玻璃水槽糙率与明渠流态关系试验研究

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(1.河西学院 土木工程学院，甘肃 张掖 734000； 2.河西走廊水资源保护利用研究所，甘肃 张掖 734000)

1 概 述

明渠水流指在固体边界约束下具有自由表面的水流运动，在水利、航运等行业中被广泛应用。随着我国各类型调水工程、灌溉排水工程的建设，在各类型输水明渠的设计运行管理中，出现越来越多关于明渠糙率的水力学问题[1]。糙率有较清楚的涵义，也必有其规律性，其大小受各种因素的影响。沿程糙率主要与不同流态、流体的边界条件有关[2]。因此，本文以变坡水槽为依托，模拟天然河道，试图从明渠均匀流入手，研究不同流量及水槽底部材料对糙率值的影响规律[3-4]。

目前，糙率的取值方法主要有3种：查表法、水力学方法和糙率公式法。当河道实测资料欠缺时，可依据河道和床面特性查阅天然河道糙率表，得到相应的糙率值。水力学方法是利用天然河道实测资料来推算糙率，这种方法所得结果较查表法精确度更高，更符合实际情况。糙率公式法是通过物理分析和数学方法推导确定糙率。

2 试验部分

2.1 试验设计及方法

本试验采用高精度多功能变坡水槽试验装置系统，该装置由水槽主体(9 m×0.6 m×0.8 m)、变坡控制、流量控制、尾门控制及测控系统组成。水槽坡度变化范围为-2%～2%。

试验采用有机玻璃和人工草坪两种床面，控制流量分别在10、15、20、25、30、35 L/s，渠道断面类型分别为矩形断面(0.6 m×0.8 m)。在水槽上部沿长度方向分设7个测点，在同一坡度i下调节不同流量值,利用尾门控制系统调节水流为明渠均匀流,测得每个测点断面的水深和流量,利用明渠水力计算方法计算断面平均流速和糙率系数。整个水槽分为两段，光滑玻璃床面和人工草坪防护的粗糙床面。光滑玻璃床面：试验用明渠底为精制玻璃板,表面进行清洁减小底板阻力,水槽两侧为有机玻璃。人工草坪粗糙床面：在玻璃水槽底部及两侧放入人工草坪,并与玻璃水槽紧密贴合，模拟河道。

2.2 试验原理

本文选择用水力学方法，对于恒定均匀流来说，糙率可以根据谢才公式和曼宁公式推算：

n=1/QAR2/3i1/2

(1)

式中：Q为断面流量，m3/s；A为断面面积，m2;R为水力半径，m；i为底坡。

根据式(1)，在已知Q、A、R和i的情况下，即可算出明渠糙率系数实测值n实测。

3 试验结果及分析

1) 在有草坪和无草坪两种情况下，流量-水位关系见图1。

图1 流量-水位关系

由图1可知，随流量的增加，水位高度呈线性增大趋势，铺设人工草坪后的水位明显高于铺设前的水位，造成这种现象的原因是人工草坪自身的高度对水位的影响。

2) 在有草坪和无草坪两种情况下，流量-糙率关系见图2。

图2 流量-糙率关系

由图2可知，随着流量的增加，糙率系数逐渐减小。另外，在同一流量作用下，铺设人工草坪后的糙率系数大于玻璃水槽，这是因为人工草坪粗糙粒径较大，铺设后增加了对水流的阻力作用。当水流平均流量大于25 L/s时，流量对糙率系数的影响逐渐减小，即在同一断面上，水流流量越大，糙率系数越趋于稳定。

4 结 语

有机玻璃因表面光滑，与天然河道差别较大，因此同条件下由变坡水槽测得的流速值偏大。虽然较玻璃河床更接近于天然河道，但因人工草坪本身材质、密度、厚度、粗糙度等与天然河道河床有一定区别。因此，在后续研究中因采用不同材料参数的草坪并铺设一定的沙石，得到的结果更接近实际情况。