（农业工程专业论文）河套灌区衬砌渠道综合糙率与渠道冲淤问题研究.pdf

摘要 内蒙古河套灌区是我国三个特大型灌区之一，是我国重要的商品粮基地，引黄河水量在引黄 灌区中居第一位。面对灌区日益紧缺的水资源及引黄灌溉导致的渠道淤积问题，自1 9 9 9 年以来， 已先后对河套灌区部分干、支渠进行了衬砌。渠道两侧边坡用预制混凝土板护面，渠底为素土保 护。为了研究这种复合式防渗衬砌渠道的过水特性，本文对全断面渠、底为素土边坡为混凝土 板、全断面混凝土这三种渠道进行了系统研究得出的主要结论如下：( 1 ) 随着渠道过流量的增 大，三种型式渠道的糙率呈自然对数下降；( 2 ) 随着渠道宽深比的增大，三种型式渠道糙率呈自 然对数上升趋势；( 3 ) 通过对实际渠道与试验场渠道测试对比，可用本项试验拟和公式对渠道糙 率取值；( 4 ) 试验所得经验公式比水力学推荐公式更为接近实际渠道糙率值；( 5 ) 渠道底流速与渠 道断面的平均流速呈较好的自然对数关系；( 6 ) 非均质衬砌渠道与土渠相比，其允许不冲流速基 本相同，仍可用设计流量时的断面平均流速来校验渠道是否冲刷；( 7 ) 计算得出了各渠的挟沙能 力，提出了减淤措施。 关键词：河套灌区，综合糙率，冲刷，淤积 a b s t r a c t t h eh e t a oi r r i g a t e da r e ai nn e i m a n g g um u n i c i p a l i t yi so n eo ft h et h r e em o s tl a r g e s ti r r i g a t e d a r e a s , a l s oi sa l li m p o r t a n tb r e e db a s k e ti nc h i n a t h i si r r i g a t e da r e ad e m o n d sl a r g ea m o u n to f w a t e rf o r i r r i g a t i o nf r o mt h ey e l l o wr i v e re v e r yy e a r t or e s o l v et h ep r o b l e mo fi r r i g a t i o nw a t e ra n dt h ec a n a l a c c r e t i o n ，w eh a v ed o n em u c hc a n a lw o r k st ot h em a i ni r r i g a t i o nc a n a la n di r r i g a t i o nl a t e r a lb ys t a g e s s i n c e1 9 9 9 t h es i d es l o p e so fc a n a lh a v ep r o t e c t i o no fc o n c r e t e 。t h eb o t t o mi ss t i i in a k e d n e s s f o r i n v e s t i g a t i n gt h ec a r r y i n gc a p a c i t yo fc a n a l ，w eh a v ed o n es t u d yo i lc a n a l so fe a r t h , s i d es l o p e sb y c o n c r e t ea n db o t t o mb ye a r t h , f u l l yp r o t e c t e db yc o n c l 哪e t h ec o n c l u s i o n sa r c ：( 1 ) b yt h ea c c r e t i o no f f l u x ，t h er o u g h n e s so ft h et h r e ek i n d so fc a n a l sd e s c e n d sb yl o g a r i t h m ；o ) b yt h ea g g r a n d i z e m e n to f r a t i o no fw i d t ha n dd e p t h , t h et o u g h n e s so ft h et h r e ek i n d so fc 4 m a l sa s c e n d sb yl o g a r i t h m ；( 3 ) b y c o m p a r i o no ft h ef a c ta n de x p e r i m e n t e dc a n a l s ，t h ef o m u l ac a nb eu s e dt ow o r ko u tt h er o u g h n e s s ； ( 4 ) t h ef o r m u l ai se x a c t e rt h a nt h ef o r m u l ar e c o m m e n d e db yh y d r o d y r a n i c ；( 5 ) t h eb o t t o mv e l o c i t y m a t c h e sw e l lt h ea v e r a g ev e l o c i t yo fc a n a ls e c t i o nb yi o g a t i t h m ；( 6 ) c o m p a r e dw 砘e a r t hc a n a l , c a n a l p e r m i s s i b l es c o u r i n gv e l o c i t yi st h es a m e , i ti sp e r m i s s i b l et ov a l i d a t et h ee r o s i o nb yt h ea v e r a g e v e l o c i t yo f d e s i g n e df l u x ；( 7 ) t h ec a p a b i l i t yo f b o l d i n gs a n do f t h ec a n a l sj so b t a i n e d a n dt h em c , a s u r e $ f o rr e d u c i n gt h ec a n a la c c r e t i o na r ep u tf o r w a r d k e yw o r d a ：h e t a oi r r i g a t e da r e a , c o m p o s i t er o u g h e s s e r o s i o n , a c c r e t i o n 独创性声明 本人声明所呈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，论文中不包含其它人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学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己在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 研究生签名：张口办走 时间：姊 年占月。z 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：张 i i 文 时间：乙口9 7 年月“日 导师签名： 时间：岬年钼 ， 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 内蒙古河套灌区是我国三个特大型灌区之一，是我国最大的一首制灌区，也是我国重要的商 品粮生产基地。河套灌区位于内蒙古自治区西部巴彦淖尔盟境内。为黄河北岸的冲积、淤积平原， 西部与乌兰布和沙漠相接，东至包头市郊区，北至阴山山脉的狼山和乌拉山，总面积1 1 8 9 3 k h m 2 灌区处于内蒙古高原西部的干旱、半干旱、半荒漠草原地带，冬季严寒少雪，夏季高温干旱，降 水量少，蒸发量大，年均降雨量1 3 0 2 1 5 m m ，年蒸发量达2 1 0 0 2 3 0 0 m ，年湿润度为0 1 o 3 。 灌区地势低洼，为封闭沉降盆地，地下水位较高，盐碱化较严重i 】j 。 河套灌区农业生产主要依赖引黄河水灌溉农田，其引黄河水灌溉面积在我国6 7 万h m 2 以上灌 区中居第二位，而引黄河水量在引黄灌区中居第一位，年引黄河水量5 0 亿稃( 超过该区年计划引 黄河水量1 6 7 2 亿4 n 3 ) ，远远超过同期引黄河水灌溉的宁夏回族自治区青铜峡灌区i l j 。目前河套灌 区有效灌溉面积5 7 4 万i - a n 2 。灌区现有总干渠、干渠、分干渠、支渠、斗渠、农渠、毛渠七级渠 道，共计两万多条，总长1 6 8 0 0 k m 。据调研，然而由于种种原因，河套灌区灌水渠道中有9 0 以上 为土渠，基本未采取任何渠道衬砌防渗措施，渠道渗漏损失严重，渠系水利用系数很低，只达到 o 4 2 左右，有5 0 6 0 的灌溉水在渠道输水过程中渗漏损失掉。造成灌区年用水量过大( 现状 年引用水量为5 0 l i n 3 ) ，渠道两侧下渗严重，地下水位抬高，土地盐碱化程度加重，捧水工程加 大另一方面，黄河流域水资源状况随着下游断流时间的延长而日趋紧张，按照国家和内蒙古自 治区对黄河水的分配方案，河套灌区分水指标为3 3 2 8 亿岔，也就是说，灌区年灌溉引水量要减 少1 3 ，即1 6 7 2 亿m 3 ，灌区灌溉用水矛盾将日益尖锐如何保证这一新的配水计划得到落实，同 时又不降低河套灌区的生产水平，保持灌区生态环境的良性循环和可持续发展，是实施节水战略 的核, c , f l 容。目前，灌区的有效节水措施主要有两种1 2 1 ：一、工程措施节水，通过对灌区已有水利 工程进行续建配套，对输水渠道进行合理的衬砌，减少输水损失，提高渠系水利用系数属于节 水“硬科学”。二、非工程措施节水( 节水技术) ，通过灌区作物生育期的灌水规律的研究，揭示作 物产量与灌溉水量之间的关系，建立相关的灌水制度的优化模型，寻求作物灌溉制度的节水潜力 国家己决定在河套灌区全面实施大型灌区建筑物续建配套与节水改造工程，其中6 5 的投资用于 渠道衬砌防渗工程，2 0 的投资用于建筑物配套，投资的1 5 用于田问节水工程，因此，渠道防 渗村砌是灌区节水改造中的一项重要的内容。而在干渠、分干渠、支渠、斗渠和农渠各级渠道中， 村砌骨干渠道的节水效果大，投资相对较小，效益较明显，故一般都先选择渗漏损失大的骨干渠 道进行防渗衬砌。 自1 9 9 9 年以来河套灌区加快了灌区节水改造步伐骨干渠道防渗是节水改造的重点，己先 后对永刚分千渠，杨家河干渠、永济干渠、义和干渠的部分段落进行了渠道衬砌工程。这些渠道 村砌工程都是分阶段、分段落逐步实施的。在渠道衬砌时为了使骨干渠道上、下游便于衔接及减 少工程量，目前灌区内骨干渠道的衬砌工程，大部分都在原有渠床上增加防渗层及保护层。经过 近几年的运行，发现衬砌渠道局部段落普遍存在冲淤现象。通过对渠道冲淤现象的分析，除运行 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 管理不妥的因素之外，衬砌渠段水力要素的明显变化已成为形成冲刷破坏及产生淤积的一个主要 因素。 目前灌区内干渠、分干渠的衬砌工程结构型式一般为全断面p e 膜防渗，两侧边坡用预制混 凝土板护面，渠底为素土保护。这种复合式防渗衬砌结构，其水力要素与衬砌前土渠或全断面混 凝土衬砌护面都有较大的变化。渠道的糙率在渠道衬砌以后由于断面比较规则，渠道平整顺直，边 坡糙率将大幅度减小，而渠底由于仍是素土，其糙率变化不大。这种复合衬砌结构型式综合糙率 在不同渠道如何变化? 在渠道断面设计时怎样取值? 另外这种复合式衬砌渠道允许不冲流速如 何取值? 衬砌后淤积产生的原因? 这些都是衬砌工程出现的新问题，应该通过试验研究予以解 决。 本文就是对衬砌渠道设计及运行管理过程中存在的综合糙率及不冲流速的取值和渠道的减 淤措施等问题进行试验研究通过对复合式衬砌渠道的综合糙率的试验研究，总结出复合式衬砌 结构型式渠道综合糙率的变化规律，为规划、设计和管理部门提供科学依据及统一取值标准；通 对复合式村砌渠道不冲流速及淤积成因的分析研究，提出复合式衬砌结构型式渠道的不冲流速及 本灌区防止淤积的措施，同时也为管理部门提供可借鉴的运行管理办法，优化衬砌工程的设计， 降低运行管理费用，具有一定的理论意义和实用价值。 1 2 国内外研究现状分析 1 2 1 明渠流计算公式研究 从十八世纪开始，西方的水力学家和工程师们通过大量的实验和实测资料，力图探求描述明 渠水流运动的数学模型。在一百多年时间里，各国的学者们提出了许许多多的水流的计算公式， 经过长期的实践和考验，现在被公认的和普遍使用的是谢才公式和曼宁公式。 1 7 6 8 年，法国的土木工程师c h e 巧p 砂芷工程设计报告中提出明渠水流摩阻力计算公式 堕：立：c ， ( 1 - 1 ) 或里= c ， r s ( i - 式中：c 为谢才系数：a 为过水断面面积；p 为湿周；v 为断面平均流速；r 为水力半径；s 为渠底比降。 1 8 9 1 年，f l a m a n t l s l 首先在其法文著作中使用了曼宁公式的提法到1 9 1 8 年，曼宁公式的提法 在英语国家里得到一致认同 w i l l c o c k s l 6 1 和h o l t 首先给出了曼宁公式使用公制单位的形式 1 矿= 二置2 3 s 1 7 2 0 - 3 ) n 式中：v 为断面平均流速；n 为曼宁糙率系数；r 为水力半径；s 为渠底比降。 8 0 v e y l 7 1 则首先给出了曼宁公式使用英制单位的形式 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 v - 生丝r ”s 1 。 ( 1 - 4 ) n 式中：v 为断面平均流速；n 为曼宁糙率系数；r 为水力半径；s 为渠底比降。 在人们普遍接受曼宁公式以后，将曼宁公式与谢才公式对照。则得到现在使用最普遍的谢才 系数的表达式 1 c = 二r 硒 ( 1 5 ) n 式中：c 为糙率系数；n 为曼宁糙率系数；r 为水力半径。 1 2 2 糙率系数研究 为了探索糙率变化范围和取值规律从而为水力计算提供依据，人们进行了大量的研究工作， 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i “。一般的水力学著作中都附有糙率 系数表供人们参考。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，出现较大误型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。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，其主要的影响因素有1 1 4 l ：( 1 ) 壁面的粗糙程度，( 2 ) 湿周的大小，( 3 ) 水力半径和断面平均流速的变化，( 4 ) 不规则断面非棱柱体 明渠的断面， ( 5 ) 冲淤河流的河流形态不稳定。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 度对糙率系数问题进行研究和探索。 李榕”分析了影响1 1 值的各种因素，并利用因次分析方法找出了它们之问的函数关系；又进 一步利用实测数据整理分析得出了n 值和各水力要素之间的函数表达式。结果表明：n 值的主要 影响因素为k ，f r ，h r 以及渠槽形状。 惠遇甲等”1 通过矩形水槽试验，改变宽深比和边壁糙率，系统的研究了明渠均匀流水力 特性。指出根据断面上各条垂线流速分布的特征，可将断面划分为对数流速分布区和抛物线流速 分布区。还指出光滑明渠的阻力系数fn _ j 由式( 1 - 6 ) 确定 去2 1 9 51 9 ( r e 打m 7( 1 - 6 ) 式中：f 为光滑明渠的阻力系数；r e 为水力半径。 袁世琼【l q 通过对紊流垂线流速分布的分析，推导出由断面实测流速u 0 2 和u 0 8 直接计算天然 河道糙率系数的公式。通过对垂线流速分布的分析推导出由断面实测流速直接计算天然河道糙 率的公式，可省去水面比降的观测。经用实测资料验证，并与传统的由水面比降资料使用曼宁公 式反求糙率值比较，获得满意的结果。计算天然河道糙率n 值。只需测量过水断面积，并用流速仪在 测深垂线上测定0 2 和0 8 水深处的测点流速即可，而不必进行水面比降的观测。当河道呈宽浅式( 水 深比河宽小得多) ，式中水力半径r 可用平均水深y 代替，则第i 条垂线的流速比系数可由式( 1 忉求得， 河道糙率可由式( 1 8 ) 求得。 鼯【告j2 鼍筹装 t - 忉 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 n 2 揣；“6 m s ， 式中：n 为渠道糙率系数；v 0 2 为距渠底0 2 倍水深处流速；v o j 为距渠底0 8 倍水深处流速； 王达权i l 卅根据湖南省天然河道和人工渠道的特点，运用大量实测和实验资料，通过用沿程水 头损失反推求的方法，分析了在恒定流和非恒定流情况下及不同边界条件下河渠糙率的变化情 况，得出了计算河渠糙率的公式将湖南省8 2 个河段可归纳为三种基本线性。即反型n 随水深h 增大而减小；常数型一低水位以上，n 随h 增大而不变；正型一低水位以上，n l 斑i h 增大而增大。在 此三种线型基础上，由于各河段诸影响因素及综合作用的变化，又可分为正弓和反弓型，甚至更 复杂的弓型。 姜乃森1 2 0 l 等用长江三峡河段的实测资料分析研究了综合糙率系数的变化规律，根据不同河段 表现出的随着流量的增大，综合糙率系数可变大，变小、不变和先由小变大再变小的种种不同变 化规律，认为河道局部地形的多变对综合糙率系数有较大影响，峡谷河段较开阔河段综合糙率系 数大文献指出，由于天然河流地形变化较大，分析糙率系数所采用的方法很重要，不同方法的 计算结果相差很大。对于水库区，建议采用m o s t a f a 公式进行回水计算。 史明礼口”等提出n 值的推求和使用方法应一致。同一河道，采用的推求方法不同，所得的n 值也有差别。因此，如果推求n 值的方法和应用的方法不一致，则会引起计算结果的偏差。这一 观点实际上表明了这样的事实，糙率系数不是像壁面粗糙程度那样确定的物理量，它只是曼宁公 式中的一个系数，对某一河段，糙率系数不是一个确定值，它与推求方法有关。对于一定的计算 方法，一定的断面几何和水力参数的简化方法，可对应一定的糙率系数的取值范围。陈锡林针对 滩地宽阔、多汉并存的束水漫滩型河道的特点，提出了一种计算江道、滩地单元糙率系数的方法， 可以合理地反映复杂地形河道中乱道和滩地的糙率系数值。 邓贤贵1 2 2 1 等指出糙率系数不但随水位发生变化，而且河道形状、床面组成的变化以及水工设 施对水流形态的影响，都会引起i i 值的变化。 一般地，人们习惯于在明渠中使用m a n n i n g 糙率系数n ，在管流中使用w e i s b a e h 阻力系数这 两者之间实际存在某种关系。 m y e r s l 2 3 1 在矩形水槽实验中，得到明渠中w e i s b a e h 阻力系数的表达式，其目的是将明渠水流 阻力与管流水流阻力进行比较。研究表明，在相同雷诺数下，明渠阻力系数平均大于管流阻力系 数8 左右，文章认为产生差异的原因是因为明渠流的二次流影响及断面形状，这表明明渠流较管 流更为复杂。 对于复式断面河道，在水流漫滩前后河道的糙率系数会发生相当大的变化，漫滩后的主槽糙 率系数大于漫滩前的系数，若不修正糙率系数值，甚至会出现计算的主槽流量大于全断面的实测 流量这样不合理的情况，表明糙率系数不仅仅与表面粗糙程度有关。 王清1 2 4 1 认为洪水漫滩后，由于主槽和滩地水流间的相互作用，改变了主槽原有的流速分布， 流速比相同水位下的单式断面小，造成糙率系数变大。 庞炳东阱j 指出曼宁糙率系数i i 是水流能量损失的一种度量，当糙率系数增大时，相应地水流 能量损失增大，过流流量减少，给糙率系数种新的解释。 y e n 和o v e r t o n l 2 6 1 在计算复式断面明渠的流量时，发现糙率系数不仅是壁面粗糙程度的函数， 4 中国农业大学硕十学位论文 第一章绪论 而且受断面形状的影响。 p a v l o v s k i j p 7 1 假定；( 1 ) 床面总的剪切力等于各分割区床面剪切力之和；( 2 ) 各分割区的能坡相同； ( 3 ) u ；r 。”= u r 枷提出河槽综合糙率可以表达为 n - ( p 。：e n 护( i - 9 ) e i n s t e i n 和b d 2 8 假定：( 1 ) 各分割区的能坡相同；( 2 ) 各分割区的流速分别相同。提出河槽 综合糙率可以表达为 卿4 - i = n 。n 3 i 2 ) ”( 1 - l o ) d r o s 和h a r d e g g e ，冽认为水流漫滩后，由于断面形态的改变和滩槽存在强烈地动量交换，使 得综合糙率n 与某一有效综合糙率n 。的比值强烈的依靠滩槽宽度比及水力半径与主槽水深比，即 n n 。= 坟a r 啪( 1 11 ) 或n = n 。f ( a ，肼)( 1 1 2 ) 其中a 2 ( b f l + b f r ) ( b + 2 h s 。) ( 1 1 3 ) 式中；b f l 为左滩宽度，b m 为右滩宽度，b 主槽底宽，h 为主槽水深，s c 为主滩边坡。当滩槽 糙率相同时，n 等于主槽糙率；当滩槽糙率不同时，n e 等于用e i n s 喊m b a n l 【s 方法推求的综合糙 率d m c o s 和h a r d e g g 日分析实测资料，认为 f ( a , r h ) = a + b ( a ) l n ( r h ) 其中 n _ 1 6 5 + 1 6 5 m + 1 ) l i t 1 ( v r v 9 ) 3 陀 b = o 9 7 6 a + ( n ：n f 一1 ) l n a 4 2 8 ” ( 1 - 1 4 ) ( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) 式中：n f 为滩地糙率；n 。为主槽糙率，中= o 1 2 1 。 d l e p u e p o 】通过水槽实验，在发生m 型水面线的非均匀流时，糙率系数的相对变化量达到2 3 。 这是目前见到的为数不多的讨论非均匀流条件下糙率系数变化规律的文献。 1 2 3 渠道冲刷研究 引黄灌溉发展到今天，面临的主要问题是黄河下游灌区需水时无水可引，水量供需矛盾的突 出，不可避免地引用汛期浑水，加大了泥沙处理的难度。因此对泥沙运动进行研究显得尤为重要 截至目前，河道( 水库) 泥沙数学模型已由5 0 年代初期的简单计算发展到模拟局部水流泥沙运动的 三维数学模型。各家数学模型的主要差别在于：( 1 ) 针对所研究的闯题，对基本方程所作简化程度不 同。( 2 ) 在差分格式的选取方法不同。目前发展较成熟和应用较多的是非耦合解恒定水流方程的隐 式差分法，而隐式差分格式得到公认的，首推p r e i s s m a n n 的四点隐格式，例如胡海明、李义天的 水库下游河道冲刷一维数学模型1 3 1 l ，及黄河水利科学研究院的黄河河道数学模型1 3 2 1 等。 5 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 4 水流挟沙力研究 长期以来，在对引黄灌区输沙能力理论认识不断深入的同时，随之建立了一系列较符合实际 的挟沙力公式。这之中主要有黄委会水科院等单位以河南省人民胜利渠资料为依据，推导出的许 多计算公式： 1 9 5 6 年黄委会公式： 范家骅公式： 1 9 5 6 年武汉水利电力大学 1 9 5 7 年黄科所公式： 1 9 5 8 年黄科所公式 1 9 8 2 年黄科所公式 & 2 l o 4 r 2 3 ( 0 2 3 i v 3 鼠观，4 鲁( m 踮o 0 1 0 5 以( 马 g n 一丢半丢 ( 1 - 1 7 ) o - t ( 1 1 9 ) ( 1 - 2 = 。自”学蚤m t 争” c 一s 营“耖s m m m z 力 一4 咯白m m c ， 山东省水科院八十年代以来与有关单位进行了大量的观测试验，建立起了适合本省引黄渠系 水流的挟沙力分类经验公式 土质输沙干渠公式： 衬砌输沙干渠公式 经初沉沙后的浑水渠系公式： s , = 5 0 3 6 c 南” 上述式中：& 为水流挟沙能力；y 为断面平均流速；r 为水力半径；m 为沉降； ( 1 2 4 ) 0 - 2 5 ) ( 1 - 2 价 为保持某种泥沙悬浮状态的极限流速；d 为平均粒径；k 为摩阻流速；f 为水面比降；以 为泥沙颗粒容重；b 为水面宽：h 为平均永深。 这些公式在理论上已有一定的基础，但都离不开大量原型观测数据的分析率定结果，属于半 6 ；f ：一 广 型严等 孔 彤 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 理论半经验公式 通常挟沙力的选取是根据以下原则进行的： 首先，选取适合研究对象的挟沙能力公式形式，然后，根据研究对象的实际观测资料率定公 式中的参数，以保证计算结果符合实际状况。 纵观目前国内采用的冲淤分析方法，可以将它们总结为四种，分别是：水文资料分析法、 物理模型法、数学模型法和实测地形分析法 1 3 研究内容及技术路线 1 , 3 1 研究内容 ( 1 ) 复合式衬砌渠道综合糙率研究的主要内容 土渠、全断面混凝土衬砌渠道流量与糙率的变化规律： 衬砌渠道的流量与糙率的变化规律； 分析非均质渠道宽深比对综合糙率的影响； 提出非均质渠道糙率的取值办法。 ( 2 ) 砌渠道的不冲流速及淤积成因分析研究的主要内容 研究非均质衬砌渠道水流速垂线纵向渠道变化情况，分析底流速与平均流速的关系 提出不冲流速的取值； 根据黄河的含砂量以及渠道的运行状况分析渠道的淤积成因，提出防止渠道淤积的措施。 1 3 2 技术路线 ( 1 ) 均质衬砌渠道综合糙率研究技术路线 为准确真实地揭示非均质衬砌渠道的综合糙率的变化规律，本项研究采用试验场测试与实际 渠道原型测试相结合的方法。首先在试验场通过对非均质衬砌渠道的不同流量、不同宽深比情况 下综合糙率的变化规律进行测试，然后将实际渠道原型测试结果与试验场相比较，并分析试验结 果与现场测试值的差异性。通过渠道运行的宽深比建立试验场与实际渠道原型的关系，使试验场 的试验结论得到外延，从而确定复合式衬砌渠道综合糙率和取值办法。 ( 2 ) 冲刷及淤积成因分析研究技术路 复合式衬砌渠道由于两侧边坡为混凝土预制板护面，渠道冲刷的矛盾主要在渠道底部的素土 保护层上，这是与土渠的不冲流速不同之处。本项目通过在实际衬砌渠段测试渠道水流速垂线纵 向分布情况，分析底流速的变化规律及底流速与断面平均流速的关系，从而确定允许不冲流速。 7 中国农业大学硕士学位论文 第二章不同衬砌型式渠道糙率的研究 2 1 引言 第二章不同衬砌型式渠道糙率的研究 渠道均质基本计算式中包含谢才系数c ，渠道糙率n 值对谢才系数c 值影响很大。设计中n 值的选定对渠道的断面平均流速和流量的影响很大。设计中如果所估计的糙率较实际的偏大，需 要通过某一定的流量时，渠道的底坡就要因此而加大，那就意味着水头的损失和灌溉面积减小； 此外，还由于将来实际流速加大，势必冲刷渠床，降低水位。如果糙率估计得偏小，将来放水以 后的实际流速就不能达到应有的大小，因而使流量不足和引起泥沙淤积。这说明正确估计糙率的 重要性。糙率n 值是反映渠槽边界和水流因素对水流阻力影响的一个综合值在渠道设计中，必 须根据具体情况分析影响渠道水流的各种因素，尽可能定出符合灌区实际的糙率值。 2 2 实验设备 渠道糙率测i 式- i 式验场采用循环式水流系统，试验场平面布置( 见图2 - 1 ) 。试验场循环水流系 统由蓄水池、动力抽水系统、平水箱，配水管流量检测系统、消能系统、试验渠道、退水渠道、 尾水闸等部分组成。 围2 - 1 实验场平面布置图 ( 1 ) 蓄水池( 见图2 - 2 ) ，蓄水池采用圆筒结构，外直径3 6 m ，高2 4 m ，水深1 5 m ，蓄水量1 5 m 3 。 蓄水池提供试验过程中的所需水量。蓄水池底为弧形底面。池中蓄黄河水，含沙量为河套灌区多 年平均值2 0 5 k g m 3 。 8 中国农业大学硕士学位论文第二章不同衬砌型式渠道糙率的研究 图2 - 2 蓄水池 ( 2 ) 动力抽水系统，动力抽水系统采用6 寸潜水泵，额定流量1 5 0 m 3 h ，扬程5 0 m 。 ( 3 平水箱( 见图2 - 3 ) ，平水箱是循环式水流系统重要的组成部分，其功能为保持固定的水头， 以达到水流稳定的目的。平水箱为钢结构，外尺寸长1 7 m ，宽1 t m ，高1 5 m 。内部由进水仓、 平水仓和回水仓三部分组成。进水仓的作用是消除水流的多余能量，匀化流态：平水仓为通过顶 部所架设的3 条溢水槽，引导过盈水量经回水仓流回蓄水池，作用是确保平水箱内水面恒定；回 水仓的作用是集纳溢水槽的泄余水，经回水管下泄至蓄水池。 图2 3 平水箱 ( 4 ) 配水管( 见图2 - 4 ) 配水管为一根8 寸钢管，尾部设有调节流量的阀门。 ( 5 ) 流量检测系统( 见图2 4 ) ，流量检测系统是检测试验出水量的多少试验采用t d s 1 0 0 9 ：里奎些奎兰2 圭兰竺竺兰至三兰至皇翌型型茎釜垄登耋竺2 耋 便携式超声波流量计，流量计安装在距配水管尾部阀门2 0 m 处，流量计可检测配水管中的瞬时 流量、流速及累计流量，测量误差在- - 1 范围之内。 图2 4 流量检测系统 ( 6 ) 消能系统，由配水管出来的水流流速较快，且配水管尾部距试验渠底有近1 o m 的落差， 为使水流平稳进入试验渠道，在配水管尾部阀门后设置了立式筛网消能箱，立式筛网共三层另 外，在试验渠道首部设置了消能池及二层水平消能设施，可保证由配水管进入试验渠道的水流消 能充分，流态平稳。 ( 7 ) 试验渠道( 见图2 - 5 ) ，试验渠道各要素( 见表2 - 1 ) ， 表2 1 各种试验渠道衬砌型式和水力要素 试验渠道的衬砌型式和主要尺寸 实验渠道村砌型式底宽( m )边坡系数纵坡长度( m ) 试验渠l边坡砼板、底为素土 0 3 41 5l ，5 0 0 03 6 试验渠l - l边坡砼板底为素土 o 7i 5l ，8 0 0 03 6 试验渠2全断面砼衬砌 0 3 71 5i 5 0 0 04 2 试验渠3土渠 o 3 51 51 5 0 0 04 2 注t 备试验莱横断面均为梯形断面 试验渠l 采用可调节的钢结构为骨架架空渠道，以方便调整渠道纵坡和渠底宽。试验渠l 为 模拟复合式衬砌渠道，渠道横断面为梯形，渠长3 6 m 。边坡上铺3 0 x 6 0 c m c l 5 混凝土预制板，其 下为2 删砂浆层，再下为0 2 r a m 厚p e 膜防渗层。渠底为素土。本试验渠道进行了两种方案的试 验：一种为试验渠l ，断面底宽3 5 c m ，纵坡1 5 0 0 0 ；另一种将试验渠1 改变底宽至7 0 c m ，纵坡 1 8 0 0 0 ，以扩大宽深比的试验范围。试验渠2 、3 为单一护面渠。试验渠2 边坡和渠底均为混凝土 衬砌渠道。试验渠3 边坡和渠底均为无衬砌土渠。试验渠2 、3 渠长均为4 2 m 试验主要目的是 两种单一护面与试验渠l 复合衬砌作为不同护面材料的糙率进行对比分析。试验渠2 、3 底宽均 为3 5 c m ，边坡系数为l ：1 5 ，水力要素与试验渠l 相同。试验渠2 、3 还兼有退水功能。 1 0 中国农业大学硕士学位论文第二章不同衬砌型式渠道糙宰的研究 图2 - 5 试验渠遗 本项研究是在渠道顺直、养护良好、断面稳定和正常输水条件下探讨糙率值，忽略水流含沙 变化情况对糙率的影响。通过在试验场中对试验渠道糙率的测试，分别研究土渠、全断面混凝土 衬砌渠道以及复合式非均质衬砌渠道的糙率随流量及渠道宽深比变化情况，同时以现场实测资料 验证试验场资料的准确性。 渠道糙率研究的条件：所研究的渠道属正常输水的顺直渠道，水流为明渠均匀流。即研究的 渠段有产生明渠均匀流的条件：( 1 ) 水流为恒定流，流量沿程不变；( 2 ) 渠道断面沿程不变，粗糙系 数沿程不变；( 3 ) 研究渠段无闸、坎等建筑物。由此研究渠段有以下特性：沿程水深不变；过 水断面上的流速分布、断面平均流速沿程不变；总水头线、水面线、渠底坡线三者相互平行 2 3 流量与渠道糙率关系的研究 2 3 i 试验原理 本项试验为研究复合式衬砌渠道和单一护面渠道的糙率。由于天然渠道中的水流多处于紊流 的阻力平方区，因此在模型设计中，选用了与天然渠道相同糙率的材料，通过保持水面比降相同 来测试不同级别渠道的糙率变化情况。由于河套灌区衬砌渠道多为宽浅式，且渠道级别较多，宽 深比的范围也较大，选定了横垂向比尺h 在5 - 1 2 0 之间，可模拟从支渠到干渠不同级别的衬砌渠 道，相应的天然渠道的底宽范围在2 - 4 5 m 之间根据重力相似准则机h = l 及阻力相似准则 瓶l 【l 铲l ，可知模型渠道相应的长度应为l m = 吼饥”( l p 取为1 0 0 0 m ) ，则模型长度在1 7 2 7 m 之间试验场试验渠l 渠长度为3 6 m ，可满足准则要求。在试验中通过调节不同流量的变化， 可模拟不同宽深比的原型渠道的运行情况，也就是测试模型渠道不同宽深比的糙率值便可反映不 同天然渠道的综合糙率。 中国农业大学硕士学位论文第二章不同村砌型式渠道糙率的研究 通过调节进口流量可分别测试非均质衬砌渠道( 以下简称试验渠i ) ，全断面混凝土预制板衬 砌渠道( 以下简称试验渠2 ) ，土渠( 以下简称试验渠3 ) 在不同流量明渠均匀流的水深，然后根 据明渠均匀流的基本公式，推导出糙率n 值。由均匀流公式： q = a c ( r i ) ”= l a i l a r 2 , 3 = l n ( a ”i ”) ，x ”( 2 1 ) n = i o ( a ”严皿”( 2 - 2 ) 式中：1 3 糙率； q 流量( m 3 s ) ； 一过水断面面积( m 2 ) ； f 渠道纵坡； x 湿周( m ) 。 2 3 2 试验方法及过程 2 3 2 1 试验方法 ( 1 ) 将蓄水池蓄满水，启动水泵，在供水管上安装超声波流量计，待信号稳定后，调节至所需 流量( 流量计显示值) 。 ( 2 ) 水流进入试验渠流态平稳以后，观测渠道上、下游水尺读数，调节尾闸，使上、下游水尺 读数相同，此时渠道水流量呈明渠均匀流状态，记录流量及水深，计算此流量下的渠道糙率值。 ( 3 ) 调节供水管阀门至不同流量，重复上述操作方法可得到不同流量情况下的糙率值。 2 3 2 2 试验过程 ( 1 供水试验渠l ，经试验渠2 回水至蓄水池，两条渠道均有试验功能，可同时测验非均质衬 砌渠道和全断面砼板衬砌渠道的糙率，试验流量范围为5 - - 7 0 m 3 h 、宽深比范围为5 - - 2 0 。 ( 2 供水试验渠i ，经试验渠3 回水至蓄水池，两条渠道均有试验功能，可同时测验非均质衬 砌渠道和土渠的糙率，试验流量为5 7 0 m 3 h 、宽深比范围为5 2 0 。 ( 3 供水试验渠l l ，经试验渠2 回水至蓄水池，主要测试变断面后的非均质衬砌渠道( 试验渠 1 - 1 ) 的糙率，试验渠2 尾门全部开启只有回水功能，试验流量为5 - - 1 4 0 m 3 1 1 宽深比变化范围为 3 5 - - 2 0 。 1 2 2 3 3 试验结果分析 表2 - 2 不同衬砌型式试验渠道糙率与流量的关系 试验渠l试验渠2试验渠3 流量糙率流量糙率流量糙率流量糙率流量糙率 5 0 4 0 0 2 13 2 0 0 1 95 0 40 0 1 4 35 2 1 7 0 0 1 0 35 9 7n 0 3 6 2 6 60 们8 83 2 30 0 1 8 86 60 0 1 0 25 40 0 1 0 71 1 3 70 0 2 8 4 6 6 80 们7 33 2 6n 0 1 9 31 0 5 20 0 1 4 25 6 5 3n 0 1 0 21 3 5 40 0 3 0 l 7 6 80 0 1 9 33 2 6 8o 0 1 6 9i o 5 60 0 1 0 95 8 9n o l 0 31 6 9 40 0 2 5 6 8 3 30 们跎3 3n o l 8 41 2 9 90 0 1 2 65 8 9 30 0 1 2 32 3 1 5o 0 2 6 6 99 30 0 1 9 33 4 5 ln o l 7 71 5 9 40 0 1 2 46 1 0 40 0 1 1 72 4n 0 2 3 4 1 05 6n 0 1 7 83 4 9 7o 0 1 9 ll6 7 6o 0 1 3 86 2 4 5n 0 0 9 82 4 1 50 0 2 5 5 1 13 7 0 0 2 1 93 5 90 0 1 7 8l7 7 6o 0 1 56 2 5 50 0 0 9 92 7 4 4o 0 2 6 1 2 0 80 0 2 0 l3 6 1 40 0 1 6 81 8 3 90 们0 23 2 60 0 2 4 3 1 2 9 90 0 2 0 13 6 50 0 1 6 62 2 4 7o 0 1 1 43 3 4 70 0 2 3 7 1 5 9 40 0 2 0 63 6 6 30 0 1 8 32 3 10 0 1 惦3 4 5 10 0 2 2 4 l 矗7 60 0 2 0 93 6 6 70 0 1 82 5 ，o l0 0 】l3 7 5 80 0 2 5 6 l z 0 4 n 0 1 9 33 6 9 50 0 1 7 82 6 0 3o 0 1 2 2 3 89 3 o 0 2 6 5 1 7 10 0 1 7 63 7 7 60 0 1 8 42 6 7 80 0 1 3 54 0 4 90 0 2 0 9 1 8 3 9 0 0 1 8 23 8 3 8n 0 1 92 7 1 6o 0 1 1 54 2 90 0 2 7 2 2 4 70 0 1 8 33 8 9 30 0 1 7 42 7 4 8n o l l 44 矗o lo 0 2 0 9 2 3 10 0 1 8 l4 0 4 90 0 1 83 0 7 9n o l l 54 6 3 90 0 2 6 4 2 3 1 50 0 2 0 94 1 0 6o 0 1 7 33 2 6 8n 0 1 0 74 8 4 80 0 2 2 4 2 40 0 1 9 i4 2 7 60 0 2 0 43 6 1 40 o l l 74 8 6 60 0 2 6 5 2 5 0 l 0 0 1 8 24 2 9o 0 1 9 5 3 6 5o 0 1 1 25 0 3 90 0 2 4 2 6 0 8 0 0 l 舒4 5 1 0 0 1 8 137 7 6o 0 1 1 45 3o 0 2 3 l 2 6 4 7 o 0 24 5 9 5 0 0 1 6 73 7 80 0 1 0 55 7 5 4o 0 2 5 7 2 65 20 0 1 8 5 4 6 4 1 0 0 1 8 l4 1o 们l l 2 6 ，7 8 n 0 2 0 84 7 6 60 0 1 6 94 1 0 8o 们1 7 2 6 8 8 0 0 1 9 24 8 1o 0 1 7 s4 1 9 5o 0 1 1 4 2 7 1 6 0 0 1 s l4 8 4 8o 0 1 6 64 2 7 60 0 1 2 2 2 7 “0 0 2 0 85 0 3 9o 0 1 6 64 5 9 50 0 1 2 8 2 7 4 8o 川7 85 2 7 lo 0 1 6 54 6 70 0 1 0 5 2 7 5 60 0 2 l l5 30 0 1 6 94 8 10 0 1 l l 3 0 50 0 1 7 25 5 1 30 0 1 6 94 9 5 10 0 0 9 8 3 n 7 9 n 0 1 7 4 将上表三条渠道的测试结果莉在一起，见图2 - 6 图2 - 6 不同村砌型式糙率与流量关系 由图2 - 6 可知，试验渠l 、2 、3 糙率与流量成自然对数关系，即n = a i n ( q ) + b ，a 、b 为系数， 从图中线型分析可推出以下结论：三条曲线依次排列互不相交，说明渠道的糙率主要由渠道的 性质决定；三条试验渠糙率随流量的增加而减小，符合糙率变化的普遍规律；但由于渠道衬砌 的材料不同，表现在a 、b 的值有些差异，试验渠1 与试验渠2 的区别在渠底，a 值基本相同， b 值相差较大，两条拟合曲线变化趋势基本平行，试验渠1 与试验渠3 的区别在边坡，a 、b 值 相差较大，两条拟合曲线变化趋势不同，表现在试验渠3 的糙率随流量的增大而减小的幅度较快， 而试验渠1 的这种变化较缓，这种现象在小流量时表现得更加明显。由此说明，渠道边壁的粗糙 度对渠道的过流能力的影响随流量的增加而减小 2 4 渠道宽深比和糙率关系的研究 2 4 1 引言 渠道的宽深比基本上反映了渠道运行过程中渠道断面的性质，在本项试验中以渠道的宽深比 作过渡，通过研究不同衬砌型式试验渠道糙率与宽深比的关系，揭示不同衬砌