the effect of different bottom slopes on the artificial channel roughness，an experiment is carried out under nine artificial channels of different bottom slopes with six different flow discharges to discuss the regularity of roughness changing with the bottom slope and flow discharge.The experimental results indicate that under an uniform flow，with the change of the bottom slope，channel roughness exists three different variation rules.With the increase of the flow，roughness value decreases gradually whenFr＜ 1.With the increase of the flow discharge，roughness value decreases and then increases when 1 ＜Fr＜ 1.51，and increases gradually whenFr＞ 1.51.With the increase of the bottom slope，roughness value increases gradually under the same flow condition.With the change of channel bottom slope，the change rate of channel roughness is fast in the subcritical flow channel，the change rate of channel roughness is slow in the torrent channel，and roughness value tends to be a constant.

roughness coefficient;bottom slope;uniform flow;artificial channel;experimental research

TV135.3

A

1006-7647(2013)06-0048-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.06.010

新疆水利水電工程重點學科基金(xjslgczdxk20101202)

趙錦程(1986—)，男，陜西西安人，碩士研究生，主要從事水工結構研究。E-mal:309229273@qq.com

2012-12-17 編輯:駱 超)