模袋混凝土襯砌渠道糙率系數(shù)的研究

張海玲，霍軼珍，高意如，郭彥芬

摘 要：以模袋混凝土全斷面襯砌渠道為研究對象，伯努利能量方程作為指導(dǎo)，選取典型渠段，使用原型觀測試驗的方法研究糙率，結(jié)果表明：什巴分干渠糙率系數(shù)中0.021～0.023所占的個數(shù)最多。經(jīng)數(shù)值模擬，得到的斷面速度分布圖與渠道原型觀測得到的斷面流速分布情況一致，對原型觀測的結(jié)果進(jìn)行校核，驗證了原型觀測數(shù)據(jù)的正確性。

關(guān)鍵詞：模袋混凝土;原型觀測;糙率;數(shù)值模擬

中圖分類號：TV135.3 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2019）11-0116-02

渠道防滲效果在很大程度上取決于渠道襯砌形式。渠道襯砌的形式是多種多樣的，目前普遍采用的材料主要包括混凝上襯砌、膜料襯砌、土料襯砌等[1-2]。步豐湖[3]對河套灌區(qū)骨干渠道的非均質(zhì)防滲襯砌結(jié)構(gòu)的糙率進(jìn)行了測量。何建京[4]對明渠非均勻流糙率系數(shù)及水力特性進(jìn)行了研究。楊岑[5]通過對水力光滑壁面和三種不同粗糙程度的人工加糙壁面的阻力規(guī)律及紊動特性進(jìn)行研究。本文以伯努利能量方程為指導(dǎo)，通過測量模袋混凝土襯砌渠道的斷面尺寸、高程、布設(shè)測線、測量水面比降的原型觀測方法進(jìn)行研究。

1選擇渠道

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》（GB/T21303—2007），什巴分干渠第一節(jié)制閘渠段滿足測流渠段平直、水流均勻，縱橫斷面比較規(guī)則、穩(wěn)定，渠段平順無分水口等條件 [6]。故通過比較，選取什巴分干渠第一節(jié)制閘渠段作為全模袋混凝土襯砌斷面典型渠道。選擇上、下2個測流渠段，測流斷面尺寸實測值及測流斷面尺寸見下表及下圖。

表1 什巴分干渠第一節(jié)制閘下測流斷面尺寸實測值

圖1 ? 測流渠段結(jié)構(gòu)示意圖

2原型觀測方法

2.1控制方程

根據(jù)前期原型觀測數(shù)據(jù)分析計算，考慮到渠道在實際運行中水流形態(tài)比較復(fù)雜，有時不滿足明渠均勻流條件，為提高計算精度，后期采用伯努利能量方程推算渠床糙率系數(shù)，計算渠段上下游能量方程為[7]：

式中：z1和z2為上下游斷面渠底高程，h1和h2為計算渠段上下游斷面的水深，V1和V2為計算渠段上下游斷面的平均流速，g為重力加速度，hw為計算渠段上下游斷面的水頭損失，經(jīng)推導(dǎo)計算得：

式中：

L—渠道上、下游兩斷面間長度;

—上、下游兩斷面水位差;

h—水深; ? v1 、v2—上、下游兩斷面平均流速; g—重力加速度;

A1 、A2—上、下游兩過水?dāng)嗝婷娣e;

R1 ?、R2—上、下游兩過水?dāng)嗝嫠Π霃? J—水力坡度。

2.2計算方法

主要采用面積～流量法，即用流速儀分別測出若干部分面積的垂直于過水?dāng)嗝娴牟糠制骄魉伲筛鞑糠置娣e乘以相應(yīng)部分平均流速即得部分流量，計算其代數(shù)和得出斷面流量，斷面流量除以斷面面積得出斷面平均流速。

3計算結(jié)果分析

由表2可知：在所測得的什巴分干渠糙率系數(shù)中0.021～0.023所占的個數(shù)最多。

4數(shù)值模擬驗證

采用FLUENT數(shù)值模擬軟件對典型渠道及測流斷面建立二維模型，選擇四邊形網(wǎng)格劃分，選取進(jìn)口邊界為速度進(jìn)口、上部為大氣進(jìn)口、固體壁面采用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)法處理，水氣交界面采用VOF方法處理。

加載典型渠道測流斷面水力要素、壁面粗糙度等邊界條件，計算渠道的流場，得出同一流量時不同水深的斷面速度分布圖。

圖2 ?糙率為0.0230什巴分干渠斷面流速分布圖

經(jīng)數(shù)值模擬，沿著渠底向水面的方向，流速逐漸增大，但是最大流速發(fā)生在液面以下。得到的斷面速度分布圖與渠道原型觀測得到的斷面點流速分布規(guī)律情況一致，通過數(shù)值模擬計算結(jié)果對糙率系數(shù)原型觀測結(jié)果進(jìn)行校核，驗證了原型觀測數(shù)據(jù)的正確性。

5結(jié)論

（1）以伯努利能量方程為指導(dǎo)，從什巴分干渠糙率系數(shù)測試值結(jié)果中看出，糙率系數(shù)0.021～0.023所占的個數(shù)最多。

（2） 壁面粗糙度按典型渠道糙率系數(shù)原型觀測的計算結(jié)果加載，經(jīng)數(shù)值模擬，得到的斷面速度分布圖與渠道原型觀測得到的斷面流速分布情況一致，對糙率系數(shù)原型觀測結(jié)果進(jìn)行校核，驗證了原型觀測數(shù)據(jù)的正確性。

（3）經(jīng)數(shù)值模擬，沿著渠底向水面的方向，流速逐漸增大，但是最大流速發(fā)生在液面以下。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧軍，許唯臨.高水頭岸邊泄洪洞水力特性的數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報，2005，36（10）：1209-1218.

[2]董曾南，王晉軍，陳長植等.粗糙床面明渠均勻紊流水力特性[J].中國科學(xué)（A輯），1992，（5）：542- 547.

[3]步豐湖，張紅岐，王慶文，等.襯砌渠道糙率取值方法的研究[J].內(nèi)蒙古水利，2007（4）：144-146.

[4]何建京.明渠非均勻流糙率系數(shù)及水力特性研究[D].江蘇： 河海大學(xué).2003.

[5]楊岑.明渠均勻流糙率系數(shù)及紊動特性試驗研究[D].陜西：西北農(nóng)林科技大學(xué) .2010.

[6]楊勝發(fā)，趙志舟，楊斌.支流入?yún)R干流交界面數(shù)值模擬[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報，2002，21（2）：115-118.

[7]呂宏興，周維博，劉海軍U 形渠道的水力特性及水力計算[J].灌溉排水，2004，23（4）：50-52.