混凝土衬砌渠道糙率系数估算方法

刘俊发，曲志会，刘鸿涛，赵瑞娟

（1.吉林省第二松花江防汛机动抢险队，吉林 长春 130022；2.长春工程学院，吉林 长春 130012；3.松辽水利委员会，吉林 长春 130021）

0 引言

随着水资源的日益紧缺，水资源的优化配置及节水灌溉的实施变得越来越重要。随之而来的是我国的混凝土衬砌渠道逐年增加，而糙率系数作为渠道设计的关键技术参数之一，对渠系工程的安全和造价有重要影响，所以其值的选取十分重要。

随着新技术、新工艺和新材料的发展，以及施工设备的改进，工程质量较过去有很大提高，原有的选取糙率的方法已经不能完全准确地适用于现代渠道设计。大量的原型观测试验表明，一些渠道的设计糙率值与其实际值相差很多，如引滦入津工程暗渠的设计糙率为0.015，而实测值只有0.0115～0.0125。糙率系数对工程投资影响巨大,南水北调工程北京干线经评估，其糙率系数每下降0.001，就会使线路投资减少数亿元。对于规模大、运行条件复杂的工程，糙率系数值的微小偏差，将对工程的安全和造价产生重大影响,所以现在一些大型工程通过参考同类工程原型实验数据估算和选取糙率系数。

1 常用计算方法

式中：A为各断面平均过水面积，m2；Q为该时段的平均流量，m3/s；R为水力半径，m；J为水力坡降。

2 糙率系数估算公式的导出

19世纪中期，达西和威斯巴赫推导出计算沿程水头损失的一般公式：

式中：λ为阻力系数；l为管道长，m；R为水力半径，m；v 为平均流速，m/s；g 为重力加速度，m/s2。

应用时，应首先计算雷诺数，判别流态和紊流分区，而后选用不同的沿程阻力系数计算公式。

将式（2）用谢才公式的算式形式表示为：

清华大学1980年修订版《水力学》中给出了计算沿程阻力系数的计算公式：

且以上各公式均适用于明渠水流。

因目前采用的经验公式，资料大部分来源于紊流粗糙区（阻力平方区），且明渠水流大部分情形下处于紊流流区，所以本文应用紊流区沿程阻力系数计算公式。将式（7），（8）与式（4）联立，又因为r0=2R，整理有：

紊流过渡区

式中：n为糙率系数；R为水力半径，m；g为重力加速度，m/s2；ks为当量粗糙度，mm；Re为雷诺数。其中，当量粗糙度应在采用同种施工技术和工艺，且已经正常运行了几年的现有工程上测得。混凝土衬砌渠道的当量粗糙度一般在0.8～9.0mm之间。

3 算例及影响糙率系数的主要因素

已知：梯形渠道设计底宽为3m，边坡系数2，设计水深2m，同类工程衬砌的当量粗糙度ks为3.0mm，求 n。

经计算n=0.0154

以上糙率系数计算为参考同类工程当量粗糙度计算所得，避免了直接参考同类工程糙率可能产生的误差。

影响衬砌渠道糙率系数取值的因素很多,衬砌表面的粗糙程度、渠道过水断面形状、渠系建筑物、变断面、渠道流量、水质、施工质量、使用年限、管理养护措施等均对其有影响。从本文推导的糙率估算公式可以看出当量粗糙度ks，水力半径R和雷诺数Re是决定糙率系数的最主要影响因素。

施工质量对糙率有较大的影响，随着新技术、新工艺出现，以及施工器械设备的进步，工程质量已较过去有了很大的提高，是糙率系数取值变小的原因之一。原型试验表明，在适当的养护条件下，糙率系数在渠道运行正常的年份内变化甚微。渠系建筑物、变断面影响渠道的过流能力，产生局部水头损失，对渠道水面线产生影响，从而对糙率系数有影响。

4 结语

目前，确定当量粗糙度的实验数据还不够充分，所以应用上还受到一定的限制，应该逐步积累当量粗糙度和糙率的原形观测成果资料,适当补充和修订现有当量粗糙度表和糙率系数取值建议表。从公式（9），（10）可以看出,边界的几何形状和渠道衬砌表面的粗糙程度对糙率系数的影响最大，说明可以通过优化断面形式和改进施工技术，以及提高施工质量，进而合理地减小渠道糙率，达到降低工程造价的目的。糙率系数是一个综合性系数，其取值还要考虑建筑物、水质、流量、变断面、管理水平和养护条件等多方面因素，本文计算式虽然还不能完全准确计算出渠道糙率，但已经可以为渠道糙率的准确选取提供依据。

[1]赵瑞娟.输水遂洞水力糙率原型观测试验研究[D].西北农林科技大学，2008，5.

[2]吕宏兴，徐宏伟，张智涛.甘肃省引洮供水一期工程总干输水建筑物水利糙率科学研究报告[R].水利部西北水利科学研究所试验中心，2007.

[3]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，2005，25（2）：58-61.

[4]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.

[5]胡冰，王丽学.引兰入汤引水隧洞糙率原型观测及隧洞过流能力复核研究[J].中国农村水力水电，2006（3）：49-50，59.

[6]韩立.大直径混凝土隧洞的糙率问题[J].云南水电技术，2000，（4）：64-68.

[7]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.

[8]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.

[9]晋国辉，张文倬.输水隧洞喷锚混凝土糙率系数估算[J].云南水力发电，2005（4）：27-28.

[10]赵瑞娟，刘鸿涛，陈伟.输水渠道水力糙率计算方法比较[J].东北水利水电，2009（12）：9-10.