李家岸引黄灌区骨干渠道糙率原型观测

孙涛，章广腾

（山东省德州市水利局，山东 德州 253014）

1 项目区概况

德州市李家岸引黄灌区是山东省德州市大型引黄灌区之一，地处德州市东南部，灌区始建于20 世纪70 年代初，并于1972年开始灌溉运行。此后该灌区实际灌溉面积不断拓展，截至目前该灌区实际灌溉面积已经达到1 678.54 km2，年引水量均值达到5.78×108m3。该灌区总干渠配套较好，引水口门较多，分属于县乡村级管理部门，在该灌区长期运行过程中，先后出现渠道淤积、堤防缺失、控制性工程老化，过水能力降低及向下游供水困难等问题。灌区现有骨干渠道10条，分别为安头干渠、大黄干渠、表白寺干渠、晏城干渠、牛角店干渠、崔许干渠、裴庄干渠、宫家渡干渠、三里庄干渠、沙河干渠，总长度2 989 km，自从灌区1998年启动实施灌区续建配套与节水改造项目以来，灌区骨干渠道运行状况得到大幅度改善，渠道综合运行调控能力持续增强，在此基础上，为提升渠道灌溉效率及灌溉水利用率，强化渠道日常运行管理，并积累大型灌区衬砌渠道糙率原型观测经验，必须加强渠道设计糙率取值准确性分析。

2 糙率原型观测要求

结合类似工程渠道运行经验及该灌区实际情况，德州市引黄灌区渠道衬砌结构、形式及所用材料基本确定。当前，引黄灌区渠道衬砌方面普遍使用预制混凝土板、格宾石笼、现浇混凝土、块卵石等材料，其中预制混凝土板和现浇混凝土衬砌形式分别用于梯形渠道全断面衬砌和渠道圆弧坡脚；格宾石笼衬砌形式则多见于地下水位高的流沙段渠道基础及边坡衬砌；块卵石则多用于渠底衬砌。

2.1 观测渠段设定

德州市引黄灌区渠道试验段为顺直输水渠道，水流表现为明渠均匀流状态，且观测渠段长度至少在1 km以上，横纵断面规则，衬砌材料一致；观测渠段内测流断面周围不得存在引起水流流向、流速改变的闸门、灌水沟等建筑物；且观测段单侧渠堤道路必须整洁通畅，不得堆积垃圾、杂草、树根等，停灌期间试验渠底应无积水；在观测段测流断面处增设水位实时观测用固定水尺。按照以上要求所确定的德州市引黄灌区骨干渠道试验渠段基本情况详见表1。

表1 德州市引黄灌区骨干渠道观测渠段基本情况表

根据德州市李家岸引黄灌区观测渠段衬砌结构及断面型式，进行骨干渠道边坡坡度、底宽、左右岸圆弧坡脚长、比降等参数的现场测量，并结合相关规范所规定的流速仪量测要求进行测量方案编制及测量方法、精度等的确定。

2.2 糙率率定公式

通过标准断面量水方式进行李家岸引黄灌区骨干渠道测水断面糙率测定，即根据试验段实测断面及底坡尺寸、流速及流量、水深等水力参数值，应用曼宁公式进行渠道糙率值的反算，具体公示如下：

式中：n—德州市李家岸引黄灌区衬砌骨干渠道糙率值；R—骨干渠道水力半径（m）；i—骨干渠道比降；v—骨干渠道断面水流流速（m/s）。

由原型观测渠段流量、水深等进行相应过水断面面积、水力坡降、水力半径等的计算，并应用式（1）计算各观测渠段糙率值。水力坡降是根据各断面总水头及对应渠道长度所回归得出的水力坡降均值。根据式（1）进行各观测渠段糙率值计算时，水力半径及过水断面面积均取断面均值，水位、流量等为水位检测系统量测值。

3 糙率原型观测结果分析

3.1 观测结果

结合德州市李家岸引黄灌区春灌及夏秋灌过程中的现场测流结果，该灌区骨干渠道断面几何尺寸和典型水力要素取值情况具体见表2。

表2 灌区骨干渠道断面糙率原型观测结果表

3.2 糙率率定结果

根据对试验段不同骨干渠道流量、水位、糙率及渠底比降等实测结果和设计值的对比可以看出，在该引黄灌区中表白寺干渠实测糙率值比设计值小，晏城干渠、牛角店干渠、崔许干渠、裴庄干渠实测糙率值比设计值大；宫家渡干渠、三里庄干渠、沙河干渠、安头干渠、大黄干渠等骨干渠道实测糙率值围绕设计值上下波动；整体而言，该引黄灌区骨干渠道总体糙率实测值比设计值大。通过进行实测结果和设计值的比较还可以看出，该灌区骨干渠道糙率率定结果和设计值存在一定程度的偏差，且包括牛角店干渠、三里庄干渠、沙河干渠在内的部分渠道偏差较大。

3.2.1 牛角店干渠

该骨干渠道傍山建设，渠道设计走向、顺直程度和断面几何尺寸等均受到地形的较大限制，故现状渠道弯道多，实测条件和设计情况也存在一定出入，导致渠底比降和断面几何尺寸等实测结果均与设计值存在较大偏差，进而造成其渠道实测糙率值偏大。

3.2.2 三里庄干渠

该渠段张家桥段断面几何尺寸全部参数均和设计值存在偏差，水流流态也受到较为严重的影响。张家桥段设计测流长3 km，其中起讫桩号SH35+800～SH36+400段渠底及两岸现浇混凝土圆弧坡脚处淤积较为严重，淤积厚度达到18～22 cm，且淤积泥沙与混凝土材料在糙率方面存在较大差异，造成该干渠段实测糙率值偏大。

3.2.3 沙河干渠

断面几何尺寸不标准，流速、水深、水力半径及湿周等均偏离设计值是造成该干渠段实测糙率值较大的主要原因，具体而言，该渠段现浇混凝土圆弧渠底实测尺寸和设计尺寸偏离较大，导致水流流态发生畸变。

3.3 糙率取值建议

《渠道防渗工程技术规程》对不同衬砌材料渠道糙率值参考值进行了规定，现浇混凝土渠道糙率值取0.01，根据各观测渠段实测水力要素及式（1），便可进行李家岸引黄灌区各观测渠段不同流量计水位条件下糙率值反算。具体而言，德州市李家岸引黄灌区属于采用复合材料衬砌的渠段，可根据不同衬砌材料在湿周中占比的加权值进行格宾石笼、卵砾石等实测糙率值反算。根据反算结果现浇混凝土糙率和混凝土预制板糙率分别取0.01 和0.02；格宾石笼块石和卵石实测糙率均为0.03，卵砾石实测糙率为0.03～0.04。

根据分析，原型观测糙率值与根据曼宁公式所得出的糙率值存在差异，且现浇混凝土渠道糙率系数与规范中原型观测试验糙率结果较为接近。测流断面上游现浇混凝土渠道运行时间长，过流壁面水泥浆受冲蚀后存在剥落、麻面及错缝，故糙率值较大。下游渠道因壁面泥苔较厚，导致其过流断面形态与土渠较为接近，阻水作用较大，故所计算糙率值偏大。

4 结论

综上所述，通过对德州市李家岸引黄灌区不同衬砌材料干渠所进行的糙率原型观测试验，进行了灌区干渠现浇混凝土、混凝土预制板、渠底卵砾石、格宾石笼等衬砌材料糙率值的率定分析，并对实验结果和设计值进行了比较。该灌区依据分析结果所提供的不同衬砌材料糙率值范围进行干渠糙率设计，大大提升了灌区衬砌渠道设计结果的科学性。在引黄灌区干渠设计过程中，必须结合不同灌溉单元内实际灌水建筑物布置情况、泥沙淤积、渠底比降等分段确定糙率，以增强观测结果的准确性。