（市政工程专业论文）陡坡溪流雨洪排水水力学分析与实验研究.pdf

摘要 摘要 近年来随着城市化的发展也带来了城市水资源短缺、城市附洪灾害和水环境 污染等问题，引起一系列的水文效应。长期以来，雨洪掺气水流的水力特性及其 过流能力一直是困扰人们的重要问题，也是雨洪排水能力等精确计算的关键难题 之一。对陡坡溪流排水丌展系统的研究十分必要。 本文针对陡坡溪流雨洪水流的掺气机理和水力特点，对不同流量下水力要素 的变化趋势进行了理论和实验研究。根据明渠非均匀流理论，水的掺气理论以及 对掺气水流的水力特性的分析，作者研究了陡坡非均匀流曼宁糙率系数特性，分 析解释了陡坡沟渠糙率系数性质，并且得出了较为明显的糙率系数变化规律。作 者借助对陡坡溪流雨洪掺气水的形成机理和进水口的掺气浓度对进水口水力特 性影响的讨论和对实验数据的分析整理得出了掺气雨洪的过流水力特性和陡管 的过流系数，成果可供同类工程设计参考。 文中分析所依据的试验资料都足室内试验的结果，所以有一定局限性。但 是，就现阶段掺气水流研究进展情况来看，在原型掺气水流观测资料十分缺乏而 且很不完整的条件下，利用室内试验所得实测资料，对掺气后的明渠流动特性给 予定量分析，对水工建筑物上和陡坡雨洪管道气水两相流研究的进一步丌展是有 参考价值的。此外，一般非均匀流情况下糙率系数的变化规律和掺气水流的水力 特性及其过流能力，还有待于更进一步的系统研究。 关键词：陡坡溪流；雨洪：掺气水流；糙率系数；过流能力 a b s t r a c t a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h eu r b a nw a t e rr e s o u r c e sw i l lb es h o r td a yb yd a yw i t ht h e u r b a n i z e dd e v e l o p m e n t t h e r ea r eal o to fp r o b l e ms u c ha st h eu r b a nr a i nf l o o d i n g d i s a s t e r , w a t e re n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ne t c ，i th a sc a u s e das e r i e so fh y d r o l o g ye f f e c t s i n c eac o u p l eo fd e c a d e s ，t h eq u e s t i o no nt h er a i nf l o o da e r i f i c a t i o nc u r r e n to fw a t e r s h y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i ca n do v e r f l o wa b i l i t yt h a th a v eb e e np u z z l et h ep e o p l e ，h a s b e e ng e t t i n gt h em o r ea n dm o r es e r i o u s l yc o n s i d e r a t i o n ，a n dh o wt om o r ea c c u r a t e l y c o m p u t ei sad i f f i c u l tp r o b l e m i ti sv e r ye s s e n t i a lt od ob a s i cr e s e a r c h e so nt h es t e e p s l o p eb r o o kd r a i n i n gw a t e rs y s t e m t h es t u d i e sa r ef o c u s e do nt h es t o r mw a t e r d r a i n a g ew i t ha e r a t i o nm e c h a n i s mo f t h es t e e ps l o p e sa n di t sh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c s t h ea u t h o rh a sd o n eat h e o r e t i c a l a n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e ss y s t e m a t i c a l l ya n di n d e p t ht h r o u g hs t u d y i n gt h ef e a t u r e s o fh y d r a u l i cp a r a m e t e r sw i t hd i s c h a r g ev a r y i n g b a s e do nn o n u n i f o r mo p e nc h a n n e l f l o wt h e o r y , t h et h e o r yo fa e r a t i o nw a t e ra n da e r a t e df l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h e h y d r a u l i ca n a l y s i s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a n n i n gr o u g h n e s sc o e f f i c i e n t t o n o n u n i f o r mf l o wo ns t e e ps l o p e s ，s t e e ps l o p e sa n dd i t c h e so nt h en a t u r eo fr o u g h n e s s c o e f f i c i e n ta r ei n v e s t i g a t e da n dt h ea n a l y s i sa n di n t e r p r e t a t i o na r eg i v e nt ob em o r e o b v i o u s i ti sd i s c u s s e dt h a tt h ea e r a t e dw a t e rm e c h a n i s ma tt h ei n t a k eo fs t e e ps l o p e s d u et of l o o di sf o r m a t t e da n dt h a tt h ea e r a t e dc o n c e n t r a t i o ni m p a c t so nw a t e rf l o w c h a r a c t e r i s t i c s a na n a l y s i so fo v e r - a e r a t e dr a i n w a t e rh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e s t e e pa e r a t e dr a i n w a t e rp i p ef l o wc o e 伍c i e n ta r eo b t a i n e db a s e do nt h ee x p e r i m e n t a l d a t a ，w h i c hc o u l db ea st h er e f e r e n c et oe n g i n e e r i n gd e s i g nf o r t h es i m i l a rp r o j e c t t h i sa n a l y s i si sb a s e do nt w og r o u pt e s td a t aw h i c ha r eg o t t e ni nl a b o r a t o r yt e s t s d u et oi n c o m p l e t i o na n dl a c ko ft h ep r o t o t y p eo b s e r v a t i o nd a t a , i ti sn e c e s s a r yt od o q u a n t i t a t i v ea n a l y s i su s i n gt h el a b o r a t o r yt e s td a t af r o mt h es y s t e m a t i c a l t e s to f a e r a t e do p e nc h a n n e lf l o wc h a r a c t e r i s t i c s t h et e s td a t aa r ea l s oi m p o r t a n tf o rf u r t h e r r e s e a r c h i n go nh y d r a u l i cs t r u c t u r e so fs t e e ps l o p e s ，r a i n w a t e rp i p e sa n dg a s - w a t e r t w o - p h a s es t u d y i na d d i t i o n ，i no r d e rt oa c h i e v eam o r ec o m p l e t er e s e a r c hp r o j e c t s ，i t r e m a i n st ob ef u r t h e rs t u d yo nt h ec h a n g e so fn o n - u n i f o r mf l o wr o u g h n e s sc o e f f i c i e n t a n do nt h eh y d r a u l i cf l o wc a p a c i t y k e y w o r d s ：s t o r m i n gs t r e a m so ns t e e ps l o p e s ，f l o o d ，a e r a t e dw a t e r ，r o u g h n e s s c o e f f i c i e n t ，d i s c h a r g ec a p a c i t y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论支中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 匕塞王些太堂或其它教育机构 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了谢意。 关于论文使用授权的说明 喇羽日 本人完全了解j e 塞王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：獬导谛签名：二坳日期：旌缉筚上卑盈且 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1概述 城市化是社会经济发展的一大主题，也是现代文明发展不可逆转的走向。目 前我国正以世界罕见的速度推行城市化，我国的城市数量己增加到6 6 0 多个，城 市化水平为4 1 8 ，城市地区的经济对国内生产总值的贡献率己经超过7 0 ，全 国城镇人口达到5 4 亿人，城市人口占总人口的3 0 左右，预计到2 0 2 0 年前后 可达到5 0 6 0 【。据国家统计局提供的数字，1 9 9 0 年到2 0 0 1 年1 1 年问，我 国地级市数量由1 8 8 个增加到2 6 9 个，城市覆盖的面积达4 0 5 9 万k m 2 ，比1 9 9 0 年增加2 1 9 2 力k m 2 【2 1 。城市化使经济飞速发展，城市规模不断扩大，城市人工 建筑物不断增加，但同时城市化的发展也带来了城市水资源短缺，城市雨洪灾害 和水环境污染等问题，引起一系列的水文效应【3 1 。 城市排水设施是排除城市雨水防止洪涝灾害，保护人民生命财产安全重要的 基础设施。城市雨水排放设施是城市防洪除涝工程的重要组成部分。完善的城市 雨水排放设施是城市地面水及时排除避免水涝灾害的重要保障。城市降雨形成径 流的总量虽然并不很大，但是全年降雨的大多集中在汛期，特别是处于陡坡地段 的雨洪，由于坡度大，汇流快，如处置不当，往往会造成巨大的洪涝灾害，因而 必须通过城市排水系统，对雨水的排放进行适当控制，保护人民的生命财产不受 洪水的威胁。 城市雨洪系统的规划设计需满足城市发展的需要保证城市正常的运作、 防治洪涝灾害、减少环境污【4 1 。对雨洪形成发展过程中流动的特性认识和定量分 析方法，无疑将有助于更准确地确定雨洪排泄明渠和管道的排泄能力，从而提高 设计的可靠性和经济性。 随着计算机技术的发展，促使流域水文模型和城市雨洪模型的蓬勃发展。欧 美等发达国家从上世纪六十年代至七十年代相继开发出用于水文计算和城市防 洪的计算机软件系统以满足工程设计和管理应用的要求。迄今得到广泛应用有： 美国环保局( u s e n v e r i m e n t a lp r o t e c t i o n a g e n c y ) 的雨洪水管理模型( s w m m ) ； 美国陆军工程兵团( u s a r m yc o r p so f e n g i n e e r s ) 水文、水力学h e c 系列模型 【5 ，6 】等。这类软件系统对流域、水库储蓄、河系、径流、地下水、水质污染及迁移 和城市管网系统的模型构建和程序实现；实现了对河道水面曲线的模拟和管网明 满流的模拟和城市管网过流能力与管进水口涌水的模拟。目前国内已有一些结合 我国实际的研究成果问世，如北京市的水利和城建部门合作，进行了北京市雨洪 分析和控制调度的分析；铁道科学研究院茜南研究所进行的城市化对降雨径流影 北京t _ i k 大学工学硕七学位论文 响的研究；河海大学和上海市政工程设计研究院合作，进行了城市雨水管道计算 模型的研究【7 j 等。这类大的、宏观的模型多以集中参数方式构建，对河流和管系 部分是按分布参数模型构建的。陡坡溪流和掺气水流在管道的明满流动的分析将 有助于对上述分命模型完善。 基于中国水利水电科学研究院水力学所承接的香港岛内位于p o k k f u l a m r a o d8 0 号斜坡上的雨洪入水口性能研究的模型实验，作者提出“陡坡溪流雨洪排 水水力学分析与实验研究”的研究课题，旨在探索渠底砾石自然分布下阻力系数 的确定方法和明渠掺气水流汇集流入管道中的排泄能力计算问题。依据模型实验 数据的校核，从而得到能够满足工程应用的数学分析计算模型，其成果对新建城 镇雨水排放设施设计及旧城改造中原有的排水设施的利用分析具有指导意义；陡 坡流动特性的研究成果亦可对山坡溪流的水土保持的定量分析提供理论依据。 1 2 糙率系数研究现状 对明渠均匀和非均匀流的粗糙度和曼宁系数的确定研究，文献【8 i l 】中得出， 不同的学者在不同年代、不同地点所做的水流实验资料并且依据这些大量的实验 数据建立相应公式，可以认为这些公式基本形式描述了水流运动( 明渠水流和管 流) 的客观规律。经过这样一段历史过程，水力学界终于有了得到公认的明渠水 流计算公式。但是，实践表明公式中的糙率系数n 并非常数，需要根据不同情况 取不同的值。然而对自然陡坡河道的急流此类问题研究不多。 为了探索糙率系数的取值范围和取值规律，为水力计算提供依据，人们进行 了大量的研究工作【1 3 9 1 。早期人们认为糙率系数是表征壁面粗糙程度的系数，因 此，整理出糙率系数与壁面条件的关系，形成所谓的糙率系数表【2 0 , 2 1 】。一般的水 力学著作【1 2 2 2 】中都附有糙率系数表供人们参考。在糙率系数表中，给出了人工渠 道或天然河道在不同的规模，不同的河床和岸坡的材料、粗糙程度及植被情况， 不同的断面形状，不同的河道弯曲程度等各种条件下的糙率系数取值范围。应该 承认，这些糙率系数表都是基于大量的实测数据而形成的，有相当的参考价值， 可凭借经验从中确定糙率系数。但由于糙率系数的影响因素十分复杂，在些工 程设计和水力计算中，选用的糙率系数与实际情况不符，出现较大误差【2 3 脚6 1 ， 据文献【2 3 】称，其最大相对误差达5 8 。由此，确定糙率系数的难度可见一斑。遗 憾的是，糙率系数的相对误差可导致流速或流量具有同等大小的相对误差【2 7 1 。因 此，不论模型和计算方法多么正确，如果选用的糙率系数误差较大，对计算结果 仍会产生很大影响。 明渠水流是对具有自由表面的水流在有限尺度的固体边界约束下流动行为 的一种概化。明渠水流涵盖的对象非常广泛，它包含天然的大江、大河、小河、 小沟、人工修建的渠道。当在雨水管沟、山间溪流沟道等沟渠中的水流具有自由 表面时，也作为明渠水流处理。因此，在工程中遇到的明渠水流的过水断面形状 第1 章绪论 十分复杂，既有比较规则的断面形状，如人工修建的渠道和河道的断面，也有不 规则的断面形状，如天然溪流沟道的断面，既有随水深变化，断面形状和面积发 生有一定规律的连续的变化。因此，要找到陡坡溪流水流运动的基本规律，可以 用明渠水流计算的基本方法和基本关系式为基础进行推演。 众所周知，十八世纪下半叶，谢a 公式被普遍承认和使用，标志着人们对明 渠水流运动规律已经建立了比较客观的认识和j 下确的计算方法。谢才公式适用于 紊流粗糙区的明渠恒定流计算，其表达式被认为是明渠水流的基本关系式沿用至 今。谢才公式中出现的谢才系数是一个经验系数，不为常数。它与糙率系数的关 系直n - 十世纪初曼宁( m a n n i n g ) 公式得到公认以后得以确认。因而，在使用谢才 公式进行明渠水流计算时，同样将遇到糙率系数的选择问题。 十九世纪下半叶，圣维南方程组的提出，建立了一维明渠非恒定流的数学模 型，奠定了一维明渠水流计算的基础。随着对圣维南方程组数值解法研究的不断 进展，以及计算机软、硬件的飞速发展，一维明渠水流计算技术已经比较成熟和 完善。目前，所有对圣维南方程的解法中，都用到了谢才公式所表达的明渠水流 的基本关系式。因此，在一维明渠非恒定流计算中，同样存在糙率系数的确定问 题。 尽管一维明渠水流模型和计算方法己较为成熟，但如何正确地选择和确定 模型中的糙率系数，却是应用模型进行计算的关键而又棘手的问题之一。对于二 维模型，简单地使用一维的糙率系数将会给计算带来误差”7 1 。 虽然人们认识到糙率系数在模型中的重要性，可是要想正确地选择糙率系数 却十分困难。如前所述，首先，糙率系数的含义十分复杂，客观上它与明渠的壁 面粗糙程度、过水断面的形状、尺寸、流量和水深等诸多因素有关，不为常数， 以致于至今人们还未对其有确切的认识。由于客观上糙率系数可以反映水流的综 合阻力效果，故有人将其称为综合阻力系数。其次，人们对糙率系数的取值规律 还缺乏全面认识，计算时主要是根据表面粗糙程度并凭经验取值，再根据计算对 象的具体情况和实测资料，在计算过程中对糙率系数的取值作出调整和修谁。由 于对糙率系数的选取存在很大变数，如果没有足够多的实测资料用以验证计算结 果，那么计算结果的可信程度是一个很大的问题。实践表明公式中的糙率系数n 并非常数，需要根据不同情况取不同的值，因此，如何确定糙率系数则成为人们 研究和探讨的课题。对于陡坡溪流的计算中，如何选择糙率系数一直是困扰人们 的重要问题，也是实现明渠水流精确计算的关键难题之一。长期以来，对糙率系 数的研究大多以应用为目的，缺乏系统的、基础性的研究，研究成果难以推广。 对糙率系数的特性开展系统的研究十分必要。 作为紊流问题中的一个分支，明渠紊流一直是国内外学者研究的课题。随着 各种先进的量测技术投入应用，人们在明渠紊流的分区结构、流速分布、切应力 北京1 = 业大学t 学硕十学位论文 分布及紊动特性等方面取得一批研究成果，对明渠紊流的认识提高了一大步。但 根据目前掌握的研究成果，这些研究主要针对均匀流展开，对于自然界更为常见 的非均匀流的研究则很少。 陡坡溪流在山区、高地等天然水( 渠) 沟中，溪流、雨水径流等一种自然 水体流动现象。随着经济、社会发展，城市化建设的进程步伐加快，很多无人居 住的山区、风景区边缘越来越城市化，陡坡溪流阻力系数问题也是陡坡沟道等糙 率系数与雨洪是密切相关问题，因此陡坡溪流的雨洪研究越来越有必要。 本文拟对明渠糙率系数的性质、影响、因素取值规律等进行较为系统的研究， 力图在深入、全面地认识糙率系数的特性及其在应用中的作用做些研究工作。由 于在此研究中需涉及明渠均匀流和非均匀流，本文将对非均匀流的紊流特性丌展 实验研究，并尝试将明渠的糙率系数特性与紊流特性结合起来分析，在研究明渠 紊流特性的基础上，对糙率系数的性质和变化规律提出新的认识。 1 3 掺气水流的研究现状 1 3 1 水力特性的研究 掺气水流是水利工程中常见的水流现象，也是工程水力学研究的重要问题之 一。随着计算技术的迅速发展，人们越来越多地采用数学模型加强和深化水流运 动的研究。特别是近几十年来，紊流数学模型在研究各种流动现象中得到较为充 分的发展和应用，因而采用紊流模型研究水气两相流同益引起人们的兴趣并取得 了有意义的成果【2 8 2 9 1 。 水气二相流是复杂的流动现象，许多机理尚不清楚，给建立完善的数学模型 带来极大的困难，但实验研究又有其局限性，因而建立相对完善的数学模型则是 目前有益的发展方向。 水流掺气与未掺气时相比，因密度和粘性的变化，前者的内剪力及壁面阻力 都将小于后者，从而水流掺气后的水相速度也将大于未掺气时的水流速度，这种 减阻增速效应，在前人的研究中只是宏观、间接地提出过。 前人对于明流自掺气现象机理的解释，大致有两种观点：一种是着眼于水流 和空气在其交界面( 自由水面) 附近相互影响的表面破碎理论，认为水和空气相对 运动会形成表面波，相对速度足够大时，这种表面波会失稳破碎而卷入空气。按 这种观点，只用流速一个参变量就能表征掺气的发生与发展。比如苏联有的学者 假定表面波摆动周期等于表面流速脉动周期，推求出开始掺气的表面流速应为 1 0 4 5 米秒，相当于断面平均流速v = 7 5 8 0 米秒【3 0 】，并有人提出过只与v 有关 的掺气水深估算公式，但现在看来，这种观点至少是不全面的。足够多的原型 观测和室内试验资料表明，掺气现象会在v 远小于7 5 米秒的各种情况下发生； 资料还表明，具有不同边界糙率的渠槽断面，即使流速等其它条件都一样，其掺 4 笫1 章绪论 气浓度仍会大不一样。 解释明流自掺气机理的另一种观点是着眼于水流与固体边界相互作用的紊 流边界层理论，认为随着水流在明流陡槽上加速( 即紊动加剧) 的过程，由水流底 层开始的紊流边界层逐步发展加厚，以致到达自由水面，当垂直向紊动分量足够 大，一些水质点就要跃离水面，并在落下时带入空气 3 2 1 。基于这种观点，有的学 者研究了渠槽纵剖面上掺气开始点( 临界点) 的位置【3 3 】，有的学者研究了掺气范围 以及掺气浓度的相对分伟规律【3 4 3 5 】，这类研究在继续发展中。 笔者认为，既然水流与空气、固体边界都发生相对运动和相互作用，则紊流 边界层发展和水流表面失稳破碎，实际上是一个综合现象中有密切联系的两方 面，前者促进了后者发生，加速了后者的发展。因此分析水流掺气的影响因素时 应综合考虑流体方面以及包括粗糙度在内的边界条件方面。设令掺气水流中掺气 体积与水、气混合体积之比为掺气浓度c ，则较全面地考虑。 关于本问题的研究，早在本世纪初，奥地利的依伦伯格( r ，e h r e n b r g e r ) 1 3 6 1 就展 开了室内研究，在五十年代，美国的s t r a n b 和a n d e r s o u 37 】进行了系统的实验。 在国内，肖天铎【3 8 】、时启燧等及吴持恭【删都展开理论及试验研究。根据水流 中气泡和水团运动的特征，可将掺气水流分为跃移区和悬移区。跃移区的水滴分 布规律目自仃一直沿用文献f 3 7 】中的正态分布假定，虽然有人( 文献【删) 从理论上作过 解释，但有些关键环节还存在问题。关于悬移区的分布，一般采用扩散理论，但 其结果在界面上偏离较大，甚至出现奇点。 高水头泄水构筑物中水流流速大，在一定条件下会掺入大量气体形成水气二 相流，在陡槽中自掺气水流掺气浓度对明渠边墙超高，分析等具有实际意义。但 是对水流掺气的机理和定量分析研究很不充分，掺气水流的管路明满流动模型问 题报道不多。文献【4 1 1 对跌坎流的掺气流进行了研究；文酬4 2 】对掺气水流的均匀流 进行了研究，文献【4 3 1 对原型流动给出观测；文献【删对明渠高速水流掺气水渗的经 验公式进行了比较研究。 1 3 2 过流能力研究 在城市雨洪雨水管道设计中，设计条件下雨水管道过流能力的计算常按满管 无压均匀流计算，因而认为雨水管径、管道布线一经确定，其最大排水能力是能 达到设计值的。事实上，雨水径流流经陡坡，明渠等天然雨水沟以及雨水跌入 排水口时会自然发生掺气现象。由于流速较高，紊动强烈，经常会有较大量的空 气掺入水中，形成水气混合流动，称为掺气水流。对于这种高掺气水流，雨洪管 道是否能达到设计时的过流能力，其可靠性如何，须在工程设计中给予足够的重 视，以便使工程设计可靠合理。 掺气水的雨洪进入雨水排水口，一般是跌入集水口，特别是陡坡下面雨水集 北京t 业大学t 学硕十学位论文 水口，非常容易形成水气混合流动一掺气水流。国内一些学制4 , 5 6 】根据气泡紊动 扩散方程，对气泡浓度分布规律作了一些初步研究。掺气急流特点使得雨水进水 口中含有大量空气，在水流波动下使得水中含气水密度不断变化。水流掺气后密 度与粘性的减小说明了掺气对水流有减阻【4 5 1 和增速两种效应【4 6 】，掺气水中在水 流中的水泡在上浮同时又容易迅速集合上升破灭，这样掺气水储存或流经密闭的 容器或管道中容易在其上部形成气壤、气块等气相空间。毫无疑问，会减少管道 的过流面积，从而影响管道的过水能力。 目前，有关掺气槽过流的理论及其预测方面的成果尚岁4 ，特别是对临界掺 气流速，掺气水含气浓度和掺气水密度变化对管道过水能力这两个重要参数而 1 口o 1 4 本文的主要研究工作 在总结前人研究成果的基础上，本文将对陡坡溪流水力特性和过流能力丌展 试验研究，探索陡坡糙率系数与掺气水流水力特性的相互联系，研究掺气水流掺 气浓度在工程中的作用，为认识雨洪掺气水流的性质并能在工程应用中提供依 据。本文的硕士论文研究工作是以下方面研究所做的初步尝试。 本文着重研究的问题： ( 1 ) 陡坡非均匀流在水力条件发生变化时糙率系数的特性及其对进水口的过 流影响。 ( 2 ) 掺气水流与进水口水位关系研究。 ( 3 ) 掺气水流流动特性与过流能力试验研究。 6 第2 章试验模型与方法 2 1 模型比例选定和制作 本课题来源于香港奥雅纳工程有限公司( o v e a m p p a r t n e r s ) 委托中国水 科院做香港岛内位于p o k k f u l a mr o a d8 0 号斜坡上的雨洪入水口性能研究，其地 形图见图2 1 。 圈2 - ip o l d c f i l l a l l l r o a d8 0 号斜坡上的雨洪 水口图 f i g2 1 t h e p l a n6 e u r co n t h e i n t a k eo f t h es t o r m w a t e ra t p o k k f u l a m r o a d8 0 模型设计时，首先要解决模型与原型各种比尺的选择问题，根据要求，要求 长度比尺 ，= 6 1 2 ，即模型比例在1 ：6 到i ：1 2 之问，为了保证模型准确性，长 度比尺尽量取较小值，考虑模型材料的采购和模型构筑物的尺寸加工难易因素， 凶此取 ，= 6 4 。其模型制作如f 图2 2 、图2 3 。 。 j ! 宝三竺奎：三：竺：兰竺耋兰 幽2 - 2 模型现场幽 f i g2 - 2 t h e “o t o o f t h e m o d e l ，。，寸 高位水池 图2 - 3 模型尺寸详蚓 f i g2 - 3 t h ed r a w i n g o nd e t a i ls i z e o f t h e m o d e l 弗劳德准则中述及，当具有自由液面的明渠、沟渠流，流速与水面的变动均 第2 章试验横犁与方法 受重力与阻力的影响，当流程较短，流速与水面变化显著时，重力的影响将大于 阻力的影响，该模型实验占主导地位的作用力主要是重力，因此选用弗劳德准则 设计模型。 在弗劳德模型中，弗劳德数 厅：l 竺( 2 1 ) g l 由于模型弗劳德数和原型弗劳德数相等，即 ( 乃) 。= ( 乃) 。 ( 2 2 ) 由以上公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可以推出： 占：善( 2 3 ) gp lp_ g m l m 可得：兰：一4 9 t ( 2 。4 ) v m 4 9 m l 。 礅叭护詈小等，乃2 等 协5 ， 又由于模型与原型均在地球上进行时，即 五。= 卫= l( 2 6 ) 6 g 。 故可得：九= 乃i ( 2 7 ) = 五丑2 = 丑2 = 6 4 7 2 = 1 0 3 6 2 ( 2 - 8 ) 故模型池q 2 石q p2 砉2 急 协9 ， 该模型有两个不同进水口分别为进水口1 1 和进水口1 2 ，因此，我们设计 两套管路控制系统，这两套管路都由高位储水池分别接出，分别由两个独立的量 水堰控制和计量实验不同工况流量。按照实验要求的不同流量工况，控制两个不 同的进水口的实验进水流量。在进水口1 1 和进水口1 2 两个进水口之间有一直 径d n l 0 0 的有机玻璃陡管连接，所有的流量最后集中由较低进水口1 2 中的阶 梯式总排水管道排出。 2 2 量水堰及其安装 常用量水堰类型一般分为4 5 c 直角三角形堰、梯形堰、矩形堰。当流量在 1 7 0 l s 之间( 堰上水头约5 0 - 3 0 0 r a m ) 时，一般采用直角三角形堰。当流量在 1 0 - - - 3 0 0 l s 时一般采用梯形堰，常用1 ：o 2 5 的边坡。底( 短) 边宽度b 应小于3 倍 北京t 业大学t 学硕十学位论文 堰上水头h ，一般应在0 2 5 1 5 m 范围内。矩形堰，当流量大于5 0 l s 时采用， 堰口b 应为2 5 倍堰上水头h ，般应在o 2 5 2 m m 范围内。其中无侧向收缩的 矩形堰，水舌下部两侧壁上应设补气孔。综合上述，该模型试验要求流量，宜采 用直角三角形堰量来计量控制实验不同流量。量水堰的流量由直角三角形量水堰 来计量、控制。 其计算公式 q = 1 4 h 5 陀 f 2 10 ) 式中： q 一流量 h 一堰上水头 _ 。 3 4 、 | 卜i = = = 二二才一嚣彦1 1 水尺或测针；2 - 堪扳；3 堰槽侧墙；4 堪槽底 图2 - 4 鼙水堰与堰槽结构示意图 f i g 2 - 4s k e t c ho f w e i ra n di t ss t r u c t u r e 卜篱爿罾羔2 两 _ l l - - r ；7 万- l ，、 j j ! ：0 u、j u 侧视图 单位：m m 图2 - 5 模型实验量水堰尺寸图 f i g 2 - 5d r a w i n go ft h es t r u c t u r eo fw e i r 2 3 模型试验流量工况 原形流量中1 0 4 ，1 4 4 ，1 5 8 ，1 7 5 ，1 9 0 ，2 0 8 m 3 s ，分别对应于2 ，l o ，2 0 ，5 0 ，10 0 ， 2 0 0 年一遇雨洪流量。进入模型的实验流量由三角堰作用水头值可控制。流量分 1 0 第2 章试验模璎与方法 m =i ! ! 曼舅曼曼! ! ! ! 曼曼皇曼曼曼! 曼曼! 曼曼! ! 皇! 皇量曼曼! ! 曼曼曼曼曼曼曼! 量曼曼曼曼曼! ! 曼曼蔓! 曼! 曼曼曼曼曼曼 配方案：按进水口1 1 和进水口1 2 分别为5 0 + 5 0 、3 0 + 7 0 和4 0 + 6 0 三 大组。实验工况组次如下表所示： 表2 1 实验1 ：况表 t a b l e2 - 1t a b l eo ne x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n 暴雨重现卅j 原型流量模型流进水口流流流量流流量 q p ( m 3 s ) 量编号 上工 流量 量( l s ) 上上 ( l s ) 点巨避 q 。( l s ) 分 ( l s ) 分 分 配配 配 1 0 4 1 0 0 4 1 15 0 5 0 23 0 3 o l4 0 4 0 2 2 年一遇 1 25 0 5 0 27 0 7 0 36 0 6 0 2 1 4 41 3 91 15 0 6 9 53 0 4 1 74 0 5 5 6 1 0 年一遇 1 25 0 6 9 57 0 9 7 36 0 8 3 4 1 5 81 5 2 5 1 15 0 7 6 23 0 4 5 74 0 6 1 0 2 0 年一遇 1 25 0 7 6 27 0 1 0 6 76 0 9 1 5 1 7 5 1 6 8 9 1 15 0 8 4 43 0 5 0 74 0 6 7 6 5 0 年一遇 1 25 0 8 4 47 0 1 1 8 26 0 1 0 1 3 1 91 8 3 41 15 0 9 1 73 0 5 5 04 0 7 3 4 1 0 0 年一遇 1 25 0 9 1 77 0 1 2 8 46 0 1 1 0 0 2 0 82 0 0 71 15 0 1 0 0 43 0 6 0 24 0 8 0 3 2 0 0 年一遇 1 25 0 1 0 0 47 0 1 4 0 56 0 1 2 0 4 根据模型实验条件、要求及对实验现象的分析，作者认为以下几个问题可以 研究探讨： ( 1 ) 在模型溪流陡坡段可以提供研究陡坡溪流阻力系数； ( 2 ) 在陡坡下游进水口可以提供掺气浓度和进水v i 水位关系研究； ( 3 ) 在模型的两个进水口连接管处可以提供掺气水流的流动特性与过流能 力的确定研究。 笫3 章陡坡溪流f f 力系数研究 第3 章陡坡溪流阻力系数研究 3 1引言 目的很多与水力学相关的各种著作中都附有糙率系数表供人们参考。这些糙 率系数表都是前人基于大量的实测数据而形成的，有相当的参考价值。但由于糙 率系数的影响因素十分复杂，在一些工程设计和水力计算中，选用的糙率系数与 实际情况不符时，就会出现较大误差，因此，不论模型和计算方法多么j 下确，如 果选用的糙率系数误差较大，对计算结果仍会产生非常大影响。由此可见，确定 糙率系数的难度之复杂。 经过长期的研究和总结，人们认识到影响糙率系数的因素是多种多样的，其 主要在的影响因素有： ( 1 ) 壁面的粗糙程度。河流渠道的壁面材料和粗糙程度，是决定糙率系数的 主要因素之一。在一般的水力计算手册中，都是据此给出糙率系数的参考值。根 据一般的力学概念，壁面的料糙造成水流摩阻力，粗糙程度和摩阻力的大小成正 比。由于糙率系数被理解为反映水流综合阻力大小的系数，因此，糙率系数与壁 面的粗糙程度有关。 ( 2 ) 明渠断面形状或水力半径。由于将壁面粗糙程度视为造成水流摩阻力的 主要因素，湿周的大小显然对糙率系数有影响。对于相同的过水断面面积，不同 的断面形状一般具有不同的湿周，因此断面形状对糙率系数有影响。特别是复式 断面的河流，当水深较小时，水流在主槽流动，当洪水到来水深增大时，水流漫 上两侧滩地，主槽和滩地的水深完全不同，过水断面的形状发生很大变化，对糙 率系数有明显影响。水力半径是过水断面面积与湿周的比值，显然对糙率系数有 影响。 ( 3 ) 水位与流量。水位、流量的变化会引起水力半径和断面平均流速的变化， 从工程实际情况看，对糙率系数有影响。 ( 4 ) 不规则断面。非棱柱体明渠的断面沿程发生变化，增加了局部阻力，对 糙率系数产生影响。 ( 5 ) 冲淤河流。冲淤河流的河流形态不稳定，糙率系数难以确定。一般是根 据沙粒和沙波的情况确定相应的沙粒阻力和沙波阻力，然后用水力半径分割法或 能坡分割法将各类阻力汇成总阻力，再导出相应的糙率系数。 虽然人们对影响糙率系数的因素有了一定认识，但是要确定这些因素各自对 糙率系数的贡献并非易事。因此，人们不断地从不同的侧面，不同角度对糙率系 北京丁、j 止大学t 学硕十学位论文 数问题进行研究和探索。 3 2 陡坡溪流阻力系数研究 由于天然溪流河道沟渠，高低不平曲折不定，其形状和糙度不一，具有自由 平面，所以可以作为明渠水流处理。该实验原理类似于明渠恒定非均匀流，明渠 水流模型同趋成熟，已成功地在许多工程实际问题中得到应用。由于明渠水流的 基本方程也用到了谢a 公式的基本关系式，所以在明渠水流计算中，仍然有糙率 系数的选择问题。由于糙率系数被理解为反映水流综合阻力大小的系数，因此， 糙率系数与壁面的粗糙程度有关【8 】。长期以来，国内外学者对糙率系数的研究从 没有停止过f 9 , 1 0 , 1 1 】，己经取得了许多成果，对阻力系数的特性及其变化规律也有 了一定认识。但鉴于问题的难度，其研究成果至今还不能完全满足水流计算的需 要。然而，随着科学技术和现代社会的进步和发展，数值模拟技术在明渠水流计 算中的应用越来越广泛，应用范围越来越大。从单一河流的水力计算到河网的水 力计算；从山区河流的洪水计算到感潮河流和河口的潮汐计算；从断面相对稳定 的河流的水力计算到考虑泥沙运动的冲淤河流的水力计算；从以河流防洪为目的 水力计算到以城市防洪和水环境治理为目的水力计算，在国民经济的许多领域都 涉及到了明渠水流的计算问题。明渠水流的计算要达到一定精度，除需计算模型 和计算方法f 确外，能否正确选择糙率系数是影响计算精度的重要因素之一。对 糙率系数的研究如果长期不能取得突破，毫无疑问，势必将制约现代计算技术在 所有相关领域的应用。 研究糙率系数除需必要的理论探讨外，需要依赖大量的实测资料。通常，实 测资料可由两种方法获得，一种方法是通过实验室资料获得，另一种方法是通过 原型的河流、渠道的观测资料获得，两种方法各有其合理性和局限性。由第一种 方法获得资料的优点在于实验中能够很好地控制断面形状、壁面粗糙程度，形成 理想的水流条件并取得精确的量测数据，从而有利于发现带有规律性的成果；但 其缺点在于可能存在模型比尺效应。此外，由于研究经费的原因，很难进行足够 多组次、项目的实验，以实现一个比较完整的研究计划。因此，实验成果可能带 有一定局限性。由第二种方法获得的资料没有比尺效应，其成果易于投入应用， 但由于对天然河流和实际渠道很难控制观测条件，如对于流量、流动类型、水流 的恒定性等因素都很难进行人工控制，只能被动地观察和记录实际出现的情况。 因此，数据的获取范围受到很大限制，不易从中整理出带规律性的结果。方法上 的弱点也是造成研究糙率系数的困难之一。水流在粗糙床面要维持均匀流流动， 水深比在光滑床面流动增大，断面平均流速减小，相应地水力半径和过水断面面 积增大，因此，在流量不变的条件下，由曼宁公式确定的糙率系n 随之增大。对 于非均匀流，除了断面平均流速发生变化，水力坡度也发生变化。因此，糙率系 1 4 第3 章陡坡溪流阻力系数研究 数的变化没有简单直观的规律可循。经过长期的研究和总结，人们认识到影响糙 率系数的因素是多种多样的，壁面的粗糙程度、明渠断面形状、水力半径和断面 平均流速是其主要的影响因素 1 0 】。水流掺气后增高了的明渠水面线，如文献【4 8 4 9 】 中所介绍的，气水掺混体积膨胀会使水流掺气后阻力减小7 t 4 6 j 。因此，对糙率系 数开展研究显得十分必要。 3 3 试验结果分析与讨论 3 3 1 过流断面的水力半径和断面水深关系 实验取陡坡水渠槽l 。2 的相邻二个断面中在测的数个过水断面水深，由过流 断面图即可得到r ，由所测流量q 和水力坡度可得到曼宁系数n 。通过对陡坡溪 流糙率系数研究来分析溪流雨洪对进水口的冲击影响。下图3 1 通过实测模型断 面的面积和深度数据，整理出陡坡沟渠断面水深h 与水力半径r 的关系，见下 图3 1 。 o 0 3 0 o 0 2 5 30 0 2 0 贬0 0 1 5 弋0 0 1 0 妥 0 0 0 5 0 0 0 0 5 56 07 07 57 67 7 陡坡沟渠过流断面水深t t ( 姗) 图3 - 1 陡坡沟渠断面水深与水力? 卜径的关系图 f i g 3 - 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw a t e rd e p t ha n dh y d r a u l i cr a d i u s 从图3 1 可以看出，过流断面的水力半径随着断面的水深的增加而增加，并 由此图可以得知水力半径的值。 3 3 2 试验方法与结果 该模型试验方法是采用恒定非均匀洪溪水流，糙率系数仍用曼宁公式来计 算，如q ：么! r ， ( 3 1 ) 以 但式中的r 和a 分别为相邻两非均匀断面的平均水力半径和平均过水断面 面积，可用下式：r = 去( r + r e ) ( 3 2 ) 二 1 彳= q 1 - ( a i + a 2 ) ( 3 3 ) 二 水力坡度j 用总流能量方程末求得， 北京丁业大学丁学硕十学位论文 如：z i + 统+ 等= z 2 + 堕+ 旦磬+ h 。 ( 3 4 ) p g2 9耀z g 其中，j ：耸 ( 3 5 ) ， ，为两相邻断面水平距离。 再由公式( 3 - 1 ) 可以推导出糙率系数：刀= 彳吉尺，( 3 - 6 ) 计算过程见表3 1