基于河道行洪能力的護(hù)岸糙率影響分析

孫禮珩

(莊河市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 大連 116400)

河道糙率是敏感而重要的河道水力計算參數(shù)，也是準(zhǔn)確衡量河流阻力的關(guān)鍵系數(shù)。研究評價河道輸水條件及行洪能力時，河槽糙率作為一項重要的指標(biāo)，在很大程度上決定了河道的安全運行和防洪評價。

關(guān)于河流中植被的阻水特性國外諸多學(xué)者開展了深入研究，如漂浮、淹沒和挺水等植被類型的研究。例如，Luhar等探究了曼寧糙率系數(shù)與河流中植被的分布形式、柔韌性等性質(zhì)之間的關(guān)系；Aberle等探析了柔性和剛性非淹沒植被在河道尺度至孔隙尺度上的阻力特性。此外，在人工渠槽糙率、糙率對過流能力的影響、天然河道糙率率定等方面國內(nèi)學(xué)者也開展大量的研究。隨著環(huán)境保護(hù)及生態(tài)治理的持續(xù)推進(jìn)，生態(tài)護(hù)岸及含植被河道的等效糙率問題逐漸引起學(xué)者的關(guān)注，如孫東坡等[1]通過對連鎖磚護(hù)面阻水特性的深入研究，揭示了水流速度與新型生態(tài)防洪結(jié)構(gòu)糙率間的關(guān)系；張瑋等[2]以草皮護(hù)坡為例，通過試驗研究分析了河道糙率受生長期、土壤類型的影響，在此基礎(chǔ)上提出了適宜的糙率取值區(qū)間；吳喬楓等[3]將河道斷面按照植被分布特征進(jìn)行分區(qū)，并在河道糙率計算公式中引入分區(qū)糙率系數(shù)；韓麗娟等[4]揭示了河道水流阻力與漂浮植被之間的相互關(guān)系；鄭爽等[5]采用明渠水流下柔性植被淹沒試驗，提出基于經(jīng)驗的曼寧糙率系數(shù)等效計算公式在岸坡與主槽共同影響下的梯形河道水流，水流結(jié)構(gòu)和河道阻力會因護(hù)岸類型的改變而改變，從而在一定程度上影響河道的行洪能力。因此，必須全面探究河道的行洪能力受護(hù)岸糙率特性的影響。文章綜合利用數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗的方法，研究了不同護(hù)岸類型下梯形斷面河道的糙率變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上探析河道行洪能力受護(hù)岸糙率變化的影響，以期為防汛調(diào)度研究、生態(tài)護(hù)岸防洪評價等提供理論支持。

1 試驗概況

本研究利用深0.8m、寬1.5m、長20m的矩形變坡循環(huán)水槽開展試驗，為保證入流平穩(wěn)將穩(wěn)流裝置設(shè)于水槽進(jìn)口段，水深的控制利用出口段柵欄式尾門實現(xiàn)，并采用電磁流量計和閥門計量、控制流量。試驗段選取為水槽居中12m范圍，梯形非對稱斷面利用有機(jī)玻璃板布置，河道斜邊坡寬0.4m、主槽寬0.8m。采用護(hù)坡結(jié)構(gòu)與草本植物構(gòu)造新型生態(tài)護(hù)岸類型，并將8mm厚的仿真草皮敷設(shè)于梯形邊坡上，為了模擬護(hù)岸上的挑流消能結(jié)構(gòu)在草皮上黏貼有機(jī)玻璃材質(zhì)的直三棱柱磚塊。試驗所用的磚塊尺寸有3種，并命名底面與磚塊迎水面夾角15°、30°、45°的護(hù)岸為A護(hù)岸、B護(hù)岸、C護(hù)岸，布設(shè)磚塊的橫向與橫向間距0.05m、0.4m。

水位測量斷面每隔2m沿試驗段均勻布置，穩(wěn)定均勻流利用尾門開度的調(diào)節(jié)控制來實現(xiàn)，并以各斷面水深差不超過1mm作為均勻水流的判斷標(biāo)準(zhǔn)。通過設(shè)置不同的坡底和流量工況，對3種護(hù)岸開展均勻流試驗，從而獲取各條件下的均勻流水深，試驗工況，見表1。其中，A、B、C護(hù)岸的試驗分組為A1-A8、B1-B8、C1-C8，i、Q為底坡和流量參數(shù)。

表1 試驗工況

2 護(hù)岸糙率

采用計算公式(1)求解恒定非均勻流明渠曼寧糙率系數(shù)n，即：

(1)

式中：A、R、Q為斷面面積、水力半徑和流量；zj、vj為斷面j的水深和流速；Lj為上、下游斷面間的距離；n、g為糙率系數(shù)和重力加速度。均勻流條件下，糙率系數(shù)n可利用簡化公式求解，即：

(2)

式中：i、U底坡和斷面平均流速。

一般地，由于壁面形態(tài)或組成材料的差異河道過水?dāng)嗝娓鞑糠植诼什槐M相同，基于試驗研究或原型觀測許多學(xué)者提出了相應(yīng)的經(jīng)驗公式，較為常用的綜合糙率nc計算方法有PM公式、EBM公式、KCM公式，具體如下：

(3)

(4)

(5)

式中：nc、nj為綜合糙率和分割面j的糙率；x、xj為總濕周和分割面j的濕周，其中x=xb+xw+xs；dj為分割面j的水深。本研究考慮利用PM公式求解護(hù)岸糙率ns，其表達(dá)式為：

(6)

式中：nc為綜合糙率；ns、nw、nb為依次代表護(hù)岸、側(cè)壁和槽底的糙率系數(shù)；xb、xw、xs為依次代表護(hù)岸、側(cè)壁和主槽的濕周；x為總濕周，x=xb+xw+xs。

水深與綜合糙率的關(guān)系，見圖1。水深與綜合糙率之間的相關(guān)關(guān)系利用回歸分析法構(gòu)造，其表達(dá)式為：

nc=aInH+b

(7)

式中：a、b為系數(shù)值。

圖1 水深與綜合糙率的關(guān)系

引入擬合相關(guān)系數(shù)R，水深與綜合糙率擬合值，見表2，從表2可知各護(hù)岸的R值均超過0.9，可見數(shù)據(jù)擬合具有較好的效果。此外，隨著水深的增加綜合糙率呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢，這與邊坡阻力較大而河床阻力較小的糙率分布規(guī)律保持較好一致性；不同護(hù)岸的綜合糙率存在一定差異，其中糙率值最小的為護(hù)岸A，而糙率最大的為護(hù)岸C。護(hù)岸相同的條件下，隨著流量的增加綜合糙率值不斷增大，隨著底坡的增加綜合糙率不斷減小。以護(hù)岸A為例簡要說明其變化特征，從45L/s不斷增大流量至75L/s，該過程中nc值增加了9.5%，從0.00025不斷增大底坡至0.0028，該過程中nc值增加了16.8%。通過分析糙率受底坡、流量的影響發(fā)現(xiàn)，河道綜合糙率的變化實質(zhì)上是與水深的改變有關(guān)。

表2 水深與綜合糙率擬合值

隨弗勞德數(shù)Fr的變化護(hù)岸糙率ns及綜合糙率nc的變化，弗勞德數(shù)Fr與糙率間的關(guān)系，見圖2。弗勞德數(shù)Fr在各工況條件下的取值區(qū)間為0.108-0.596，試驗中始終保持緩流狀態(tài)。研究表明，隨弗勞德數(shù)Fr的增加綜合糙率不斷減小，弗勞德數(shù)Fr較小時綜合糙率具有較快的變化速率，而弗勞德數(shù)Fr較大時綜合糙率具有較慢的變化速率，該研究成果與矩形渠道研究規(guī)律保持一致。最小值與最大值糙率之差，在不同護(hù)岸條件下不超過10%，可見護(hù)岸糙率系數(shù)值受底坡或流量改變的影響較低，護(hù)岸糙率值可以取各工況情況下糙率的平均值。因此，護(hù)岸A、護(hù)岸B、護(hù)岸C的糙率值ns依次為0.0418、0.0470、0.0637。

圖2 弗勞德數(shù)Fr與糙率間的關(guān)系

3 河道行洪能力影響

近年來，隨著計算機(jī)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)被越來越多的用于河道水動力計算研究，從而有效解決物理模型及原型觀測試驗存在的問題。文章擬對河道一維水流水面線利用河流動力學(xué)模型HEC-RAS計算，在此基礎(chǔ)上揭示河道行洪能力受護(hù)岸糙率變化的影響特征[6-8]。

首先，通過模擬計算A1-A8工況檢驗HEC-RAS模型的精準(zhǔn)度，設(shè)置右岸側(cè)壁與河底糙率0.0092、左岸護(hù)岸糙率0.0418，建立梯形河道模型確定各工況下的水面線，并對比分析模擬值與試驗數(shù)據(jù)，A1-A8工況下試驗與模擬結(jié)果，見圖3。從圖3可知，實測值與模擬值具有較高的吻合度，3種工況下的平均誤差都≤1.20%，可見該模型具有較高的計算精度，能夠用于河道行洪能力的計算分析。

圖3 A1-A8工況下試驗與模擬結(jié)果

為進(jìn)一步探究水面線受不同寬深比條件下護(hù)岸糙率變化的影響，通過改變河底寬度B設(shè)置4組不同底寬工況，以3種不同流量條件依次開展每組底寬工況的試驗研究。保持臨界水深hk不變，在不同底寬條件下選取所對應(yīng)的流量值，以更加直觀的對比分析，工況設(shè)計，見表3。

表3 工況設(shè)計

各工況下的水深變化規(guī)律，見圖4。由此可以得出以下結(jié)論：①保持流量與底寬相同的條件下，河道綜合糙率隨著護(hù)岸糙率的增加而增大，從而使得正常水深有所增加；②保持底寬不變的條件下，護(hù)岸糙率ns與水深H的變化趨勢受流量改變的影響較小；③隨底寬的增大河底寬深比、河道水深不斷增加，河道綜合糙率系數(shù)和護(hù)岸部分的濕周權(quán)重比不斷減小。以Q1為例簡要說明其變化特征，從70cm不斷增加河底寬度B值280cm條件下，不同護(hù)岸糙率ns所對應(yīng)的最大與最小水深比從1.80不斷減小至1.26；護(hù)岸糙率ns在底寬1680cm工況下從0.0206增大至0.0725，從0.094綜合糙率逐漸增大至0.0106，該過程中水深增加6.5%，可見河道水深受改變護(hù)岸糙率的影響較小。

圖4 各工況下水深變化規(guī)律

研究表明，對于窄深型河道(即寬深比較小的河道)，河道水深受改變護(hù)岸糙率的影響較大，即護(hù)岸糙率與綜合糙率的比值較高；對于寬淺型河道(即寬深比較小的河道)，護(hù)岸糙率與綜合糙率的比值較小，河道水面線受不同護(hù)岸糙率的影響較弱，即河道行洪能力受改變護(hù)岸糙率的影響較低。

鑒于水位與護(hù)岸糙率在非均質(zhì)流條件下的關(guān)系，設(shè)置底坡0.005、流量45L/s、護(hù)岸糙率ns0.0410、下游水深邊界條件10cm，率ns變幅設(shè)為+50%、-%、+20%、-20%、0，由此揭示綜合糙率率nc及水深H在不同工況下的沿程變化規(guī)律，不同護(hù)岸糙率下的沿程變化，見圖5。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，綜合糙率、河道沿程水深隨護(hù)岸糙率的增加均不斷增加，該變化規(guī)律與均勻流保持一致。相對于均勻流工況，非均質(zhì)流沿程的綜合糙率由于水深的沿程變化不再恒定，隨水深的降低沿程綜合糙率呈不斷減小的變化特征，該變化規(guī)律與試驗研究相吻合。

(a)水深變化

(b)綜合糙率變化

4 結(jié) 論

文章結(jié)合數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗法，探究了河道行洪能力受梯形河道護(hù)岸糙率變化的影響，主要結(jié)論如下：

1)不同護(hù)岸工況的糙率值存在差異，保持護(hù)岸不變的條件下，隨水深的增加河道綜合糙率不斷增加，并且呈現(xiàn)出對數(shù)變化規(guī)律，而護(hù)岸糙率值受底坡或流量改變的影響較小。

2)均勻流工況下，河道綜合糙率隨護(hù)岸糙率的增加而增大，從而增大了正常水深；保持底寬不變的條件下，隨護(hù)岸糙率的改變改變流量對水深變化趨勢的影響較小；非均勻流工況下，隨護(hù)岸糙率的增加河道沿程水深不斷增加；隨水深的降低沿程綜合糙率呈現(xiàn)出減少的趨勢。

3)對于窄深型河道，河道水深受改變護(hù)岸糙率的影響較大；對于寬淺型河道，護(hù)岸糙率與綜合糙率的比值較小，即河道行洪能力受改變護(hù)岸糙率的影響較低。