羅光蘭
(湖南省水利廳洞庭總公司，湖南長沙 410007)

　　摘　 要：介紹了明渠均勻流及恒定非均勻流狀態(tài)下糙率計(jì)算方法及其參數(shù)確定，通過大量試驗(yàn)分析了各種斷面和襯砌材料順直渠段糙率及部分彎道附加糙率，提出了流量推算與糙率分析所考慮因素應(yīng)一致的原則。?
　　關(guān)鍵詞：渠道；水力計(jì)算；糙率?
　　中圖分類號(hào)：TU991.32
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào) ：1000-4602(2001)10-0041-03

　　明渠水力計(jì)算中最困難之處在于確定糙率n的數(shù)值，它直接影響渠道的工程量和實(shí)際輸水效果。?

1　渠道糙率計(jì)算公式分析

　　明渠均勻流糙率(n)計(jì)算公式，可由曼寧—謝才公式推導(dǎo)得出：

?　n=[(AR^2/3)／Q]S^1/2式中?A——渠道過水?dāng)嗝婷娣e，m²
　　　　?R——水力半徑，m
　　　　?Q——流量,m³/s
　　　　　S——水力坡降，通常取分析渠段水面比降?
　　明渠在恒定非均勻流狀態(tài)下，水位、流速均沿距離變化。在水流運(yùn)動(dòng)中，糙率n直接影響沿程能量損失的大小，因此從實(shí)測資料中分析糙率，一般采用沿程損失反求的途徑：
　　n=(AR^2/3／Q（S+Sv）^1/2
　　當(dāng)斷面沿程收縮或擴(kuò)散時(shí)，SV和AR^2/3按下式計(jì)算：

?　S_V=a(1-ξ)(v_上²-v^_下2/2gL)
?　AR^2/3＝(A_上R_上^2/3+A_下R_下^2/3)/2?
　　式中?S_V——?jiǎng)幽鼙冉?br>　　　　?ξ——斷面收擴(kuò)系數(shù)，通常收縮取0，擴(kuò)散取0.5
　　　　?a?——?jiǎng)幽苄Ｕ禂?shù)，通常取1.0
　　　　?v上、v下——分別為上、下斷面平均流速，m/s
　　　　?L——上下斷面間距，m
　　　　?g?——重力加速度，9.81m/s²?

2　參數(shù)分析及確定

2.1　比降斷面間距（L）
　　水面比降是糙率和流量計(jì)算中非常敏感的參數(shù)，它與分析渠段的水位落差、上下斷面間距以及水位觀測精度有關(guān)。比降斷面間距視比降(落差)大小而定，如當(dāng)比降為5.7×10^-4時(shí)，比降長度可設(shè)200m，較合理的間距可按下式計(jì)算：?

　　L=[(140X′_Z+100m(L）^1/2]/[ΔZ·X′S]
　　式中?ΔZ?——渠段長為1 km的落差，mm
?　　　　m——水準(zhǔn)測量1km線路上的偶然誤差，mm(一般按10mm計(jì))
　　　　?X′Z——水位觀測誤差，mm(水位平穩(wěn)時(shí)可取2～5mm)
　　　　?X′S——水面比降允許誤差，%(可取10%)

2.2　斷面收擴(kuò)系數(shù)(ξ）
　　ξ值的大小與斷面沿程變化程度有關(guān)。據(jù)有關(guān)資料介紹，順直收縮ξ值介于0～0.1之間，常取ξ=0；漸次擴(kuò)散段ξ值介于0.1～0.5之間，常取0.5。根據(jù)波達(dá)公式，擴(kuò)散水頭損失表達(dá)式為：

?　hj=(v_上-v_下)²／2g?

　　經(jīng)變換整理得：?

　　hj=(A下-A上）／A下+A上·［v_上²-v_下²／2g）

　　式中(A下-A上)/(A下+A上)即為擴(kuò)散水頭損失系數(shù)ξ的計(jì)算式。據(jù)實(shí)測資料分析，ξ計(jì)算值與前述取值基本接近，但對于擴(kuò)散相對較小的渠段，取ξ=0.5會(huì)造成糙率計(jì)算誤差較大，對斷面沿程變化不一致的渠段，亦存在不同程度的誤差。
2.3　動(dòng)能校正系數(shù)(a)
　?a?的表達(dá)式為：

　　

　　令過水?dāng)嗝嫔先我稽c(diǎn)流速U與斷面平均流速v的差為ΔU，則U=v±Δ U，代入上式可推得：

　　　

　　很明顯，a＞1，它與斷面流速分布均勻與否有關(guān)。有關(guān)書刊提供了以下近似計(jì)算公式： ?

?　a=1+3ε²-2ε³
　　1=(1+ε)³/(1+3ε)

　　式中ε=(Um/v)-1，其中Um為斷面上最大點(diǎn)流速。
　　從實(shí)測資料分析，上兩式計(jì)算的a值相差不大，a值隨水位上升而減小，但各級水位變化不大。
2.4　用平均水深代替水力半徑
　　在糙率計(jì)算和推流公式中，用斷面平均水深h代替水力半徑R將存在一定 誤差。如要求h代替R，且誤差≤2%，則要求寬深比B/h滿足下列條件：?
　　①矩形斷面B/h≥100；?
　?、谔菪螖嗝鍮/hm≥100［（m²+1）^1/2-m)；
　?、鄣妊切螖嗝鍮/hm≥200((m2+1）^1/2-m?)。?
　　式中B——水面寬，m?
　　　　m——邊坡比例系數(shù)?
　　　　hm——最大水深，m?

3　湖南省灌區(qū)渠道糙率分析

3.1　糙率計(jì)算
　　對常德、桃源、臨澧、石門等縣17座水庫及韶山灌區(qū)計(jì)40條灌溉渠道進(jìn)行水庫控制放水試驗(yàn) ，測量各級水位的比降和流量，分析計(jì)算各種斷面和襯砌材料順直段糙率及部分彎道附加糙 率，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1　湖南省部分灌區(qū)渠道糙率計(jì)算 水庫名稱 灌渠名稱 斷面形態(tài)尺寸 分析渠段底坡(×10^-4) 渠 壁特征 順直段糙率 彎曲渠道糙率 彎道附加糙率 彎曲角 糙率 九龍 高灌渠 矩形寬：0.8 m
深：0.7 m 0.64 兩邊墻及渠底為漿砌砂巖條石，勾平縫，底部有小塊淤砂，厚2 mm 0.017 44° 0.019 0.002 占家沖 總干渠 矩形寬：1.5m深：1.0 m 2.00 兩邊墻為未加工清洗的塊石，勾平縫，渠底塊石鋪平，水泥砂漿抹面，較光滑 0.014 48° 0.016 0.002 兩河口 總干渠 梯形寬：6.1 m?深：2.3 m邊坡：0.91 5.30 兩邊及渠底為漿砌塊石，勾平縫 0.018 62° 0.021 0.003 前山橋 總干渠 梯形寬：7.5 m?深：1.4 m邊坡：0.89 -9.30 邊坡及渠底為三合土夯實(shí)抹平 0.017 55° 0.020 0.003 蒙泉 北干渠 矩形寬：4.0 m?深：2.1 m 5.00 兩邊墻為 漿砌砂巖條石，粗洗一次有條紋，渠底為毛巖欠平整 0.020 90° 0.025 0.005 滄山 金霞渠 矩形寬：2.3 m?深：1.7 m -13.5 兩邊墻為漿砌頁巖，縫細(xì)，嵌合良好，渠底為毛頁巖，水泥砂漿勾縫 0.016 40° 0.020 0.004 注：①表中糙率為中高水糙率。
　?、趶澢尾诼视?jì)算中已考慮過水面積的擴(kuò)散、收縮損失，未考慮彎道引起的局部損失 。??、蹚澋栏郊硬诼视蓮澢尾诼蕼p去與彎道渠壁特征相近的鄰近上下順直段糙率而得。

3.2　規(guī)律分析
　?、俟鄥^(qū)渠道為標(biāo)準(zhǔn)化建筑，水流周界規(guī)則，糙率主要受襯砌材料和周界粗糙程度影響。糙 率與斷面平均水流有良好關(guān)系，且隨水深增加而減小，中高水位糙率穩(wěn)定。?
　?、诓糠智?，特別是土渠由于使用年久，渠底淤積較嚴(yán)重，土渠邊壁已生長水草，為此進(jìn) 行了清理與不清理的對比試驗(yàn)。清理后的糙率明顯減小，例如蒙泉水庫南干渠渠底未清理時(shí)糙率為0.021 5～0.023 0，在清除泥砂水草后的糙率為0.019～0.020。?
　?、蹞?jù)分析統(tǒng)計(jì)，彎道每增加20°，彎道附加糙率約增加0.001。?

4　渠道流量推算

　　糙率分析的目的最終是用來推算流量。在不同水流狀態(tài)下推算流量，應(yīng)與糙率分析所考慮的 因素一致，在恒定非均勻流狀態(tài)下，需按下式推算流量：

　　　　?Q=KS^1/2/(1-K²M/2gL)^1/2?
　其中?K=(A上R2/3上+A下R2/3下)/2n
　?　　M=a(1-ξ)(1-A_上²-1/A_下²)
　　分析渠段過水面積沿程不變時(shí)，K=AR^2/3/n、M=0，即按均勻流公式推算。?
　　糙率n按下列原則確定：分析渠段有實(shí)測資料時(shí)，采用試驗(yàn)所得糙率；而無實(shí)測糙率資料時(shí)，則根據(jù)渠段縱橫斷面特征及渠底、邊壁和襯砌材料表面的光滑粗糙程度和清潔情況確定，可借用情況相近渠段的已知糙率值。

參考文獻(xiàn)：

　?。?］SD 174—85，比降—面積法測流規(guī)范［S］.
　?。?］劉潤生.水力學(xué)［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，1987.　　

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　　收稿日期：2001-07-16