矩形糙条间距对床面糙率影响的实验研究

2020-12-09林金裕

水道港口 2020年5期

林金裕

(福建省港航勘察设计院有限公司，福州 350003)

在水力学研究中，糙率是一个关键参数[1]，反映了床面与边壁的整体粗糙程度。在水工模型实验中，由于多采用变态模型，根据阻力相似原则，普通的水泥床面较难满足糙率相似的要求，一般需要人工增加糙率。李甲振[2]等对河工模型实验加糙方法进行了综述，将常见的人工加糙方法分为点块型加糙、条带型加糙、膜片型加糙等形式。为解决传统加糙方法不佳的情况，宋为威[3]等总结了对Y型、等腰三角形橡皮加糙等新型糙元的研究成果。实际上，除为河工物理模型中床面加糙的一种形式之外，矩形糙条作为传统条带型加糙方法的一种，在现场也有应用，特别是运用于消能工艺布设[4]，通过增大床面的糙率，可有效提升水面线[5]。

1 研究背景

目前对糙率的研究多偏重于单一坡面或单一壁面情况的比较[6]，然而在天然河道中修建群潜坝等建筑物后，等效于对河道进行条带型糙条加糙，必然导致河道糙率的改变。高培健、李志勤等分别通过模型实验[7]和数值分析[8]研究了河道在修筑群潜坝后的糙率变化，发现修筑群潜坝之后糙率会增加至原河道糙率的1.1～2.6倍，且糙率变化和水深坝高比有先减小后增加的趋势。同时在消能方面的应用中，现有研究也指出单纯加密糙条不能有效提高消能效果[9]。杜国仁[10]、卞华[11]等对矩形加糙条的紊流结构进行研究，比较了糙条间距λ与糙条高度h之比λ/h对糙率n的影响，初步提出λ/h=8时糙率n为最大值的结论，但是由于该实验组数有限，尚不能较准确描述λ/h对糙率n的影响情况，有待进一步深化研究。

本次实验在此前研究的基础上，在不同流量下，对实验组数进行矩形糙条间距的补充，设置λ/h=1、2、3、4、8、12的6种工况，以研究不同糙条间距下，糙率、水面线和流速等水力要素的变化规律。

2 实验布置及工况安排

2.1 量测设备

(1)变坡水槽。

图1 水槽和糙条尺寸示意图Fig.1 Schematic diagram of flume and roughness strip dimensions

本次实验在福州大学土木工程学院的水槽中进行，该水槽长15 m、宽40 cm、高40 cm，变坡范围0%～2%，底板及侧壁均为高透光钢化玻璃，过流断面尺寸误差0.2 mm。水槽入口通过特殊设计的反向调节段和多级蜂窝状整流设备确保水流横向均匀，水槽出口段依次设置沉沙箱及活页尾门，便于高效控制沿程水位。水槽配备JFC水流自动测控系统，可实现恒定流、规则非恒定流、天然洪水过程自动供流，流量及水位过程由计算机实时记录。本实验中水槽的坡度取为1.6‰，所采用的糙条尺寸高h为15 mm，宽b为5 mm，长L为40 cm，水槽和糙条的示意图如图1。

(2)流量控制。

通过变坡水槽流量量测与控制系统来实现，系统通过电磁流量计实时监测流量，控制变频器，调节泵的工作状态，实现流量的高精度闭环控制，流量控制精度为±1%。水槽末端配置有尾门，用来控制水深的沿程变化，可通过控制尾门的开度来调节出流。

表1 实验安排表Tab.1 Experimental schedule

(3)水位和流速测量。

通过变坡水槽配备的水位计进行测量，超声水位计通过发出一定频率声波，遇到反射面而被反射回来，已知速度和时间间隔，从而计算相应距离。超声水位计精度±0.5 mm，主要测量的是断面中心处的水深H，cm。本次实验使用旋桨式流速仪测量流速。

2.2 实验工况

本次实验主要考虑糙条间距和流量对加糙效果、流速和水面线的影响，在Q=3.5、5、7、9、10.5、12 L/s 6种不同来流流量下，设置了λ=1h、2h、3h、4h、8h、12h6种不同糙条间距及无糙条工况作为对照，实验安排如表1所示。

2.3 断面布设

糙条布置断面为4.8 m，为了减小进口段以及出口段的影响，选择中间3.6 m为量测范围，在该范围内沿程均匀布置4个测量断面，并记录相应断面的水深，流速数据。各断面均匀布置3个测点测量水深，每条垂线用一点法测量0.6h深度的流速，取水深及流速的平均值作为该断面的数据，断面布置图如图2所示。

3 实验结果分析

本次实验中，水流近似恒定缓变流，采用曼宁公式对糙率进行计算，精度较高[12]，见式(1)所示。

(1)

式中：Q为过水断面的流量，m3/s；A为过水断面的面积，m2，A=H×B，H为水深，B为水槽宽度；R为过水断面水力半径，m；J为测量断面的坡降，J=Δz/L，Δz为测量首尾断面之间的水位差，L为首尾断面之间的距离；故在实验中，需要记录过水断面流量Q、测量断面的水深H、首尾测量断面之间的距离L，即可代入式(1)计算糙率n。

图2 断面布置示意图Fig.2 Diagram of section arrangement

3-a Q=3.5 L/s3-b Q=5 L/s

3-c Q=7 L/s3-d Q=9 L/s

3-e Q=10.5 L/s3-f Q=12 L/s图3 不同流量、不同糙条间高比下断面水面线对比Fig.3 Comparison of water-surface profile under different flow rates and different ratios of spacing to roughness strips height

3.1 水面线结果分析

当糙率较大时，水流的一部分能量通过与糙条作用而损失，另外一部分动能则通过糙条转化为势能而导致水位抬升。因此，通过对水面线的比较可以反映加糙对水流的影响程度和形式。图3中示意了不同流量、不同加糙间距条件下的水面线对比情况，由图3可得：

(1)各组水面线均呈现沿程持续下降趋势并近似线性递减，且同一流量下，不同糙条间距工况间的水面线基本平行。

(2)糙条间距变化对水面线具有较大影响。在不同的流量下，水面线随着糙条间距的增大呈现出相似的规律。当间高比λ/h=8时，各工况流量所对应的水位均为同组中最高，体现出最大的糙率。此后，随着间距的增加，水位反而下降。以上成果也从某种程度上表明，通过对潜堤间距进行合理选取可以有效抬升水面，有利于提高通航水深，优化航道设计。

图4 不同流量、不同糙条间高比下的渠道平均流速对比Fig.4 Comparison of average flow velocity under different flow rates and different ratios of spacing to height

3.2 平均流速分析

通过测量数据，将4个测量断面的流速数值进行平均，得到渠道平均流速v，不同流量和糙条间距下的平均流速如图4所示，由图可得：

(1)各组间距下，随着流量的增大，流速整体呈现增长的趋势，且不同糙条间高比下的增长趋势较为接近，基本呈现平行关系。

(2)从流速数值来看，λ/h=1时流速最大，之后随间距增加而持续降低，且λ/h从1增加到3的过程中，流速能够得到约0.05 m/s的有效降低，当λ/h>3后，流速大小相近，差别仅约为0.01 m/s，糙条的阻流效果开始降低。因此布置λ/h在1～3的范围内即可有效降低流速，此后继续增加糙条间距可能对流速的降低效果并不明显。当间高比λ/h=8时，流速为不同间高比方案中最小的一组。

3.3 糙率影响分析

通过实测数据的处理，计算得到不同流量、不同间高比下所对应的糙率，如图5和表2所示，其中无糙条条件下间高比表示为0。可得以下结论：

表2 不同流量、不同糙条间高比下的糙率系数Tab.2 The roughness coefficient under different flow rates and different ratios of spacing to height

(1)糙率n随水流流量的增大先呈现一个明显减小的趋势，到达一定流量时，糙率趋于稳定，这是由于流量变大，流速和水深相应增加，一定高度的糙条阻流作用不再明显影响水流阻力。

(2)1h间距布置的糙条糙率n随流量Q的增加，变化趋势较不明显，且明显低于2h间距的情况。在流量超过5 L/s后，糙率值在0.021附近波动，这种情况可能是因为糙条间距过小，布置过密，漩涡尺度较小，紊动产生的能量损失较小所致。

图5 不同流量、不同糙条间高比下的渠道糙率对比Fig.5 Comparison of channel roughness under different flow rates and different spacing to roughnessstrips height

(3)对比不同糙条间距的结果，显示在流量相同的情况下，随糙条间距λ不断增大，糙率n呈现先增大后减小的趋势：糙条间距λ在1h～8h，糙率n呈现一个上升的趋势，在8h达到最大值。当糙条间距λ继续增加到12h时，此时的糙率n数值减小。糙条间距从1h～8h的过程，糙条排列逐渐稀疏，起到了一定的阻流作用，当糙条间距大于8h时，糙条的作用已不明显，可见在λ=8h附近加糙效果最好。

(4)从整体来看，糙条间距从1h～3h增加的过程中，糙率值均呈现快速上升达到峰值附近；继续提升间距，在4h～8h，糙率的增长趋势变缓，在8h～12h呈现较缓慢的下降趋势，符合此前研究人员提出的结论：当间距大于8h后，为更大尺度的漩涡持续存在和发展创造了条件，进而使得水流与糙条相互作用导致的能量损失减小，表现为间距大于8h后缓慢下降对加糙效果的提升较小。