引洮供水一期工程总干渠糙率原型观测 （2）——糙率原型观测结果及经济效益

吕宏兴，路泽生，栾维功，把多铎，李建雄，杨 岑

引洮供水一期工程总干渠糙率原型观测 （2）
——糙率原型观测结果及经济效益

吕宏兴1，路泽生2，栾维功2，把多铎1，李建雄2，杨 岑1

（1.西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌 712100；2.甘肃省引洮水利水电开发有限责任公司，兰州 730030）

引洮供水一期工程为甘肃省大型长距离输水工程，为了给工程优化设计提供依据，糙率原型观测研究选择在引水流量、工程类型与引洮工程相近的引大总干渠30A隧洞和盘道岭隧洞及东二干渠U形渡槽和弧底梯形明渠进行。隧洞试验段流量与水位采用自动监测系统进行，原型观测结果为：30A隧洞预制钢筋混凝土管片衬砌圆形断面实测平均糙率0.012 627，盘道岭隧洞三心圆拱直墙平底板矩形断面实测平均糙率0.011 55；圆拱直墙反底拱断面实测平均糙率0.011 521。林坪沟钢筋混凝土U形渡槽实测平均糙率为0.011 93；林坪沟混凝土预制板衬砌弧底梯形明渠实测平均糙率为0.013 69。糙率原型观测结果均小于工程设计规范值。

隧洞；U形渡槽；弧底梯形明渠；糙率

大型长距离输水工程的糙率是工程设计中的关键参数，随着工程施工技术的进步，工程建成后的实际糙率小于规范值，但设计中如何减小糙率取值则无选择的依据。为了给引洮供水工程优化设计提供依据，甘肃省引洮水利水电有限责任公司于2006年立项进行糙率原型观测研究。

本文是该项研究的第2部分。糙率研究中原型观测段的选择、关键水力要素流量、水位的量测方法已在论文第1部分论述。论文第1部分已在本刊2009年第12期发表。

1 糙率原型观测试验结果

1.1 糙率计算公式

式中：n为糙率；A为过水断面面积（m2）；Q为流量（m3／s）；R为水力半径（m）；J为水力坡降。

由原型观测的试验渠段流量、水深，计算相应断面的过水断面面积、水力半径、水力坡降，可由公式（1）计算糙率。

水力坡降是按各断面总水头与相应渠道长度回归计算试验渠段的平均水力坡降。

按式（1）计算隧洞糙率时，过水断面面积A、水力半径R取各断面平均值，流量、水深为量水槽和水位监测系统的量测值。

1.2 隧洞糙率原型观测结果

从监测到的30A隧洞试验段6个水位过程中，按不同流量级选取水位相对平稳的25个时段的水位流量数据，按式（1）计算糙率，糙率计算结果列于表1中。各流量计算平均糙率为0.012 627。原型观测过程中最大流量为10月14日11：02至11：22时间段 Q＝25.483 m3／s，相应洞内水深为2.712 m，水深大于隧洞设计半径2.4 m。

试验过程中，传感器采集的水位受水面波浪影响是随时间波动的，但水位的时间平均值是常数，符合恒定紊流时间统计规律。因此，表1数据均选取25组不同流量的稳定时间段水位和流量计算水力要素，各级流量计算的平均糙率为0.012 627。

盘道岭隧洞试验段由三心圆拱直墙平底板矩形断面和圆拱直墙反底拱断面2段组成。由于断面形状不同，糙率计算分2段进行。2洞段各布置3个水位监测断面，各段长度约600 m。从监测的流量水位过程中，按不同流量级选取水位过程相对平稳的17个时段的水位流量数据计算糙率，糙率计算结果列于表2、表3中。各级流量计算的平均糙率分别是三心圆拱直墙平底板矩形洞段为0.011 55，圆拱直墙反底拱洞段为0.011 521。反底拱断面试验过程中最小水深为1.045 m，水深均大于底部拱高 a＝0.5～0.6 m。

综上，30A隧洞预制钢筋混凝土管片衬砌圆形断面实测平均糙率0.012 627，盘道岭隧洞三心圆拱直墙平底板矩形断面实测平均糙率0.011 55；圆拱直墙反底拱断面实测平均糙率0.011 521。与引滦入津隧洞原型观测的糙率0.012比较，其施工条件与盘道岭隧洞均为钢筋混凝土钢模浇注衬砌，不同之处在于引滦入津隧洞糙率是包含了弯道在内的综合糙率值，而本试验隧洞均选在直线洞段，因此平均糙率略小于引滦入津隧洞糙率。30A隧洞平均糙率因存在管片缝隙影响，平均糙率则大于引滦入津隧洞的糙率。

表1 30 A隧洞圆形断面试验段糙率原型观测值（2006年）Table 1 Prototype observational roughnesses of 30 A Round Tunnel in 2006

表2 盘道岭隧洞三心圆拱直墙平底板断面渠段糙率原型观测值（2006年）Table 2 Prototype observational roughnesses of Pandaoling Tunnel with three-centered circular arch，vertical wall and flat bottom floor in 2006

表3 盘道岭隧洞圆拱直墙反底拱断面渠段糙率原型观测值（2006年）Table 3 Prototype observational roughnesses of Pandaoling Tunnel with circular arch，vertical wall and inverted arch bottom floor in 2006

对于采用TBM全断面掘进机施工，预制钢筋混凝土管片龟背式纵横向拼接衬砌圆形断面隧洞的糙率原型观测，目前国内外尚未见报道。

1.3 渡槽、明渠糙率原型观测结果

林坪沟U形渡槽试验段设上下游2个观测断面，试验段长度136.552 m。流量采用流速仪断面测流法量测，垂球法量测水位，试验共量测了11组水位与流量，糙率计算结果见表4，实测平均糙率为0.011 93。

林坪沟弧底梯形明渠观测段因渠道上游有节制闸及左岸下车道，下游与弯道及大沙沟隧洞衔接，选择的顺直观测渠段长度103.32 m，流量采用流速仪断面测流法量测，水位采用测量标注在左岸渠壁上的水尺观测。试验量测了8组水位与流量，糙率计算结果见表5，实测平均糙率为0.013 69。

表4 林坪沟钢筋混凝土U形渡槽糙率原型观测值（2006年）Table 4 Prototype observational roughnesses of Linpinggou U-shaped Aqueduct of reinforced concrete in 2006

表5 林坪沟预制混凝土板衬砌弧底梯形明渠糙率原型观测值（2006年）Table 5 Prototype observational roughnesses of Linpinggou Open Channel with concrete prefabricated panel lining and arc bottom trapezoid section in 2006

2 研究成果的应用及经济效益

随着我国长距离输水工程建设发展和工程规模扩大，输水建筑物糙率取值问题愈来愈显示出其重要性［2］。近年来，国内的昆明水利水电勘测设计研究院、北京水利水电勘测设计研究院等设计研究单位对引滦入津［2］、引黄、南水北调、以礼河、大朝山、碧口等工程做了输水糙率的原型观测试验研究［3－5］，取得了十分有价值的研究成果。这些研究中，引滦入津隧洞的糙率原型观测先后在工程建成和运行10年后进行了2次，取得的试验资料最为全面［2］。本次糙率科学试验是继上述试验研究之后，断面类型更全（5个断面形状），隧洞水位、流量观测技术更先进的一次原型观测研究。其中对TBM全断面掘进机管片施工隧洞（30A隧洞）糙率原型观测研究尚属首次完成，试验达到了预期研究结果。为引洮一期供水工程设计糙率选取提供了科学依据。

输水建筑物糙率系数是衡量水流边界表面粗糙影响的一个综合性系数［6］，工程界习惯采用谢才公式和曼宁公式推算糙率系数，实测值是在顺直的均匀流渠段获取的。但实际输水工程总是存在弯道、断面变化以及渠系建筑物等阻水因素，工程设计为保证安全，应将壁面粗糙度、断面几何形状、弯道、渐变段、渠系建筑物、渠道淤积物、施工质量、使用年限、养护条件等因素归并到糙率中考虑，这时的糙率系数为综合糙率。在结合试验结果并综合考虑上述因素的前提下，根据试验结果推荐糙率取值为：钢模混凝土浇注施工隧洞设计糙率0.013～0.013 5，TBM全断面掘进机预制管片施工隧洞设计糙率0.013 5～0.014，小块砼预制板衬砌施工弧底梯型明渠设计糙率0.014～0.015。

在依据本次试验推荐设计糙率值的基础上，工程设计单位充分分析了引洮供水一期工程总干渠隧洞的具体运行状况、工程特点等因素，类比引大入秦工程总干渠隧洞断面设计特征，并参照现行水工隧洞规范的设计要求，综合考虑引洮供水工程总干渠实际能够达到的二次衬砌砼浇筑施工水平，进行了隧洞设计方案优化。优化方案对钻爆法施工隧洞按照n＝0.014时能够满足最小净空率15%的要求确定断面尺寸，以n＝0.013 5进行水力设计、水面连接与纵断面设计。隧洞净断面尺寸采用半径R＝2.34 m，B×H＝4.68 m×4.68 m，净空率 ΔW＝18.199%，净空高度ΔH＝1.156 m。隧洞前期2004年5月设计采用值 n＝0.014 5时半径 R＝2.40 m，B×H＝4.80 m×4.80 m，优化方案相对前期设计断面半径减小60 mm，断面净宽减小120 mm，一期工程总干渠13座钻爆法施工隧洞，总长度L＝57 891 m，总计估算减少投资1 270万元。

［1］ 吕宏兴，裴国霞，杨玲霞.水力学［M］.北京：中国农业出版社，2002.（LV Hong-xing，PEI Guo-xia，YANG Ling-xia.Hydraulics［M］.Beijing：Chinese Agricultural Press，2002.（in Chinese））

［2］ 陈耀忠.引滦入津隧洞糙率两次原型观测成果综述［J］.水利水电科技进展，2001，25（2）：58－61。（CHEN Yao-zhong.Summary of two times prototype observation results of roughness coefficient for water diversion tunnel from luanhe river of Tianjin City［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2001，25（2）：58－61.（in Chinese））

［3］ 曾 祥，黄国兵，段文刚.混凝土渠道糙率调研综述［J］.长江科学院院报，1999，16（6）：1－4.（ZENG Xiang，HUANG Guo-bing，DUAN Wen-gang.Summatization of investigation on roughness of concrete channels［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1999，16（6）：1－4.（in Chinese））

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［5］ 董槐三，潘永贤，陈耀忠.几种衬砌渠道糙率系数的原型观测［J］.水力发电，1981，（12）：39－43.（DONG Huai-san，PAN Yong-xian，CHEN Yao-zhong.Prototype observation of roughness coefficient in several liner channels［J］.Water Power，1981，（12）：39－43.（in Chinese））

［6］ 刘 斌，庞进武，祝瑞祥，等.美国长距离调水工程考察报告［J］.人民长江，1994，（7）：35－39.（LIU Bin，PANG Jin-wu，ZHU Rui-xiang，et al.Investigation report of long-distance water transfers in America［J］.Yangtze River，1994，（7）：35－39.（in Chinese））

［7］ 吕宏兴，把多铎，宋松柏.无压流圆形断面水力计算的迭代法［J］.长江科学院院报，2003，20（5）：15－17.（LV Hong-xing，BA Duo-duo，SONG Song-bai.Hydraulic calculation for free flow in circular section by iterative method［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2003，20（5）：15－17.（in Chinese））

［8］ 王光谦，黄跃飞，魏加华，等.南水北调总干渠糙率综合论证［J］.南水北调与水利科技，2006，4（1）：8－14.（WANG Guang-qian，HUANG Yue-fei，WEI Jia-hua，et al.Identification of roughness coefficient value for the channel of the South-to-North water transfer（Middle Line）Project［J］.South-to-North Water Transfers and Water Science＆Technlogy，2006，4（1）：8－14.（in Chinese） ）

Prototype Observation Research on Roughness of Main Channel of Taohe River Water Transfer First-phase Project（2）——Result and Economic Benefit of Prototype Observation

LV Hong-xing1，LU Ze-sheng2，LUAN Wei-gong2，BA Duo-duo1，LI Jian-xiong2，YANG Cen1
（1.College of Water Resources and Architectural Engineering，Northwest Sci-tech University of Agriculture and Forestry，Yangling 712100，China；2.Taohe River Water Transfer Project Water Resources and Hydropower Development Co.Ltd of Gansu Province，Lanzhou 730030，China）

In order to provide the basis for the Taohe River Water Transfer First-phase Project which is large transfer project of Gansu Province，the prototype observation research of roughness coefficient was done at 30A Tunnel，Pandaoling Tunnel，trapezoidal open channel and u-shaped aqueduct which are separately located in main channel and East Secondary Channel of the Dahe River Water Transfer Project analogous to the former project.The discharge and water level of tunnels were monitored automatically.The observed results are as follows：The average roughness value of 30A Round Tunnel with precast reinforced concrete segment lining is 0.012 627；Pandaoling Tunnel with three-centered circular arch，vertical wall and flat bottom floor is0.011 55，while with circular arch，vertical wall and inverted arch bottom floor is 0.011 521；Linpinggou U-shaped Aqueduct of reinforced concrete is 0.011 93；Linpinggou Open Channel with concrete prefabricated panel lining and arc bottom trapezoid section is 0.01369.All these measured values are lower than the specification regulated values.This is the second part of the research.

tunnel；u-shaped aqueduct；trapezoidal with arc bottom open channel；roughness

TV131.65

A

1001－5485（2010）02－0037－05

2008-12-15；

2009-03-10

国家自然科学基金（50879070）；甘肃省引洮水利水电开发有限责任公司立项资助

吕宏兴（1955-），男，陕西陇县人，教授，博士生导师，从事工程水力学研究，（电话）029-87091806（电子信箱）lvhongxing＠tom.com或514524517＠qq.com。

（编辑：曾小汉）