混凝土襯砌渠道糙率系數(shù)估算方法

劉俊發(fā)，曲志會，劉鴻濤，趙瑞娟

（1.吉林省第二松花江防汛機動搶險隊，吉林 長春 130022；2.長春工程學院，吉林 長春 130012；3.松遼水利委員會，吉林 長春 130021）

0 引言

隨著水資源的日益緊缺，水資源的優(yōu)化配置及節(jié)水灌溉的實施變得越來越重要。隨之而來的是我國的混凝土襯砌渠道逐年增加，而糙率系數(shù)作為渠道設計的關鍵技術參數(shù)之一，對渠系工程的安全和造價有重要影響，所以其值的選取十分重要。

隨著新技術、新工藝和新材料的發(fā)展，以及施工設備的改進，工程質(zhì)量較過去有很大提高，原有的選取糙率的方法已經(jīng)不能完全準確地適用于現(xiàn)代渠道設計。大量的原型觀測試驗表明，一些渠道的設計糙率值與其實際值相差很多，如引灤入津工程暗渠的設計糙率為0.015，而實測值只有0.0115～0.0125。糙率系數(shù)對工程投資影響巨大,南水北調(diào)工程北京干線經(jīng)評估，其糙率系數(shù)每下降0.001，就會使線路投資減少數(shù)億元。對于規(guī)模大、運行條件復雜的工程，糙率系數(shù)值的微小偏差，將對工程的安全和造價產(chǎn)生重大影響,所以現(xiàn)在一些大型工程通過參考同類工程原型實驗數(shù)據(jù)估算和選取糙率系數(shù)。

1 常用計算方法

式中：A為各斷面平均過水面積，m2；Q為該時段的平均流量，m3/s；R為水力半徑，m；J為水力坡降。

2 糙率系數(shù)估算公式的導出

19世紀中期，達西和威斯巴赫推導出計算沿程水頭損失的一般公式：

式中：λ為阻力系數(shù)；l為管道長，m；R為水力半徑，m；v 為平均流速，m/s；g 為重力加速度，m/s2。

應用時，應首先計算雷諾數(shù)，判別流態(tài)和紊流分區(qū)，而后選用不同的沿程阻力系數(shù)計算公式。

將式（2）用謝才公式的算式形式表示為：

清華大學1980年修訂版《水力學》中給出了計算沿程阻力系數(shù)的計算公式：

且以上各公式均適用于明渠水流。

因目前采用的經(jīng)驗公式，資料大部分來源于紊流粗糙區(qū)（阻力平方區(qū)），且明渠水流大部分情形下處于紊流流區(qū)，所以本文應用紊流區(qū)沿程阻力系數(shù)計算公式。將式（7），（8）與式（4）聯(lián)立，又因為r0=2R，整理有：

紊流過渡區(qū)

式中：n為糙率系數(shù)；R為水力半徑，m；g為重力加速度，m/s2；ks為當量粗糙度，mm；Re為雷諾數(shù)。其中，當量粗糙度應在采用同種施工技術和工藝，且已經(jīng)正常運行了幾年的現(xiàn)有工程上測得。混凝土襯砌渠道的當量粗糙度一般在0.8～9.0mm之間。

3 算例及影響糙率系數(shù)的主要因素

已知：梯形渠道設計底寬為3m，邊坡系數(shù)2，設計水深2m，同類工程襯砌的當量粗糙度ks為3.0mm，求 n。

經(jīng)計算n=0.0154

以上糙率系數(shù)計算為參考同類工程當量粗糙度計算所得，避免了直接參考同類工程糙率可能產(chǎn)生的誤差。

影響襯砌渠道糙率系數(shù)取值的因素很多,襯砌表面的粗糙程度、渠道過水斷面形狀、渠系建筑物、變斷面、渠道流量、水質(zhì)、施工質(zhì)量、使用年限、管理養(yǎng)護措施等均對其有影響。從本文推導的糙率估算公式可以看出當量粗糙度ks，水力半徑R和雷諾數(shù)Re是決定糙率系數(shù)的最主要影響因素。

施工質(zhì)量對糙率有較大的影響，隨著新技術、新工藝出現(xiàn)，以及施工器械設備的進步，工程質(zhì)量已較過去有了很大的提高，是糙率系數(shù)取值變小的原因之一。原型試驗表明，在適當?shù)酿B(yǎng)護條件下，糙率系數(shù)在渠道運行正常的年份內(nèi)變化甚微。渠系建筑物、變斷面影響渠道的過流能力，產(chǎn)生局部水頭損失，對渠道水面線產(chǎn)生影響，從而對糙率系數(shù)有影響。

4 結(jié)語

目前，確定當量粗糙度的實驗數(shù)據(jù)還不夠充分，所以應用上還受到一定的限制，應該逐步積累當量粗糙度和糙率的原形觀測成果資料,適當補充和修訂現(xiàn)有當量粗糙度表和糙率系數(shù)取值建議表。從公式（9），（10）可以看出,邊界的幾何形狀和渠道襯砌表面的粗糙程度對糙率系數(shù)的影響最大，說明可以通過優(yōu)化斷面形式和改進施工技術，以及提高施工質(zhì)量，進而合理地減小渠道糙率，達到降低工程造價的目的。糙率系數(shù)是一個綜合性系數(shù)，其取值還要考慮建筑物、水質(zhì)、流量、變斷面、管理水平和養(yǎng)護條件等多方面因素，本文計算式雖然還不能完全準確計算出渠道糙率，但已經(jīng)可以為渠道糙率的準確選取提供依據(jù)。

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