則克臺(北岸干渠)糙率原型觀測與分析探討

王 穎

(伊犁水文勘測局，新疆 伊寧 835000)

0 引言

新疆屬于水資源較為匱乏的地區，對于運行條件復雜、規模較大的渠道，糙率取值的細微偏差將對渠道運行和管理產生重大影響。伴隨著國內水工領域混凝土板預制質量的提升和施工技術的進步，現澆混凝土襯砌渠道的實際糙率通常與規范設計值存在一定出入，糙率取值過大，既增加工程投資，又會降低渠道運行水位，影響灌溉，糙率取值過小，則渠道斷面過流能力設計過小，無法達到實際過流能力。渠道糙率是衡量和反應影響河道中水流流動過程的河床、岸壁等的粗糙程度，進而導致水流沿程能量損失的綜合指標，糙率主要受河床構成、植被生長情況、河道淤積等因素的影響，同時也是進行河道運行狀態評價、河道運行管理、河道治理、防汛報汛、跨河設施設計等的重要參數，為此，必須進行渠道糙率原型觀測分析。

1 則克臺(北岸干渠)觀測渠段概況

則克臺(北岸干渠)設立于2013年5月，站址位于新疆維吾爾自治區伊犁州新源縣則克臺鎮則克臺村三組巷口處。測驗河段順直，測驗河段為人工渠道，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。測站的測驗設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水位計，流量采用手持測深桿施測。設備運行情況良好。

2 觀測內容及要求

2.1 觀測準備

在進行則克臺(北岸干渠)測流斷面及上下游糙率觀測前，先根據觀測目的和要求并結合觀測渠段安裝水尺、水準高程系統，架設斷面復核和測流斷面纜索。水尺的布設形式很多，根據類似渠道觀測經驗，則克臺(北岸干渠)渠道采用在混凝土上粘貼水尺觀測讀取的方式。而混凝土設置在渠道內會發生阻水和迎水面壅水，增大觀測難度和觀測結果誤差。所以，本次試驗采用其他方法，即根據引據水準點引測至渠道沿線取水碼頭臺階，并確定水尺零點高程，基于臺階高程基準點通過鋼尺量測水位，并按照水文三等水準進行引測，以形成閉合水準線，控制測量誤差。結合相關工程觀測經驗，渠道實際斷面和設計值往往存在一定差異，所以必須進行渠道斷面復核。

2.2 觀測內容

(1)流量測驗：通過國產LS25-1型旋漿式懸吊流速儀施測的方式進行則克臺(北岸干渠)測流渠道斷面流量測驗。采用測深桿直讀水深，鋼尺測量起點距，并在測流渠道斷面均布數條測速垂線進行多線精測，按照現行水文測驗規范所要求的精測法技術在流量調節水位平穩后測流，歷時均為90 s～120 s。測流斷面進行了6組測驗，流量在8.94 m3/s～9.65 m3/s之間變化，測流斷面上游進行了6組測驗，流量在9.97 m3/s～10.4 m3/s之間變化，測流斷面下游進行了8組測驗，流量在6.01 m3/s～6.46 m3/s之間變化。

(2)水面線觀測：施測期間水位基本平穩，并保證同步進行施測河道左右岸的水位觀測讀取與流量測驗。水面測驗數據的微小偏差會對糙率率定成果有較大影響，為增強水面線測量結果的準確性，防止因測量及讀取誤差等引起測量誤差，在試驗開始前，必須對測流人員進行培訓，使其掌握正確的觀測和讀數方法。按照相關規范，在2 h的測流時間內，應按照20 min的時間間隔進行水位讀取，每組測流應進行6～8次水位觀測讀取，每次分別觀讀最高值、最低值和平均值3個數值，再以不同時刻的水位均值為斷面量級水位。由于進行斷面左右岸水尺的同步觀測，故應以左右岸量級水位均值為斷面水位。

2.3 觀測要求

(1)渠道比降：本次測流選擇水面比降測量和渠底比降測量兩種比降測量技術。則克臺(北岸干渠)渠道行水期水面存在劇烈波動，且水面比降測量存在較大誤差，應主要在測量分段渠底比降后再進行渠道整體比降的擬合，以確保測量精度。在進行渠底比降測量時，應先觀測各測量斷面渠底的相對高程，并避開渠底淤積、沉降等部位，據此形成閉合水準路線，達到三等水準測量的相關要求。

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

(3)邊坡坡度及坡腳長度：則克臺(北岸干渠)測流斷面為矩形河槽，上下游為梯型河槽，所有形式的斷面都必須進行左右岸邊坡坡度的現場測量，并在斷面伸縮縫內選擇上中下三處進行邊坡坡度測量，測量過程必須避開沉降及淤積位置。對于圓弧坡腳斷面還應在斷面所在伸縮縫內選取測量點進行左右岸圓弧坡腳長度的觀測，并避開伸縮縫淤積，圓弧坡腳邊緣線彎曲，施工質量不佳等位置。

3 觀測成果與分析

3.1 水力要素

根據所得出的則克臺(北岸干渠)渠底相對高程實測結果，進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(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測結果見表1。

表1 斷面水力要素實測結果

3.2 糙率率定公式及結果

根據所得試驗段渠底比降、斷面幾何尺寸及流速等水力參數，通過曼寧公式進行渠道糙率的反算，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。

《渠道防滲工程技術規范》(GB/T 50600-2010)通過原型觀測試驗取得了不同襯砌材料渠道糙率的參考取值，現澆混凝土渠道糙率參考值為0.014[1]。根據實測斷面水力要素并采用式(1)進行不同流量、不同水位條件下則克臺(北岸干渠)河段糙率的反算，結果見表2。

表2 則克臺(北岸干渠)河段糙率的反算結果

根據以上分析和比較發現，原型觀測試驗所取得的糙率數據與根據曼寧公式所計算出的則克臺(北岸干渠)渠道糙率值存在一定差異，且原型觀測所率定的現澆混凝土渠道糙率比計算結果偏小。其中，矩形測流斷面渠道觀測前進行清淤處理，河段渠線順直，且無交叉建筑物，所以，現澆混凝土襯砌渠道的糙率系數最小也與規范中原型觀測試驗所得結果最為接近；測流斷面上游現澆混凝土渠道運行時間長，過流壁面水泥漿在長期沖蝕下剝落麻面，且混凝土模板存在較大錯縫，所以糙率較大；測流斷面下游渠道壁面結有泥苔，導致下游渠道過流斷面形態接近土渠，而且下游斷面觀測渠段存在2座橋梁，具有一定的阻水作用，所以糙率計算成果偏大。

3.3 結果分析

根據綜合分析發現，流量、水位和過水斷面是引起糙率結果誤差的主要水力因素，其中水位對糙率的影響程度最大。

(1)測流誤差：渠道施測通常采用流速-面積法，并通過平均法進行流量成果的計算，所以，測流總誤差由寬度、流速和水深三個觀測量構成。本次則克臺(北岸干渠)渠道施測采用多線三點精測法，并嚴格根據測流規范的具體規定進行糙率計算，并在則克臺(北岸干渠)測流斷面上下游還設置2個測流斷面進行同步觀測，以降低測流誤差。

(2)水位觀測誤差：通過水尺觀測讀取水位并從國家三等水準點引測水尺零點驗證結果表明，水位觀測誤差在規范允許范圍內。糙率計算成果的準確性受水位觀測精度影響較大，尤其對于較短渠段更是如此。而當渠段選取較長，必須增加測流人員數量，沿線斷面襯砌形式及底坡等變化較大，會增

大成果分析難度，影響觀測過程及結果的準確性，這也是造成上下游糙率系數取值偏大的原因之一。

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

4 結論

由本文分析可知，糙率值的觀測分析對于渠道管理意義重大，在進行則克臺(北岸干渠)渠道糙率原型觀測分析時，必須根據測站渠道實際情況進行。限于當前渠道建設及維護管理水平，則克臺(北岸干渠)現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常性的清淤與修復，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，導致糙率率定結果不盡相同。渠道糙率和渠道襯砌施工工藝、施工質量、運行管理水平等密切相關，對于運行時間較長的渠道而言，在進行糙率觀測和分析時必須充分考慮渠道淤積等因素對過水能力的影響，以提升結果的準確性。