則克臺(tái)(北岸干渠)糙率原型觀測(cè)與分析探討

王 穎

(伊犁水文勘測(cè)局，新疆 伊寧 835000)

0 引言

新疆屬于水資源較為匱乏的地區(qū)，對(duì)于運(yùn)行條件復(fù)雜、規(guī)模較大的渠道，糙率取值的細(xì)微偏差將對(duì)渠道運(yùn)行和管理產(chǎn)生重大影響。伴隨著國(guó)內(nèi)水工領(lǐng)域混凝土板預(yù)制質(zhì)量的提升和施工技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)澆混凝土襯砌渠道的實(shí)際糙率通常與規(guī)范設(shè)計(jì)值存在一定出入，糙率取值過大，既增加工程投資，又會(huì)降低渠道運(yùn)行水位，影響灌溉，糙率取值過小，則渠道斷面過流能力設(shè)計(jì)過小，無法達(dá)到實(shí)際過流能力。渠道糙率是衡量和反應(yīng)影響河道中水流流動(dòng)過程的河床、岸壁等的粗糙程度，進(jìn)而導(dǎo)致水流沿程能量損失的綜合指標(biāo)，糙率主要受河床構(gòu)成、植被生長(zhǎng)情況、河道淤積等因素的影響，同時(shí)也是進(jìn)行河道運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)、河道運(yùn)行管理、河道治理、防汛報(bào)汛、跨河設(shè)施設(shè)計(jì)等的重要參數(shù)，為此，必須進(jìn)行渠道糙率原型觀測(cè)分析。

1 則克臺(tái)(北岸干渠)觀測(cè)渠段概況

則克臺(tái)(北岸干渠)設(shè)立于2013年5月，站址位于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁州新源縣則克臺(tái)鎮(zhèn)則克臺(tái)村三組巷口處。測(cè)驗(yàn)河段順直，測(cè)驗(yàn)河段為人工渠道，河床及左右岸由混凝土組成，斷面無沖淤變化。測(cè)流斷面左右岸為橋墩，橋墩寬度約9 m，呈矩形河槽，上下游呈梯形河槽。測(cè)站的測(cè)驗(yàn)設(shè)施主要有基本水尺斷面有傾斜式水尺，水位自記采用非接觸式雷達(dá)水位計(jì)，流量采用手持測(cè)深桿施測(cè)。設(shè)備運(yùn)行情況良好。

2 觀測(cè)內(nèi)容及要求

2.1 觀測(cè)準(zhǔn)備

在進(jìn)行則克臺(tái)(北岸干渠)測(cè)流斷面及上下游糙率觀測(cè)前，先根據(jù)觀測(cè)目的和要求并結(jié)合觀測(cè)渠段安裝水尺、水準(zhǔn)高程系統(tǒng)，架設(shè)斷面復(fù)核和測(cè)流斷面纜索。水尺的布設(shè)形式很多，根據(jù)類似渠道觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，則克臺(tái)(北岸干渠)渠道采用在混凝土上粘貼水尺觀測(cè)讀取的方式。而混凝土設(shè)置在渠道內(nèi)會(huì)發(fā)生阻水和迎水面壅水，增大觀測(cè)難度和觀測(cè)結(jié)果誤差。所以，本次試驗(yàn)采用其他方法，即根據(jù)引據(jù)水準(zhǔn)點(diǎn)引測(cè)至渠道沿線取水碼頭臺(tái)階，并確定水尺零點(diǎn)高程，基于臺(tái)階高程基準(zhǔn)點(diǎn)通過鋼尺量測(cè)水位，并按照水文三等水準(zhǔn)進(jìn)行引測(cè)，以形成閉合水準(zhǔn)線，控制測(cè)量誤差。結(jié)合相關(guān)工程觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，渠道實(shí)際斷面和設(shè)計(jì)值往往存在一定差異，所以必須進(jìn)行渠道斷面復(fù)核。

2.2 觀測(cè)內(nèi)容

(1)流量測(cè)驗(yàn)：通過國(guó)產(chǎn)LS25-1型旋漿式懸吊流速儀施測(cè)的方式進(jìn)行則克臺(tái)(北岸干渠)測(cè)流渠道斷面流量測(cè)驗(yàn)。采用測(cè)深桿直讀水深，鋼尺測(cè)量起點(diǎn)距，并在測(cè)流渠道斷面均布數(shù)條測(cè)速垂線進(jìn)行多線精測(cè)，按照現(xiàn)行水文測(cè)驗(yàn)規(guī)范所要求的精測(cè)法技術(shù)在流量調(diào)節(jié)水位平穩(wěn)后測(cè)流，歷時(shí)均為90 s～120 s。測(cè)流斷面進(jìn)行了6組測(cè)驗(yàn)，流量在8.94 m3/s～9.65 m3/s之間變化，測(cè)流斷面上游進(jìn)行了6組測(cè)驗(yàn)，流量在9.97 m3/s～10.4 m3/s之間變化，測(cè)流斷面下游進(jìn)行了8組測(cè)驗(yàn)，流量在6.01 m3/s～6.46 m3/s之間變化。

(2)水面線觀測(cè)：施測(cè)期間水位基本平穩(wěn)，并保證同步進(jìn)行施測(cè)河道左右岸的水位觀測(cè)讀取與流量測(cè)驗(yàn)。水面測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)的微小偏差會(huì)對(duì)糙率率定成果有較大影響，為增強(qiáng)水面線測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，防止因測(cè)量及讀取誤差等引起測(cè)量誤差，在試驗(yàn)開始前，必須對(duì)測(cè)流人員進(jìn)行培訓(xùn)，使其掌握正確的觀測(cè)和讀數(shù)方法。按照相關(guān)規(guī)范，在2 h的測(cè)流時(shí)間內(nèi)，應(yīng)按照20 min的時(shí)間間隔進(jìn)行水位讀取，每組測(cè)流應(yīng)進(jìn)行6～8次水位觀測(cè)讀取，每次分別觀讀最高值、最低值和平均值3個(gè)數(shù)值，再以不同時(shí)刻的水位均值為斷面量級(jí)水位。由于進(jìn)行斷面左右岸水尺的同步觀測(cè)，故應(yīng)以左右岸量級(jí)水位均值為斷面水位。

2.3 觀測(cè)要求

(1)渠道比降：本次測(cè)流選擇水面比降測(cè)量和渠底比降測(cè)量?jī)煞N比降測(cè)量技術(shù)。則克臺(tái)(北岸干渠)渠道行水期水面存在劇烈波動(dòng)，且水面比降測(cè)量存在較大誤差，應(yīng)主要在測(cè)量分段渠底比降后再進(jìn)行渠道整體比降的擬合，以確保測(cè)量精度。在進(jìn)行渠底比降測(cè)量時(shí)，應(yīng)先觀測(cè)各測(cè)量斷面渠底的相對(duì)高程，并避開渠底淤積、沉降等部位，據(jù)此形成閉合水準(zhǔn)路線，達(dá)到三等水準(zhǔn)測(cè)量的相關(guān)要求。

(2)渠底寬度：在所測(cè)量斷面的伸縮縫內(nèi)選擇2處進(jìn)行渠底寬度測(cè)量，并使其量測(cè)線平行于伸縮縫。如果遇測(cè)量斷面所在伸縮縫內(nèi)存在淤積，渠底邊緣線彎曲，渠底施工質(zhì)量不佳等問題，必須重新選擇測(cè)量斷面伸縮縫。

(3)邊坡坡度及坡腳長(zhǎng)度：則克臺(tái)(北岸干渠)測(cè)流斷面為矩形河槽，上下游為梯型河槽，所有形式的斷面都必須進(jìn)行左右岸邊坡坡度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并在斷面伸縮縫內(nèi)選擇上中下三處進(jìn)行邊坡坡度測(cè)量，測(cè)量過程必須避開沉降及淤積位置。對(duì)于圓弧坡腳斷面還應(yīng)在斷面所在伸縮縫內(nèi)選取測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行左右岸圓弧坡腳長(zhǎng)度的觀測(cè)，并避開伸縮縫淤積，圓弧坡腳邊緣線彎曲，施工質(zhì)量不佳等位置。

3 觀測(cè)成果與分析

3.1 水力要素

根據(jù)所得出的則克臺(tái)(北岸干渠)渠底相對(duì)高程實(shí)測(cè)結(jié)果，進(jìn)行渠底比降的擬合分析，具體見圖1，通過分析可得，渠底比降為0.0001。

圖1 則克臺(tái)(北岸干渠)渠底比降擬合曲線

不同水位及流量下斷面水力要素實(shí)測(cè)結(jié)果見表1。

表1 斷面水力要素實(shí)測(cè)結(jié)果

3.2 糙率率定公式及結(jié)果

根據(jù)所得試驗(yàn)段渠底比降、斷面幾何尺寸及流速等水力參數(shù)，通過曼寧公式進(jìn)行渠道糙率的反算，公式如下：

(1)

式中：n為渠道糙率；R為渠道水力半徑，m；i為渠底比降；v為渠道斷面流速均值，m/s。

《渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50600-2010)通過原型觀測(cè)試驗(yàn)取得了不同襯砌材料渠道糙率的參考取值，現(xiàn)澆混凝土渠道糙率參考值為0.014[1]。根據(jù)實(shí)測(cè)斷面水力要素并采用式(1)進(jìn)行不同流量、不同水位條件下則克臺(tái)(北岸干渠)河段糙率的反算，結(jié)果見表2。

表2 則克臺(tái)(北岸干渠)河段糙率的反算結(jié)果

根據(jù)以上分析和比較發(fā)現(xiàn)，原型觀測(cè)試驗(yàn)所取得的糙率數(shù)據(jù)與根據(jù)曼寧公式所計(jì)算出的則克臺(tái)(北岸干渠)渠道糙率值存在一定差異，且原型觀測(cè)所率定的現(xiàn)澆混凝土渠道糙率比計(jì)算結(jié)果偏小。其中，矩形測(cè)流斷面渠道觀測(cè)前進(jìn)行清淤處理，河段渠線順直，且無交叉建筑物，所以，現(xiàn)澆混凝土襯砌渠道的糙率系數(shù)最小也與規(guī)范中原型觀測(cè)試驗(yàn)所得結(jié)果最為接近；測(cè)流斷面上游現(xiàn)澆混凝土渠道運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，過流壁面水泥漿在長(zhǎng)期沖蝕下剝落麻面，且混凝土模板存在較大錯(cuò)縫，所以糙率較大；測(cè)流斷面下游渠道壁面結(jié)有泥苔，導(dǎo)致下游渠道過流斷面形態(tài)接近土渠，而且下游斷面觀測(cè)渠段存在2座橋梁，具有一定的阻水作用，所以糙率計(jì)算成果偏大。

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)綜合分析發(fā)現(xiàn)，流量、水位和過水?dāng)嗝媸且鸩诼式Y(jié)果誤差的主要水力因素，其中水位對(duì)糙率的影響程度最大。

(1)測(cè)流誤差：渠道施測(cè)通常采用流速-面積法，并通過平均法進(jìn)行流量成果的計(jì)算，所以，測(cè)流總誤差由寬度、流速和水深三個(gè)觀測(cè)量構(gòu)成。本次則克臺(tái)(北岸干渠)渠道施測(cè)采用多線三點(diǎn)精測(cè)法，并嚴(yán)格根據(jù)測(cè)流規(guī)范的具體規(guī)定進(jìn)行糙率計(jì)算，并在則克臺(tái)(北岸干渠)測(cè)流斷面上下游還設(shè)置2個(gè)測(cè)流斷面進(jìn)行同步觀測(cè)，以降低測(cè)流誤差。

(2)水位觀測(cè)誤差：通過水尺觀測(cè)讀取水位并從國(guó)家三等水準(zhǔn)點(diǎn)引測(cè)水尺零點(diǎn)驗(yàn)證結(jié)果表明，水位觀測(cè)誤差在規(guī)范允許范圍內(nèi)。糙率計(jì)算成果的準(zhǔn)確性受水位觀測(cè)精度影響較大，尤其對(duì)于較短渠段更是如此。而當(dāng)渠段選取較長(zhǎng)，必須增加測(cè)流人員數(shù)量，沿線斷面襯砌形式及底坡等變化較大，會(huì)增

大成果分析難度，影響觀測(cè)過程及結(jié)果的準(zhǔn)確性，這也是造成上下游糙率系數(shù)取值偏大的原因之一。

(3)過流斷面誤差：采用鋼卷尺、皮尺和水平尺進(jìn)行則克臺(tái)(北岸干渠)渠道沿程控制斷面邊坡和底寬等的測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果精確度控制在厘米級(jí)，測(cè)量結(jié)果滿足觀測(cè)精度的要求。

4 結(jié)論

由本文分析可知，糙率值的觀測(cè)分析對(duì)于渠道管理意義重大，在進(jìn)行則克臺(tái)(北岸干渠)渠道糙率原型觀測(cè)分析時(shí)，必須根據(jù)測(cè)站渠道實(shí)際情況進(jìn)行。限于當(dāng)前渠道建設(shè)及維護(hù)管理水平，則克臺(tái)(北岸干渠)現(xiàn)澆混凝土襯砌渠道存在不同程度的淤積、沖蝕、剝落等破壞，且渠道管理部門并未展開經(jīng)常性的清淤與修復(fù)，在這種情況下，渠道不同渠段襯砌特性和影響因素存在較大差別，導(dǎo)致糙率率定結(jié)果不盡相同。渠道糙率和渠道襯砌施工工藝、施工質(zhì)量、運(yùn)行管理水平等密切相關(guān)，對(duì)于運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的渠道而言，在進(jìn)行糙率觀測(cè)和分析時(shí)必須充分考慮渠道淤積等因素對(duì)過水能力的影響，以提升結(jié)果的準(zhǔn)確性。