基于Flood Area 模型的模袋混凝土衬砌渠道糙率系数优化方案初探

张海玲　霍轶珍　郭彦芬　王文达

摘 要：本文以河套灌区建设一分干模袋混凝土衬砌渠道为研究对象，引用Flood Area模型，将糙率系数的设置做区分化处理;对渠道区域进行划分和赋值，在经验参数的基础上，结合建设一分干模袋混凝土衬砌渠道实际情况，设置栅格糙率系数，增加糙率系数的精度。结果表明：考虑模拟中糙率系数的动态性以及渠道糙率系数较坡面糙率系数更为复杂的特点，将糙率系数的设置做区分化处理，改进后的方法简化了率定流程，以解决模拟流速普遍偏低的问题。利用高程与糙率系数的函数关系，以较全面、真实地仿真模拟模袋混凝土衬砌渠道的流场。

关键词：Flood Area模型;模袋混凝土;糙率;TOPMODEL;区分化处理

中图分类号：TV135.3           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2019）01-0078-02

模袋混凝土是我国20世纪80年代初从国外引进的一项现浇混凝土新技术，它采用织物模袋做软模具，通过混凝土泵将砂浆或混凝土充灌进模袋成型，起到护坡、护底、防渗等作用[1]。目前专家学者采用室内试验、现场原型测试与数值模拟相结合的方法，对糙率的取值及影响因素进行了深入研究。但是，目前河套灌区模袋混凝土衬砌渠道数值模拟还没有引用Flood Area模型的相关研究。

刘锋[2]利用Fluent软件对植物坝覆盖区域流场进行数值模拟，胡静[3]对微厚透水物糙率处理方法进行了数值模拟。但是，由于渠道边界层的内部流动很复杂 以及现有计算机硬件限制， 目前数值模拟采用的计算方法还比较单一，绝大多数数值仿真均采用简化的物理模型，没有考虑真实的物理情况。如果单纯采用FLUENT软件模拟模袋混凝土衬砌渠道的流场时，存在较大的难度，而且计算时程序不易收斂。

本文以河套灌区建设一分干模袋混凝土衬砌渠道为研究对象，引用Flood Area模型，将糙率系数的设置做区分化处理以期解决模拟流速普遍偏低的问题，便于全面、真实地仿真模拟模袋混凝土衬砌渠道的流场。

1选择渠道

建设一分干模袋混凝土衬砌渠道的测流渠段较平直、水流均匀，纵横断面比较规则、稳定 [4]。故选取建设一分干模袋混凝土衬砌渠道作为全模袋混凝土衬砌断面典型渠道。

建设一分干模袋混凝土衬砌渠道，桩号9+715～13+000为铺设12cm厚土工全模袋混凝土防渗衬砌，混凝土强度等级为C25，其他参数见表1。

2 “Flood Area”计算原理

“Flood Area”为德国 Geomer公司开发的模型，采用水动力方法计算，充分利用1个栅格附件的8个单元，对周围栅格单元的泻入量采用manning-stricker 公式计算：

V=kst·r2/3·I1/2       （1）

式中：kst是反映明渠渠道粗糙度对水流影响的系数;r是水力半径;I为明渠渠道的坡度。

Flood Area针对各个时段水流的运行全过程，对于二维非恒定流，采用DEM水动力模型进行建模，考虑了坡度以及粗糙度等要素对水流数值模拟的影响，以栅格方式导出，全面地、动态地反映流速、水深、流量等参数和流场[5-6]。

“Flood Area”在每个时相的运行过程中，即运行时间与相应水流范围和水深，以栅格形式表示，简洁直观，便于查看[7-8]。

3引用Flood Area模型改进方法的运用

针对传统糙率系数设置方法引起模拟流速偏低的问题，优化方法主要考虑模拟中糙率系数的动态变化以及渠道糙率系数较为复杂的特点，将糙率系数的设置做区分化处理[9]。

结合建设一分干模袋混凝土衬砌渠道，输入栅格糙率系数，壁面处采用局部加密处理，将糙率系数假设为水深的函数，在明渠流动中糙率系数会随着水深的增加而呈现减小的趋势[10]，因此利用其与水深的变化关系进行赋值。在模拟过程中水深是随着时间动态变化的，且 Flood Area 模型限制糙率系数只能作为常量输入。因此，需要建立高程与糙率系数的变化关系，在忽略水力坡度影响的情况下，水流区域高程与水深呈负相关性关系，建立如下函数方程：

Kst= Kmin+ [（ Kmax- Kmin） /（ Emax- Emin） ]* （ Emax- E） ）[11]

其中，Kst是Strickler 糙率系数，Kmax代表糙率系数最大值，Kmin代表糙率系数最小值，E高程值，Emax是最大高程值，Emin是最小高程值。不同的模拟情景参数不同，Kmax、Kmin在实际模拟中作为率定参数进行糙率系数的调节。

4研究技术路线（如图2）

5结论

以建设一分干模袋混凝土衬砌渠道为研究对象，引用Flood Area模型，将糙率系数的设置做区分化处理，改进后的方法简化了率定流程，增加糙率系数的精度，以解决模拟流速普遍偏低的问题。

Flood Area模型中糙率系数作为常量输入，对渠道区域与坡面区域进行划分和赋值，结合建设一分干模袋混凝土衬砌渠道实际情况，获取有效的下断面信息，利用高程与糙率系数的函数关系，以全面、真实的仿真模拟模袋混凝土衬砌渠道的流场。

参考文献：

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[2]刘锋，邱秀云，周著. 利用Fluent软件对植物坝覆盖区域流场进行数值模拟[J].水利水电科技进展，2010，30 （2）： 32-35.

[3]胡静，魏清福，曾婧扬. 数值模拟中微厚透水物糙率处理方法探讨[J].人民长江，2015，46 （17）： 40-42.

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