河工模型试验加糙方法综述

李甲振+郭永鑫+甘明生+许金鹏+付辉+黄伟

摘要：原模型阻力相似是开展河工模型试验的基本要求，模型试验的糙率复核受目标值、波动幅值、模型材质及研究重点等多因素的影响，选用合理的加糙手段可大幅提升试验效率和精度。为解决现阶段河工模型试验中存在的加糙方法种类繁多、技术条件复杂、难以快速选择适宜加糙方法的问题，对国内外常用的加糙方法进行了归纳总结，将加糙方法划分为点块型加糙、条带型加糙和膜片型加糙三种方法。介绍了每种方法常用的加糙体，详细说明了各加糙方法的实现手段、优点、不足以及糙率值的可调整范围。草垫为代表的膜片型加糙可实现的糙率峰值达0.08以上，梅花十字板加糙可实现的糙率峰值约0.06，条带型加糙可实现的糙率峰值约为0.04，粘贴尼龙网、玻璃膜以及密实加糙可实现的糙率峰值约为0.02，刨坑加糙方法基本不能提高模型表面糙率。给出了相应的适用条件、加糙范围及对水流结构的影响，以及部分糙率计算方法，以期研究者可根据试验目的快速准确地选取适宜的加糙方法，提高研究效率。

关键词：模型试验；加糙方法；点块型加糙；条带型加糙；膜片型加糙

中图分类号：P21 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）04-0129-07

Abstract：Resistance similarity is an essential requirement in river model experiments.Roughness recheck is affected by the target value，fluctuation amplitude，model material，and research emphasis.A reasonable roughening method will substantially improve the experiment efficiency and accuracy.In order to help researchers quickly choose a reasonable roughening way from the various existing methods，we sorted and reviewed the commonly used roughening methods，which were classified into three types：block-type roughening，strip-type roughening，and patch-type roughening.We introduced the commonly used roughening elements of each method and described in detail the realization means，advantages，drawbacks，and adjustable roughness range of each method.The patch-type roughening methods represented by plastic grass cushions can achieve a roughness value larger than 0.08.The block-type roughening methods represented by cross plates in the form of plum blossom can obtain a peak roughness value of about 0.06.The peak roughness value of strip-type roughening methods is 0.04.Sticking nylon nets or glass film and compact roughening can generally realize a roughness value no larger than 0.02.Digging pits on the model can hardly increase its surface roughness.In addition，this paper presents the methods′ application conditions，roughening ranges，and influence on flow structure，and some roughness calculation methods.It is hoped that with this paper，researchers can determine roughening methods quickly and exactly according to their experiment goals，and improve their research efficiency.

Key words：model experiment；roughening method；block-type roughening；strip-type roughening；patch-type roughening

進行河工模型试验时，一般按照重力相似准则进行设计，原模型需满足阻力相似要求。选定几何比尺后，即可根据原型糙率和比尺确定模型表面所需要的糙率值。通常，利用混凝土、有机玻璃材质进行放样所制作模型的糙率小于需求值，因此，需要对模型表面进行加糙[1]。对于宽深比较大的河道，一般采用变态模型，变态率越大，所需的河床糙率也越大[2]。如何对模型表面进行加糙，反映原型的水力特性，成为了试验需要解决的首要问题。一般情况下，模型加糙需要考虑以下问题：（1）目标糙率的大小，据此确定可供选择的加糙方式；（2）试验研究的重点，考虑加糙对水流结构及流速分布的影响；（3）模型制作的材质，使加糙易于实现；（4）加糙的可调节性，糙率复核通常经过多次调整后才能实现，因此，加糙方式需易于调整。

本文对常用的加糙方式进行了概述，将其划分为点块型加糙、条带型加糙和膜片型加糙，分析了不同加糙方式的适用条件、实现方式、优缺点以及糙率计算方式，指出了研究需要解决的难点问题和关键技术。

1 点块型加糙

点块型加糙，是将加糙体按照一定的排列方式粘贴在河床上实现加糙的。常见的点块型加糙方式有密实加糙、梅花加糙、刨坑加糙等。

1.3 刨坑加糙

刨坑加糙，是在模型表面刨制小坑进行加糙的一种方式。经过实践，刨坑对河床糙率的影响并不明显，这主要是因为刨坑的方法不能显著提高模型表面的当量绝对粗糙度，坑内水体以自旋为主，不能显著增加糙率。李纯良[16]在混凝土表面每隔3.37 cm布置一排間距为3.20 cm的坑；坑的形状近似为四面体，底面为边长1.5 cm的等腰三角形，深0.9 cm，体积为0.29 cm3，所获得的糙率近似于混凝土抹面的糙率0.011。

2 条带型加糙

2.1 凹槽加糙

利用混凝土材质制作的模型，表面抹光的糙率一般在0.010～0.011；在混凝土未干结前，可利用扫帚等对表面进行打毛，以增加模型糙率，但数值一般不超过0.014。长江口处河道模型试验中，通过在模型表面刮制W型波纹凹槽进行加糙；凹槽的尺寸是宽0.8 cm、深0.8 cm，模型达到的糙率为0.019[17-18]。笔者在其模型试验中，也曾通过表面刮制宽深0.6～0.7 cm的W型波纹凹槽进行加糙，实现的糙率值为0.018。该加糙方法操作简单，容易实现。考虑混凝土特性及W型凹槽的制作，建议的加糙深度一般不超过1 cm，糙率值一般小于0.020。

2.2 水中拉线加糙

对于河床平顺的渠道，水中拉线是一种较为便捷的加糙方式。水中拉线加糙是在渠底两侧预先密集埋设铁钉，间距一般为5～10 cm；将绳索拴在铁钉上，通过增加对水流的扰动实现加糙目的。该加糙方式可实现的糙率值达0.04，随绳距的增大而减小，当绳距大于80 cm时，加糙效果已经不明显了。M.Asim[19]对1.0 mm和1.5 mm绳索的试验表明，绳索直径对糙率的影响并不明显。前文提及的点块型加糙方式在改变糙率时，往往需要停水，去掉已粘贴的加糙体并调整间距，或对加糙体进行修剪、拔除，干结后再次进行试验；糙率调整周期长，通常至少需要十几天的时间。水中拉线可以在不停水的情况下改变糙率，操作简便，糙率复核工作可在两三天时间完成。但水中拉线加糙破坏了水体的流场结构，影响断面流速分布和河道输沙，一般在研究水面线问题时应用，在浑水和动床试验糙率不足时使用[20]。

2.3 粘贴条带加糙

粘贴条带加糙是将有机玻璃、塑料材质的加糙条或吸管等按照一定的规律粘贴在底板上进行加糙的一种方式[21]。卞华[22]对三角形、半圆形、矩形和圆形加糙条的紊流结构进行研究，矩形条带的加糙效果最好。当加糙条间距λ/高度[WTB1X]k=8时，当量糙率最大。利亚平[23]、D W Knight[24]对不同尺寸加糙条的试验也证实了间距为加糙条高度的8～9倍时，加糙效果最明显，粘贴条带加糙一般用于糙率值不超过0.03的河工模型。将条带波浪状或交错式布置，可进一步提升加糙效果，在泄水工程陡坡段的消能防冲中应用较多[25-26]。需要注意的是，当加糙条间距大于高度的8倍时，为大尺度漩涡的存在和发展创造了条件，0.6～1.3倍加糙条高度范围的水体流速分布发生偏离，不满足对数型流速分布[22，27]。

3 膜片型加糙

膜片型加糙，是一种在模型的表面粘贴膜片进行加糙的方式，常用的膜片有尼龙网、玻璃膜、塑料草垫等，见图8。在香港锦田主排水道雨洪渠道模型试验中，王涛[30]利用厚0.7 mm，网格间距为1 mm的尼龙网模拟浆砌块石护坡。为保持有机玻璃模型的可视性，孙东坡[31]在表面粘贴玻璃膜进行加糙。纹理越深，加糙效果越明显；加糙膜纹理垂直来流方向的糙率最大。尼龙网和玻璃膜可实现的糙率值一般不超过0.020，加糙时，制作成块状进行粘贴，便于撕除进行糙率调整。

利用塑料草垫进行加糙，可实现的加糙范围为0.027 4～0.081 3[32]，常用于表面较平整的有机玻璃、混凝土、钢质和木质模型的加糙；减小糙率时，在草垫格栅的节点上摘除塑料草即可。其加糙效果的影响因素主要是草间距、叶开度、高度以及单片叶的尺寸。草间距越小、开度越大、草越高、单片叶尺寸越大，加糙效果越明显；叶片平面舒展型草垫的加糙效果优于竖向笼缩型草垫。由于工业化生产的草垫具有统一的规格和尺寸，因此，草垫对水流底部流速的干扰也是比较均匀的。通过对底部紊动强度的分析，草垫加糙要求模型水深不小于3.0～3.5 cm。邬年华[33]对鄱阳湖实体模型采用梅花形石块加糙和塑料草垫加糙相结合的方法，实现了模型和原型的水流运动条件相似。

（3）加糙体所占水体体积V考虑加糙体后面旋涡的体积，卢汉才[6]认为加糙体后面的旋涡形状为一平放的锥体，影响距离为颗粒直径的10～12倍，虞邦义[15]认为旋涡区为四分之一椭球体（长轴为两排加糙体间距，短轴为加糙体垂直来流方向宽度，高度为加糙体高度）。

5 主要认识

通过对国内外河工模型试验加糙方法的概述，将其划分为点块型加糙、条带型加糙和膜片型加糙三种方法，分析了各方法的适用条件、加糙范围及对水流结构的影响，通过系统分析总结得出如下认识。

（1）考虑河床加糙目标值，以草垫为代表的膜片型加糙可实现的糙率峰值达0.08以上，梅花十字板加糙可实现的糙率峰值约0.06，条带型加糙可实现的糙率峰值为0.04，粘贴尼龙网、玻璃膜以及密实加糙可实现的糙率峰值约为0.02，刨坑加糙方法基本不能提高模型表面糙率。

（2）从对水流结构的影响考虑，密实加糙更接近天然河床情况，对水流结构的影响最小，膜片型加糙次之；条带型加糙和梅花加糙一般常用于一维、二维水流问题研究，而在三维问题的研究中，建议使用密实加糙和膜片型加糙方法。

（3）从糙率调整的角度考虑，水中拉线加糙方法最便捷，膜片型加糙和梅花型十字板加糙方法次之，需要调整加糙体间距的点块型加糙和其他条带型加糙最为复杂。

（4）河道槽蓄量对水流水力特性影响较大的模型，建议使用梅花形十字板加糙或水中拉线加糙。

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