（农业水土工程专业论文）海漫柔性加糙的水力学试验研究.pdf

摘要 平原灌区水闸闸下冲刷破坏严重且普遍存在。冲刷破坏位置绝大多数发生在消力 池下游海漫及防冲槽处。冲刷破坏原因很多，当消力池设计合理，闸下出流消能充分 的情况下，海漫末端仍会产生冲坑，其产生的原因除还有剩余的动能外，主要是由于 断面流速未恢复常态，近底流速偏大所致。 本文在对海漫加糙已有研究的基础上，对不同个轮胎糙体组合后的断面流速分布 规律进行了细化试验，原来试验是在加糙体后2 0 c m 处近底流速只测一点，现增加为 3 5 点，选定了2 0 c m 、2 5 c m 、3 0 c m 、3 5 c m 四种水位工况，加糙体分别布设一至七排， 量测加糙体后垂直水流方向的平面上各观察点的流速值，进行加糙机理的分析，得到 随着水位和糙体排数的增加，距槽底7 5 c m 以下部分的流速相对减小，距槽底7 5 c m 以上的轮胎面上部周围形成一个相对大的流束带，水位为2 5 c m 以上时，轮胎孔中心正 对的测点c 4 点的流速不再比上一层b 4 点的流速大。在糙体增加到七排时，1 、3 点 的流速线也由有折点的线变成一条相对平滑的曲线。通过对近底流速在水位、糙体排 数、断面位置的影响下进行了曲线拟合，得到了近底流速的拟合公式。 分析了在不同水位不同糙体布置下断面上各点的流速变化情况，和不同水位下同 糙体排数同一点处流速变化情况。由于试验条件及时间所限，所得结论还需实际工程 试验验证。 关键词：海漫；糙体；布置形式：断面流速 s t u d yo n t h em e c h a n i s mo fw a t e ro ff l o wb ya d d i n g t h ef l e x i b l er o u g h n e s si nt h es e ab o t t o m a b s t r a c t u n d e rt h ep l a i ni r r i g a t i o na r e ad a mf l o o d g a t ew a s h e so u tt h ed e s t r u c t i o nt ob es e r i o u s a l s ot h eu n i v e r s a le x i s t e n c e w a s h i n go u td e s t r o y st h ep o s i t i o no v e r w h e l m i n gm a j o r i t yt o o c c u ri nt h et o eb a s i nd o w n r i v e rs e ai n u n d a t e sa n dg u a r d sa g a i n s tf l u s h e st h et r o u g hp l a c e t h er e a s o n so fw a s h i n go u tt h ed e s t r u c t i o na r ev e r ym a n y , w h e nt h et o eb a s i nd e s i g ni s r e a s o n a b l e ，u n d e rt h ef l o o d g a t et h ec l a s sd i s a p p e a r sc a ni n t h ef u l ls i t u a t i o n ，t h es e a i n u n d a t e dt h et e r m i n a ls t i l lt ob ea b l et op r o d u c ef l u s h e st h ep i t ，i tp r o d u c e dt h er e a s o n b e s i d e sa l s oh a dt h ek i n e t i ce n e r g yw h i c hs u r p l u ss h o u l dd i s a p p e a r , m a i n l yw a sb e c a u s e t h ec r o s ss e c t i o ns p e e do ff l o wh a sn o tr e s t o r e dt h eh a b i t ，t h en e a rb o t t o ms p e e do ff l o w w a st h er e s u l to fg r e a t l y t h i sa r t i c l ei ni n u n d a t e st ot h es e aa d d sr o u g h n e s sh a dt h er e s e a r c hi nt h ef o u n d a t i o n ， a n dh a dad e t a i l e dt e s to nt h ed i s t r i b u t i o no fs p e e do ff l o wo fs e c t i o nb e h i n de a c hd i f f e r e n t t y r e u g h n e s sw h i c hi sc o m b i n e d ，p l u st h eo r i g i n a li nt h eb e h i n do ft h er o u g h n e s so ft h e n e a r l y2 0 c mn e x tt ot h ee n do fi t ，i sm e a s u r e do n l yo n ep o i n t n o wi n c r e a s i n gb y35p o i n t s ， a n ds e l e c t i n g2 0 c m ，2 5 c m ，3 0 c ma n d3 5 c m ，w h i c hi sf o u rk i n d so fw a t e rl e v e rw o r k i n g c o n d i t i o n s t h er o u g h n e s si ss e tu pf r o mo n et i l ls e v e nr o w sr e s p e c t i v e l y , m e a s u r i n gt h e s p e e do ff l o wt h eo b s e r v a t i o np o i n ti nt h ed i r e c t i o no fw a t e rf l o w , b e h i n dt h er o u g h n e s s a n dv e r t i c a lc r o s ss e c t i o n ，a n dc a r r y i n go u tt h ea n a l y s i sa d d i n gr o u g h n e s sm e c h a n i s m w i t h t h ew a t e rl e v e ra n dr o w so fr o u g h n e s si n c r e a s i n g ，n o wt h es p e e do ff l o wa tt h eb o t t o mp a r t o ft h ec h a n n e lu n d e r7 5 e r ai ss m a l l e rr e l a t i v e l y , b u ta tt h eb o t t o mo ft y p ea b o v e7 5 e m ， f o r m u l a t e dar e l a t i v e l yl a r g ef l o wb a n d i n g t h et y r ei st h ec e n t r a lo ft h eh o l em e a s u r i n g p o i n tc 4 ，w h i c hi sb i g g e rt h a nu p p e rt h a to fb 4 ，w h e nt h en u m b e ro fr o w o fr o u g h n e s s r e a c h e s7r o w s ，t h el i n eo ft h es p e e do ff l o wi sc h a n g e df r o mab r o k e nl i n ei n t oar e l a t i v e l y s m o o t hc u r v eo n e ，u n d e rt h ei n f l u e n c eo ft h ew a t e rl e v e l ，t h er o w so fr o u g h n e s so ft h e l o c a t i o no fs e c t i o n ，a n dt h es p e e do ff l o wn e a rt h eb o t t o ma r eb e i n gs i m u l a t e d ，a n dr e a c h e s t h es i m u l a t e df o r m u l af i n a l l y a n a l y s i st h ec h a n g e si nt h es p e e do ff l o wo ft h er e s p e c t i v ep o i n ta b o v et h es e c t i o n u n d e rt h ed if f e r e n tw a t e rl e v e l ，a n dd i f f e r e n tr o u g h n e s sb o d yo fa r r a n g e m e n tf o r m ，a n d a n a l y s i st h ec h a n g e so ft h es a m eo n ep o i n to f t h er o w so ft h es a m er o u g h n e s sb o d yu n d e r t h ed i f f e r e n tw a t e r1 e v e l b e c a u s et h ec o n d i t i o no ft e s ta n dt i m ea r el i m i t e d ，t h eg a i n e d c o n c l u s i o nn e e d sr e c t i f y i n gu n d e rt h ea c t u a lp r o j e c tf u r t h e r k e y w o r ds ：t h es e ai n u n d a t e s ；r o u g h n e s sb o d y ；a r r a n g e m e n t f o r m ；c r o s ss e c t i o ns p e e do f f l o w dir e c t e db y ：p r o f w e nh e n g a p p lic a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：z h a n go u a n qin g ( a g r i c u l t u r a lw a t e r - s o i le n g i n e e r i n gs e l e n e ) ( c o l l e g eo f h y d r a u l i ca n dc i v i le n g i n e e r i n g ，i n n e rm o n g o l i a a g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y ，h u h h h o t0 1 0 0 18 ，c h i n a ) 内蒙古农业大学 研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢蚵 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果j 也不包 含为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说。 明并表示谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 、，_ $ 论文作者签名：看型蠢日期：坦玉纠乡够 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，印：研 究生在攻读学位期闻论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他手段保存论文 1 争 论文作者签名：趔塑 一 指导教师签名：瘥幺坯一 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 引言 1 1 问题的提出 水利工程中，水闸的各类破坏以闸下冲刷破坏所占比例最大，将近一半。其中全 国每年由于闸下冲刷而引起的水毁工程维修款数额巨大，以内蒙古河套灌区为例，每 年为此花费近数百万元的治理费用。这样的问题不能不引起我们的重视，如何能使闸 坝工程的日常维修费用降低，采取何种措施来防止闸下冲刷破坏，这是多少年来大家 一直在对其进行研究的关键。 产生闸下冲刷破坏的原因很多，诸如消能设计标准选择不当，平面布置不合理， 渠床土质松散，闸门运行管理不当，以及跃前断面水流弗氏数常低于4 5 产生不稳定 水跃或波状水跃使消能不充分，水流扩散不良等。使得过闸水流近底流速大于河床不 冲流速，进而产生冲刷破坏。其部位绝大多数发生在海漫下游及防冲槽处，造成海漫、 防冲槽、两岸护坡等不同程度的破坏，严重威胁水闸主体和闸下渠床的安全与稳定。 归纳上述各种原因，其中非常重要的是消能设计条件不合理，因为各种消能工设计都 有一定的水力条件，很难有一种消能措施能适应各级水位流量组合和任一种闸门开 启方式。已建的水闸消能结构设计都是以恒定均匀流为设计依据，而实际上，水闸在 放水运行过程中是由历时较短的非恒定流和其后的恒定流两部分组成。非恒定流阶段 冲刷强度较大，冲刷量占全部冲刷的5 0 左右。即使消力池设计合理，闸下出流消 能充分的情况下，海漫末端仍会产生冲坑。经过研究分析发现，其产生的原因除还有 应消未消的动能外，主要是由于从消力池出来的水流断面流速未恢复常态，其底部流 速偏大所致。经过大量的调查研究发现，海漫没有充分发挥其进一步消能和调整流速、 流态的作用确是其中一个重要的原因。为减小海漫末端的冲刷，我们采取的一种方法 是加长海漫的长度，另一种方法是在海漫上采取一定的措施来达到调整流速和消能的 目的。 由于闸下通过消力池的水流仍具有较大的动能，为了保证池后河床不被冲刷，消 力池后要修建海漫。海漫的作用是“消减水流剩余能量，使水流均匀地扩散，调整流 速分布，减少底部冲刷。 水闸一书在提到海漫设置时指出，海漫应具有一定的柔性、透水性和粗糙的 表面。但是具体操作中，往往把海漫表面做成平面，( 见水工设计手册6 - 2 3 ) 难以发 挥进一步消能和调整流速分布的作用。它的相对糙率度( k s h ) 只有超过o 2 5 时， 海漫的糙率才会效果显著。以目前实际工程中海漫的相对粗糙度一般不超过o 2 5 ， 故海漫调整流速和消能的能力很低，致使冲刷普遍且严重。从上可知进行海漫加糙的 研究显得优为重要。内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院文恒教授想到利用废旧 轮胎给海漫加糙。在工程原型试验中，于1 9 9 9 年在河套灌区冲刷较重的黄济干渠一 闸，2 0 0 0 年又在乌拉河干渠四闸、乌拉河一闸进行了现场轮胎加糙试验。结果海漫 轮胎加糙防冲效果十分明显，不仅使原有的冲刷现象不再发生；而且冲坑深度自动回 2 海漫柔性加糙的水力学试验研究 淤变浅，冲刷范围减小，淘坡现象也不再发生。水流流态也较加糙前平稳正常。轮胎 糙体体现了明显的优越性，如成本低、抗冲击、耐腐蚀、不易老化，具有柔性不易缠 挂材草，避免了壅高下游水位而影响下泄流量。且有各种不同大小直径，可满足不同 水位需要等。为了将研究成果应用于实际工程，2 0 0 2 年又进行了动床模型试验，2 0 0 4 年进行了定床模型试验，获得了八排糙体等间距梅花状布置于海漫的优选设计方案。 原来试验是在加糙体后2 0 c m 处近底流速只测一点，本论文是利用较大尺寸的模型轮 胎在不同水位下、不同糙体排数下进行更细化的试验，通过加密的数据，进一步分析 轮胎加糙减速的机理。 1 2 应用价值及前景 目前，专门为海漫制作加糙体来增糙防冲的实例很少，用具有柔性的废旧轮胎来 增糙防冲也仅有我校已开展此项研究。如果试验研究成功，不仅可以防治闸下冲坑的 发展，确保水闸、渠道安全运行，而且可以节约大量年修费用，还可以变废为宝，保 护环境，防污染。河套灌区现有干渠以上渠道1 4 条，分渠4 7 条，支渠3 0 0 多条，支 渠以上渠道建有水闸1 4 0 0 多座，需要进行闸后冲坑治理的水闸近1 0 0 0 座。如果这项 技术在这1 0 0 0 座水闸上推广应用，经济效益将是十分可观的，同时也具有良好的社 会、生态效益。它将为水闸的设计和管理工作提拱理论依据。进而把该项技术推广到 全国平原区水闸消能防冲上将具有十分深远的经济意义。 1 3 国内外研究进展 国内外学者对消能的研究已有多年的历史，并且作了大量的工作，得到许多宝 贵的经验，但是闸下消能防冲问题未从更本上得到解决。闸下产生冲刷的原因很多， 但以往大多研究精力放在平面布置、消能防冲标准是否合理、闸门开启操作是否规 范等方面，对海漫的研究没有给予足够的重视。清华大学博士生王晋军在明渠中加 糙方面有深入的研究，他在研究中得出结论认为：只有相对粗糙度达到o 2 5 时，糙 率的增加才明显。目前，除我校外，专门研究海漫加糙技术在国内外学术期刊中未 曾涉及到，而这种废旧轮胎柔性加糙，变废为宝的海漫增糙措施更是无人提及。2 0 0 0 年3 月文恒教授委托内蒙古科学技术信息研究所就海漫增糙技术在全世界范围内进 行查新，检查结果：在国内外1 0 个数据库中查出五篇仅涉及海漫长度与海漫末端冲 坑之间关系的文献，除此未找到涉及海漫相对糙率与冲坑之间的关系的论文。在国 外数据库中未查到有关“海漫相对糙率”方面的文献。作者查询近几年国内外的各 种重要水利文献，也仍未见到报道，所以闸下海漫增糙消能技术的研究目前在国内 外几乎为空白。海漫加糙在我校研究已有十几年的过程，1 9 9 3 年研究生王永利在赵 福林教授和文恒教授的指导下完成的非恒定流在消能设计中的应用及海漫加糙技 术对冲刷影响的研究，首次在模型试验中采用橡胶防滑垫柔性加糙体，进行加糙前 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 后的闸下冲刷试验，观测试验发现海漫加糙后减小了海漫冲坑深度和冲坑长度范围， 有效改善了断面流速分布。 在野外工程原型试验中，这三座节制闸均为闸下冲坑严重的水闸，通过对轮胎 加糙，闸下冲刷现象均得到明显缓减。经过两年的输水运行，海漫下游冲坑在未加 任何处理情况下自行回淤。黄济一闸海漫下游冲坑深度由海漫加糙的4 4 米，回淤 到1 1 米，两岸淘刷处也已落淤和原坡脚齐平。乌拉河一闸下冲坑深度由加糙前的 4 5 米，淤积为1 2 米。乌拉河四周闸下冲坑深度由加糙前的3 3 米，淤积为0 7 米，冲坑面积分别减少2 2 、1 8 、1 9 。防冲效果十分明显，水流流态也较加糙前平 稳正常。 研究生任会和李鹏飞分别在2 0 0 2 年和2 0 0 4 年在导师文恒教授的指导下分别完成 了海漫加糙对消能防冲机理的研究和海漫柔性加糙相对糙率的确定及加糙后对 近底流速影响的研究。闸下防冲机理的核心机理是降低海漫近底流速。任会通过模 型试验，证实了紧接海漫加糙体一段距离内近底流速降低明显，且冲刷明显减轻。李 鹏飞在相对粗糙度为o 5 6 5 珈4 2 3 条件下，进行了多种方案渠道均匀流模型试验， 对试验成果进行分析优选后，发现在海漫段只布置等间距的八排轮胎，就能起到降低 海漫近底流速的理想效果。2 0 0 5 届研究生王旺盛在导师文恒教师的指导下进行了海 漫柔性加糙设计方法的研究与防冲效果的验证，2 0 0 6 届研究生于庆峰对海漫加糙流 速的变化采用数学模型进行了模拟研究。 1 4 论文研究的内容和目的 研究环型加糙体在明渠水流中的水力学特性， ( 1 ) 单个加糙体后断面流速的分布规律 ( 2 ) 顺水流方向两排加糙体后断面流速的分布规律 ( 3 ) 顺水流方向两排以上加糙体后断面流速的分布规律 以前已从定性上研究出海漫柔性加糙体能降低近底流速，减小海漫下游的冲刷， 对不同个加糙体组合后断面流速的分布规律也进行了研究，本科题将利用较大尺寸的 轮胎模型细化地量测加糙体断面后的流速分布规律，进一步研究环型糙体消能减速机 理。 2 试验设备与研究方案设计 2 1 供水系统 试验的供水系统采用内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院水工实验室的供水 设备，循环式供水方式，利用定水位水箱向试验设备供水，如图1 。 4 海漫柔性加糙的水力学试验研究 图1供水系统 2 2 量测设备 流量由上游调节阀控制，由下游三角堰量测，三角堰顶角等于9 0 0 ，室内水温基 本恒定，不影响整个实验的测量结果。水槽和三角堰处水位用0 1 m m 精度的测针测 量，通过人工调节进水槽管道上的阀门来满足设计水位的要求，根据公式 q = i 4 h 2 。5 m 3 s 可计算出通过水槽的流量。 流速的测量采用成都科技大学水利科学所研制的c d l 8 6 型超声多普勒流速仪， 误差范围：绝对误差小于4 m m s ，相对误差小于2 ，流速测量范围：4 2 c r n s , - 一4 2 m s 。 2 3 糙体的确定 为模拟实际橡胶轮胎在海漫段的消能机制，本试验选用了外直径是1 5 c m ，内直 径是8 c m 的橡胶轮胎，该糙体的选择更符合实际轮胎糙体的水力学特性，而且它的 直径也比以前试验所用糙体增大1 倍，所测数据相对误差也会减小，比以前用弹性橡 胶圈更能真实的反映水流特性。小型轮胎成梅花状固定在水槽中，纵横向中心间距是 1 5 c m ，共布置了l o 个、1 2 l 型、共七排，糙体形状如图2 。 图2 环型糙体形状 u j ，叫 2 4 下游水深的确定 根据文献相对糙率度不小于o 2 5 ，糙率增加才明显，故定2 0 c m ，2 5 c m ，3 0 c m ， 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 3 5 c m 为模型试验水深。水槽未端安装有尾门，在试验前对它进行调节固定，采用管 道上安装的调节阀的开度大小来调节水槽中的水位。 2 5 模型设计与制作 海漫段布置的糙体长度是0 9 5 m ，海漫底板采用塑料板制作，两侧用玻璃制作 便于观察，轮胎糙体用螺丝钉加卡子固定在塑料板上，糙体在水槽中的布置如图3 。 图3 糙体平面布置图( 单位栅) 所测断面流速距下游最后一排糙体边距离是1 5 c m ，e 4 点正对轮胎中心线，也同水 槽中心线重合，该断面上流速测点分布如图4 ，在试验中分别测出每一个点上的流速 值。 6海漫柔性加糙的水力学试验研究 一 j l 广- h 价 g f 价 a 己厶 厶5a6 厶7 b 三b 3b4b5b6 b7 c 2c 3c0c 5c6 广7 d 2d3d4d 三d 6 i7 2 f 1 e0e 5 土 z ：量 士! ：二至上! 二羔土三：二量士兰：二量土 二至 上 2 6实验方案确定 图4 所测流速点分布( 单位嘲) 根据变化的水位，不同的糙体组合和没有糙体情况下共设计了3 2 种试验方案， 如表1 ，测出其不同情况下的断面流速进行分析。 表1 糙体加糙类型种类 3 试验结果及分析 试验模型进行了仔细地制作，在试验前进行了反复的放水试验，观察水流流态， 同时调整糙体上下游边界条件和水槽中的尾门，并将糙体的安装接近左右对称。在不 同水位、不同糙体组合下测得其通过水槽中的流量如表2 。 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 表2 不同方案下通过断面流量比较表 单位( i s ) 从上表看出了水槽中水位增加，相应的流量也增大，而且增加的幅度相近，说 明控制水槽中水位变化能满足试验的要求，根据水位变化同时表明流量的变化，测出 一定水位下的流量值，在水位一定时，改变糙体排数通过的流量绘制成图5 。 8 0 0 0 7 0 0 0 6 0 0 0 o5 0 0 0 n 点4 0 0 0 棚 媛3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 0 水深高度( c m ) 图5 一定水位不同楹体布置下通过的流量 3 1 在不同水位不同糙体排数布置下断面流速比较 研究在不同糙体布置下断面流速的分布情况，该种情况下共有8 种，分别比较在 一定糙体布置情况下，水位在2 0 c m 、2 5 c m 、3 0 c m 、3 5 c m 变化时断面流速的分布特点。 为了便于分析将水平方向的流速图线从上到下分别称作a 、b 、c 、d 、e 点流速线。 竖向线按测点编号从左到右依次称作1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 点流速线。对具体的测点 按纵横点交叉编号表示，如a 1 、a 2 、a 3 。 8 海漫柔性加糙的水力学试验研究 疗 e 制 嫣 n 3 1 1 无糙体不同水位下断面流速分布 水槽试验段不加任何糙体，测得断面后流速分布情况如图扣图9 。 1 5 y 距槽底高度( c m ) x - 水平距离( c m ) 图6 无糙体2 0 c m 水位下断面流速分布 们 e 测 煺 n ，0 5，一 y 一距槽底高度( c m ) x - 水平距离( c m ) 图8 无糙体3 0 c m 水位下断面流速分布 1 5 e 制 爝 n 0 5，- ：。 1 5 y - 距槽底高度( c m ) x 水平距离( c m ) 图7 无糙体2 5 c m 水位下断面流速分布 一0 4 5 着e o 4 珲n o 3 5 0 3 1 5 1 1 y 距槽底高度( c m ) x 测点距离( c m ) 图9无糙体3 5 c u 水位下断面流速分布 1 5 由上图看出在无糙体时，水槽中水流流速分布符合明渠水流流速分布特证，由槽 底向上流速逐渐增大，随着水位的增高相应的各点流速也增大，按理论水槽中心两侧 同一断面上的流速应是对称分布，实际测出值是不对称分布，这是由于水槽入流是从 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 水槽一侧进入再折转9 0 。，造成主流偏离不居中的缘故，在水槽中由底向上流速变化 不大，从而近底流速比较大。 3 1 2 一排糙体不同水位下断面流速分布 水槽试验段加一排糙体，测得断面后流速分布情况如图1 卜图1 3 。 去 堇 弹i 蔫 ；- ，乏墨二、 1 5 宅 捌 爆 n y 距槽底高度( c m ) x 水平距离( c m ) y 距槽底高度( c m )水平距离( c m ) 图1o 一排糙体2 0 c m 水位下断面流速分布 图1 1一排糙体2 5 c m 水位下断面流速分布 t o e 制 煺 n y - 距槽底高度( c m ) x - 水平距离( c m ) 图12 一排糙体3 0 c m 水位下断面流速分布 1 5 宙 宅 、一 瑙 斌 心 y 距槽底高度( c m ) x - 水平距离( c m ) 图13 一排糙体3 5 c r n 水位下断面流速分布 1 5 1 5 1 0 海漫柔性加糙的水力学试验研究 水槽中布置一排糙体时，断面上a 、b 、d 、e 点流线成一个“u 字型分布，糙体 两侧流速大，中间小，c 4 、d 2 、d 6 点的流速测得要大于上一层的流速，轮胎两侧1 、 7 点流速线由底向上变化不显著，这是因为轮胎安装在水槽中本身占据了水流正常的 过水断面积，空当处会受到水流的挤压作用，轮胎下部的背后受到的压能要比上部的 大，这部分能量转化为动能从空当处泄出，并使糙体前水位壅高，c 2 点、c 6 点是轮 胎两侧的点，a 4 是轮胎顶处的一点，这些部位受到轮胎面的阻碍，测得流速比其距 底高一点处d 2 点、d 6 点、b 4 点流速小。说明轮胎的背后水流降低，轮胎的中心和空 当处水流增大，轮胎项部上面水流和两侧壁处流速相差不大。 3 1 3 - i i e 糙体不同水位下断面流速分布 水槽试验段加两排糙体，测得断面后流速分布情况如图1 4 - 图1 7 。两排糙体布 置情况下，糙体后a 、b 、d 、e 点流速图线成一个“u ”字型分布，c 点流速图成一个 “w 型分布，糙体两侧流速大，中间小，轮胎中心c 4 点的流速大于上一层b 4 点的 流速，轮胎两侧1 、7 点流速线上相同高度流速相差比较大，这是由于轮胎安装和边 界条件存在不对称的原因造成的，a 4 点是在轮胎顶部的一点，但这个部位的流速要 比同高度的流速点要小的多，在轮胎与槽底接触处的前方水流中观察多普勒流速仪换 能器的汽泡有回流的现象，进一步说明轮胎加糙能降低渠底近底流速，减轻对槽底的 冲刷，而在空挡处随着水位的增大，流速也相对增大。 富 宅 、_ ， 倒 斌 心 y - 距槽底高度( c m ) x 水平距离( c m ) 图14 二排糙体2 0 c m 水位下断面流速分布 1 5 岔 宅 、- ， 翻 嚣 心 y 一距槽底高度( c m ) ，x 水平距离( c m ) 图15 二排糙体2 5 c m 水位下断面流速分布 1 5 内蒙古农业大学硕士学位论文 宅 瑙 嫣 曲 y - 距槽底高度( c m ) x - d , 平距离( c m ) y - 距槽底高度( c m ) x - d , 平距离( c m ) 图16 二排糙体3 0 c m 水位下断面流速分布图17 二排糙体3 5 c , , m 水位下断面流速分布 3 1 4 三排糙体不同水位下断面流速分布 水槽试验段加三排糙体，在不同水位下测得断面后的流速分布情况，如图1 8 一 图2 l 。 e 捌 煺 n 1 5 e 瑙 臻 n y - 距槽底高度( c m ) ) 。水平距离( c m ) y 距槽底高度( c m ) x 水平距离( c m ) 图18 兰排糙体2 0 c m 水位下断面流速分布 图19 - - 圭i i e 糙体2 5 c m 水位下断面流速分布 12 海漫柔性加糙的水力学试验研究 e 捌 煺 n y 距槽底高度( c m ) x - 水平距离( c m ) 图2 0 三排糙体3 0 c m 水位下断面流速分布 e 嘲 嫣 n y 距槽底高度( c m ) 水平距离( c m ) 图2 1三排糙体3 5 c m 水位下断面流速分布 1 5 在三排糙体布置情况下，b 、d 、e 点的流速线成“u 型，c 点的流速线成“w 型，a 点处的流速图成“m 字型，l 、7 点流速线的流速相差比较大，在槽底中部流 速较小，槽底两侧流速偏大，而环型糙体的中部流速比两侧大，在环的顶部由于受到 轮胎面的阻挡水流速度又减小，同时在其两侧流速又显著增大，在靠近水槽壁时流速 又减小，随着水位的增加，轮胎顶处的流速比其它点的流速增大的快，在水位增大时 轮胎孔中心的流速相对上一层测点流速变小。这是由于随着水位的增大，根据在明渠 水流中流速在断面上由底向上成抛物线分布，流量主要从上部通过，下面通过总流量 百分比小的原因造成的。 3 1 5 四排糙体不同水位下断面流速分布 水槽试验段加四排糙体，在不同水位下测得断面后的流速分布情况，如图2 2 - - 图2 5 。四排糙体成“2 1 2 1 型布置，由下图分析可看出，a 、b 点流速线成“m ”型， c 点流速线成“w ”型，d 、e 点流速线成“u 型，在四排糙体布置下b 点流速线出现 了由“u ”型向“m ”型变化的趋势，说明b 1 、b 7 点流速随糙体的增加流速在变小， 随着水位增大，a 、b 、c 点流速线趋于平缓。在2 0 c m 、2 5 c m 水位下，c 4 点流速分别 大于上两层水位a 4 、b 4 点的流速，在3 0 c m 、3 5 c m 水位下c 4 点流速只大于上一层b 4 点流速，说明随着水位的增大，轮胎孔口中的流速随水位增大在相对变小，距槽底 7 5 c m 以上高度时，2 、6 点流速线上的流速大于3 、5 点和槽壁处流速，开始在轮胎 上半部分周围形成一个大的流束带。 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 3 e 制 堰 n 1 5 y - 距槽底高度( c m ) x - 水平距离( c m ) 图2 2 四排糙体2 0 c m 水位下断面流速分布 e 制 煺 n y 一距槽底高度( c m ) x 水平距离( c m ) 田2 4 四排糙体3 0 c m 水位下断面流速分布 e 嫂 蟋 n 1 5 y 距槽底高度( c m ) x - 水平距离( c m ) 图2 3 四排糙体2 5 c , m 水位下断面流速分布 1 5 y 距槽底高度( c m ) 粕火平距离( c m ) 图2 5 四排糙体3 5 c m 水位下断面流速分布 3 1 6 五排糙体不同水位下断面流速分布 水槽试验段加五排糙体，在不同水位下测得断面后的流速分布情况，如下图2 6 一图2 9 。在五排糙体布置情况下，从下图中看出a 、b 点流速线成“m 型，d 、e 点 流速线成“u 型，c 点流速线随水位的增大由“w 型向“u ”型发展，随着水位的 增大流速线型逐渐变缓，在2 0 c m 水深下，轮胎孔中心的c 4 流速大于上部两层测点 a 4 、b 4 的流速，在2 s c m 、3 0 c m 、3 5 c m 水深下，轮胎孔中心的c 4 点流速只大于上一 与o 3 2 0 5 l n n 0 n 0 1 1 一协，一嘲姆z 1 4 海漫柔性加糙的水力学试验研究 层测点b 4 点的流速，表明随着水位的增加孔中心的流速在减小，a 4 、b 4 点处的流速 随着水位的增高流速在增大，该点处流速增大的幅度比a 3 、a 5 、b 3 、b 5 点大，在轮 胎孔中心两侧流速分布仍不对称，4 7 测点要比1 4 测点上对称点的流速值大，随着 水位的增大并没有明显减小的趋势。 e 制 煺 n 宅 瑙 嫣 n y 距槽底高度( c m ) x - 水平距离( c m ) 图2 6 五排糙体2 0 0 水位下断面流速分布 y 距槽底高度( c m ) x 水平距离( c m ) 图2 8 五排糙体3 0 c m 水位下断面流速分布 1 5 1 5 宅 幽 煺 n y - 距槽底高度( c m ) x 水平距离( c m ) 图2 7 五排糙体2 5 c m 水位下断面流速分布 e 幽 嫱 n y 一距槽底高度( c m ) x - 水平距离( c m ) 图2 9 五排糙体3 5 0 水位下断面流速分布 1 5 1 5 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 1 7 六排糙体不同水位下断面流速分布 水槽试验段加六排糙体，在不同水位下测得断面后的流速分布情况，如图3 卜 图3 3 。 ，一。： e 倒 煺 n 0 4 。 y 距槽底高度( c m ) x - 水平距离( c m ) 图3 0 六排糙体2 0 c m 水位下断面流速分布 o e 瑙 嫣 n y - 距槽底高度( c m ) x - 水平距离( c m ) 图3 2 六排糙体3 0 0 1 1 水位下断面流速分布 e 瑙 媾 n y 距槽底高度( c m ) x - 水平距离( c m ) 图3 1六排箍体2 5 c m 水位下断面流速分布 e 淄 煺 n y 距槽底高度( c m ) x - 水平距离( c m ) 图3 3 六排糙体3 5 c m 水位下断面流速分布 从上图中分析看出，a 、b 点流速线成“m 型，c 、d 、e 点流速线成“u 一型，轮 胎面前流速小，空当处流速大，安装糙体处降低了近底流速，轮胎孔中心的流速在 l 1 6 海漫柔性加糙的水力学试验研究 2 0 c m 、2 5 c m 水位时大于上一层测点的流速，水位为3 0 c m 、3 5 c m 轮胎孔中心的流速与 上层测点流速相差不大，说明随着糙体排数增加、水位的增高，下层流速相对减小， 在轮胎中心水平的两侧边由于是轮胎边缘的最宽部位，在水平方向上对水流的阻碍也 大，致使该处流速变小，距底7 5 c m 以上的2 、6 点流速线上的流速分别比1 、3 和5 、 7 点上的流速大，这表明在轮胎上部边缘背面的流线受到约束，因而流线绕过轮胎边 向下游流动，此处流线稠密，从而形成一个流速比较大的流束带。 3 1 8 七排糙体不同水位下断面流速分布 水槽试验段加七排糙体，在不同水位下测得断面后的流速分布情况如图3 4 m 图 3 7 。从下图中看出a 、b 点流速线成“m 型，c 、d 、e 点流速线成“u ”型，随着水 位的增大，c 、d 、e 线趋于更平缓。在2 5 c m 水位以上，d 7 点流速大于上一层测点流速， 说明随着水位的增加，轮胎中心水平两侧附近形成一个流速较小的流速带，且随着水 位的增加在六排糙体中已得到轮胎孔中心的流速也逐渐减小，在轮胎水平的边缘就形 成流线稀疏的状态，随水位的增大c 4 点流速相对b 4 点减小。以轮胎孔中心的高度 7 5 c m 为界，高于7 5 c m 时，2 、6 点流速线上的值是距底相同高度流速的最大值，低 于7 5 c m 时，l 、7 点流速线上的值是距底相同高度的最大值。 e 瑙 嫣 n y 一距槽底高度( c m ) x 水平距离( c m ) 图3 4 七排糙体2 0 c n 水位下断面流速分布 1 5 y 距槽底高度( c m ) x - 水平距离( c m ) 图3 5 七排糙体2 5 c m 水位下断面流速分布 1 5 与 4 o 2 5 t 0 0 0 0 0 1 1 一，山一缎螺z 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 7 o e 剥 爆 n y - 距槽底高度( c m ) x 水平距离( c m ) 图3 6 七排糙体3 0 c m 下断面流速分布 1 5 e 硝 鳝 n y 距槽底高度( c m ) 删( 平距离( c m ) 图3 7 七排糙体3 5 c m 下断面流速分布 小结：通过一定糙体布置的条件下，改变不同水位，测得不同断面上测点的流速， 通过上述试验数据得出，在水位为2 0 c m 、2 5 c m 时，c 4 点处的流速比其周围的测点流 速大，在水位为3 0 c m 、3 5 c m 时，c 4 的流速相对在2 0 c m 、2 5 c m 时减小；在距槽底7 5 c m 以下的流速也相对低水位时减小，距槽底7 5 c m 上流速相对增大，这是由于它在高水 位下，根据明渠中流速由渠底向上成抛物线形分布，在上部通过的流量百分比大，流 速也相应增大，水流流线在轮胎后受到了阻碍，流线在轮胎边缘比较稠密，从而在这 个面上成一个流速大的流束。随着糙体的增加，a 、b 点流速线由“u 型向“m 型 转变，c 点流速线由“w ”型向“u 型转变，d 、e 点流速线成“u 型分布，而且c 、 d 、e 点流速线随着糙体的增加和水位的增高而逐渐变缓。 3 2 不同水位下同糙体排数同一点处流速分析 在2 0 c m 、2 5 c m 、3 0 c m 、3 5 c m 水位下，糙体排数一定不同点上的流速比较，加上不 布置糙体情况共有8 种，分析轮胎断面后各点的流速随水位是如何变化的。 3 2 1不同水位下无糙体同一点处流速分布 水槽中不安装任何糙体时，比较l 7 点流速线上不同水位下流速分布情况，见图 3 8 一图4 5 。 1 8 海漫柔性加糙的水力学试验研究 2 5 畲 2 0 u 倒1 5 超 世1 0 耙 皤5 0 2 0 曼1 5 型 幄1 0 槛 颦 5 蛰 o 0 20 3 0 40 5 0 20 30 40 5 2 0 曼1 5 毯 惶l o 瞄 嚣 5 0 流速( r e s ) + 2 0 c m 水深 + 3 0 c m 水深 + 2 5 c m 水深 + 3 5 c m 水深 流速( m s ) + 2 0 c m 水深 十3 0 c m 水深 + 2 5 c m 水深 * 3 s c m 水深 图3 8无箍体4 点处流速分布图3 9 无糙体1 点处流速分布 0 2 2 0 暑1 5 趟 恒1 0 世 蔷5 0 0 3 0 4 0 5 流速( m s ) 名 3 趟 姬 世 颦 酬 2 0 1 5 1 0 5 o 0 20 3 0 40 5 流速( m i s ) 图4 0 无糙体7 点处流速分布 图4 1 无糙体2 点处流速分布 0 20 30 40 5 流速( m s ) + 2 0 c m 水深 十3 0 c m 水深 + 2 5 c m 水深 * 3 5 c m 水深 2 0 暑1 5 趟 恒1 0 磁 蓍5 0 0 20 30 40 5 流速( m s ) 田4 2 无糙体6 点处流速分布 图4 3 无糙体3 点处流速分布 内蒙古农业大学硕士学位论文 1 9 2 0 皇 31 5 捌 键 1 0 襁 颦5 斟 0 流速( m s ) 图4 4 无糙体5 点处流速分布 从上图看出从1 点至7 点的流速距槽底越高，流速越大，随着流量增加、水位增 高，距槽底等高度流速也增大，在该水槽中不加任何糙体时水流具备明渠层流边界条 件，流速按抛物线形规律分布。 3 2 2 不同水位下一排糙体同一点处流速分布 水槽中安装一排糙体时，比较1 7 点上不同水位下流速分布情况，见图4 5 一图 丐2 0 倒1 5 j 追 世l o 篓5 o 2 0 目 31 5 趟 | 匾1 0 搬 靶5 鳅0 00 20 40 6 0 3 0 3 50 40 4 50 5 流速( m s ) 图4 51 排糙体4 点处流速分布 流速( m s )