基于Flood Area 模型的模袋混凝土襯砌渠道糙率系數優化方案初探

張海玲　霍軼珍　郭彥芬　王文達

摘 要：本文以河套灌區建設一分干模袋混凝土襯砌渠道為研究對象，引用Flood Area模型，將糙率系數的設置做區分化處理;對渠道區域進行劃分和賦值，在經驗參數的基礎上，結合建設一分干模袋混凝土襯砌渠道實際情況，設置柵格糙率系數，增加糙率系數的精度。結果表明：考慮模擬中糙率系數的動態性以及渠道糙率系數較坡面糙率系數更為復雜的特點，將糙率系數的設置做區分化處理，改進后的方法簡化了率定流程，以解決模擬流速普遍偏低的問題。利用高程與糙率系數的函數關系，以較全面、真實地仿真模擬模袋混凝土襯砌渠道的流場。

關鍵詞：Flood Area模型;模袋混凝土;糙率;TOPMODEL;區分化處理

中圖分類號：TV135.3? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）01-0078-02

模袋混凝土是我國20世紀80年代初從國外引進的一項現澆混凝土新技術，它采用織物模袋做軟模具，通過混凝土泵將砂漿或混凝土充灌進模袋成型，起到護坡、護底、防滲等作用[1]。目前專家學者采用室內試驗、現場原型測試與數值模擬相結合的方法，對糙率的取值及影響因素進行了深入研究。但是，目前河套灌區模袋混凝土襯砌渠道數值模擬還沒有引用Flood Area模型的相關研究。

劉鋒[2]利用Fluent軟件對植物壩覆蓋區域流場進行數值模擬，胡靜[3]對微厚透水物糙率處理方法進行了數值模擬。但是，由于渠道邊界層的內部流動很復雜 以及現有計算機硬件限制， 目前數值模擬采用的計算方法還比較單一，絕大多數數值仿真均采用簡化的物理模型，沒有考慮真實的物理情況。如果單純采用FLUENT軟件模擬模袋混凝土襯砌渠道的流場時，存在較大的難度，而且計算時程序不易收斂。

本文以河套灌區建設一分干模袋混凝土襯砌渠道為研究對象，引用Flood Area模型，將糙率系數的設置做區分化處理以期解決模擬流速普遍偏低的問題，便于全面、真實地仿真模擬模袋混凝土襯砌渠道的流場。

1選擇渠道

建設一分干模袋混凝土襯砌渠道的測流渠段較平直、水流均勻，縱橫斷面比較規則、穩定 [4]。故選取建設一分干模袋混凝土襯砌渠道作為全模袋混凝土襯砌斷面典型渠道。

建設一分干模袋混凝土襯砌渠道，樁號9+715～13+000為鋪設12cm厚土工全模袋混凝土防滲襯砌，混凝土強度等級為C25，其他參數見表1。

2 “Flood Area”計算原理

“Flood Area”為德國 Geomer公司開發的模型，采用水動力方法計算，充分利用1個柵格附件的8個單元，對周圍柵格單元的瀉入量采用manning-stricker 公式計算：

V=kst·r2/3·I1/2? ? ? ?（1）

式中：kst是反映明渠渠道粗糙度對水流影響的系數;r是水力半徑;I為明渠渠道的坡度。

Flood Area針對各個時段水流的運行全過程，對于二維非恒定流，采用DEM水動力模型進行建模，考慮了坡度以及粗糙度等要素對水流數值模擬的影響，以柵格方式導出，全面地、動態地反映流速、水深、流量等參數和流場[5-6]。

“Flood Area”在每個時相的運行過程中，即運行時間與相應水流范圍和水深，以柵格形式表示，簡潔直觀，便于查看[7-8]。

3引用Flood Area模型改進方法的運用

針對傳統糙率系數設置方法引起模擬流速偏低的問題，優化方法主要考慮模擬中糙率系數的動態變化以及渠道糙率系數較為復雜的特點，將糙率系數的設置做區分化處理[9]。

結合建設一分干模袋混凝土襯砌渠道，輸入柵格糙率系數，壁面處采用局部加密處理，將糙率系數假設為水深的函數，在明渠流動中糙率系數會隨著水深的增加而呈現減小的趨勢[10]，因此利用其與水深的變化關系進行賦值。在模擬過程中水深是隨著時間動態變化的，且 Flood Area 模型限制糙率系數只能作為常量輸入。因此，需要建立高程與糙率系數的變化關系，在忽略水力坡度影響的情況下，水流區域高程與水深呈負相關性關系，建立如下函數方程：

Kst= Kmin+ [（ Kmax- Kmin） /（ Emax- Emin） ]* （ Emax- E） ）[11]

其中，Kst是Strickler 糙率系數，Kmax代表糙率系數最大值，Kmin代表糙率系數最小值，E高程值，Emax是最大高程值，Emin是最小高程值。不同的模擬情景參數不同，Kmax、Kmin在實際模擬中作為率定參數進行糙率系數的調節。

4研究技術路線（如圖2）

5結論

以建設一分干模袋混凝土襯砌渠道為研究對象，引用Flood Area模型，將糙率系數的設置做區分化處理，改進后的方法簡化了率定流程，增加糙率系數的精度，以解決模擬流速普遍偏低的問題。

Flood Area模型中糙率系數作為常量輸入，對渠道區域與坡面區域進行劃分和賦值，結合建設一分干模袋混凝土襯砌渠道實際情況，獲取有效的下斷面信息，利用高程與糙率系數的函數關系，以全面、真實的仿真模擬模袋混凝土襯砌渠道的流場。

參考文獻：

[1]鄭子成，何淑勤，吳發啟，等.地表糙度與水力糙率系數的關系[J].山地學報，2004，22（2） ： 236-239.

[2]劉鋒，邱秀云，周著. 利用Fluent軟件對植物壩覆蓋區域流場進行數值模擬[J].水利水電科技進展，2010，30 （2）： 32-35.

[3]胡靜，魏清福，曾婧揚. 數值模擬中微厚透水物糙率處理方法探討[J].人民長江，2015，46 （17）： 40-42.

[4]何建京，王惠民.流動型態對曼寧糙率系數的影響研究[J]. 水文，2002，22（6） ： 22-24.

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[10]孫麗.復式渠道水流特性數值模擬研究[D].江蘇：河海大學.2007.

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