羅光蘭
(湖南省水利廳洞庭總公司，湖南長沙 410007)

　　摘　 要：介紹了明渠均勻流及恒定非均勻流狀態下糙率計算方法及其參數確定，通過大量試驗分析了各種斷面和襯砌材料順直渠段糙率及部分彎道附加糙率，提出了流量推算與糙率分析所考慮因素應一致的原則。?
　　關鍵詞：渠道；水力計算；糙率?
　　中圖分類號：TU991.32
　　文獻標識碼：C
　　文章編號 ：1000-4602(2001)10-0041-03

　　明渠水力計算中最困難之處在于確定糙率n的數值，它直接影響渠道的工程量和實際輸水效果。?

1　渠道糙率計算公式分析

　　明渠均勻流糙率(n)計算公式，可由曼寧—謝才公式推導得出：

?　n=[(AR^2/3)／Q]S^1/2式中?A——渠道過水斷面面積，m²
　　　　?R——水力半徑，m
　　　　?Q——流量,m³/s
　　　　　S——水力坡降，通常取分析渠段水面比降?
　　明渠在恒定非均勻流狀態下，水位、流速均沿距離變化。在水流運動中，糙率n直接影響沿程能量損失的大小，因此從實測資料中分析糙率，一般采用沿程損失反求的途徑：
　　n=(AR^2/3／Q（S+Sv）^1/2
　　當斷面沿程收縮或擴散時，SV和AR^2/3按下式計算：

?　S_V=a(1-ξ)(v_上²-v^_下2/2gL)
?　AR^2/3＝(A_上R_上^2/3+A_下R_下^2/3)/2?
　　式中?S_V——動能比降
　　　　?ξ——斷面收擴系數，通常收縮取0，擴散取0.5
　　　　?a?——動能校正系數，通常取1.0
　　　　?v上、v下——分別為上、下斷面平均流速，m/s
　　　　?L——上下斷面間距，m
　　　　?g?——重力加速度，9.81m/s²?

2　參數分析及確定

2.1　比降斷面間距（L）
　　水面比降是糙率和流量計算中非常敏感的參數，它與分析渠段的水位落差、上下斷面間距以及水位觀測精度有關。比降斷面間距視比降(落差)大小而定，如當比降為5.7×10^-4時，比降長度可設200m，較合理的間距可按下式計算：?

　　L=[(140X′_Z+100m(L）^1/2]/[ΔZ·X′S]
　　式中?ΔZ?——渠段長為1 km的落差，mm
?　　　　m——水準測量1km線路上的偶然誤差，mm(一般按10mm計)
　　　　?X′Z——水位觀測誤差，mm(水位平穩時可取2～5mm)
　　　　?X′S——水面比降允許誤差，%(可取10%)

2.2　斷面收擴系數(ξ）
　　ξ值的大小與斷面沿程變化程度有關。據有關資料介紹，順直收縮ξ值介于0～0.1之間，常取ξ=0；漸次擴散段ξ值介于0.1～0.5之間，常取0.5。根據波達公式，擴散水頭損失表達式為：

?　hj=(v_上-v_下)²／2g?

　　經變換整理得：?

　　hj=(A下-A上）／A下+A上·［v_上²-v_下²／2g）

　　式中(A下-A上)/(A下+A上)即為擴散水頭損失系數ξ的計算式。據實測資料分析，ξ計算值與前述取值基本接近，但對于擴散相對較小的渠段，取ξ=0.5會造成糙率計算誤差較大，對斷面沿程變化不一致的渠段，亦存在不同程度的誤差。
2.3　動能校正系數(a)
　?a?的表達式為：

　　

　　令過水斷面上任一點流速U與斷面平均流速v的差為ΔU，則U=v±Δ U，代入上式可推得：

　　　

　　很明顯，a＞1，它與斷面流速分布均勻與否有關。有關書刊提供了以下近似計算公式： ?

?　a=1+3ε²-2ε³
　　1=(1+ε)³/(1+3ε)

　　式中ε=(Um/v)-1，其中Um為斷面上最大點流速。
　　從實測資料分析，上兩式計算的a值相差不大，a值隨水位上升而減小，但各級水位變化不大。
2.4　用平均水深代替水力半徑
　　在糙率計算和推流公式中，用斷面平均水深h代替水力半徑R將存在一定 誤差。如要求h代替R，且誤差≤2%，則要求寬深比B/h滿足下列條件：?
　　①矩形斷面B/h≥100；?
　　②梯形斷面B/hm≥100［（m²+1）^1/2-m)；
　　③等腰三角形斷面B/hm≥200((m2+1）^1/2-m?)。?
　　式中B——水面寬，m?
　　　　m——邊坡比例系數?
　　　　hm——最大水深，m?

3　湖南省灌區渠道糙率分析

3.1　糙率計算
　　對常德、桃源、臨澧、石門等縣17座水庫及韶山灌區計40條灌溉渠道進行水庫控制放水試驗 ，測量各級水位的比降和流量，分析計算各種斷面和襯砌材料順直段糙率及部分彎道附加糙 率，計算結果見表1。

表1　湖南省部分灌區渠道糙率計算 水庫名稱 灌渠名稱 斷面形態尺寸 分析渠段底坡(×10^-4) 渠 壁特征 順直段糙率 彎曲渠道糙率 彎道附加糙率 彎曲角 糙率 九龍 高灌渠 矩形寬：0.8 m
深：0.7 m 0.64 兩邊墻及渠底為漿砌砂巖條石，勾平縫，底部有小塊淤砂，厚2 mm 0.017 44° 0.019 0.002 占家沖 總干渠 矩形寬：1.5m深：1.0 m 2.00 兩邊墻為未加工清洗的塊石，勾平縫，渠底塊石鋪平，水泥砂漿抹面，較光滑 0.014 48° 0.016 0.002 兩河口 總干渠 梯形寬：6.1 m?深：2.3 m邊坡：0.91 5.30 兩邊及渠底為漿砌塊石，勾平縫 0.018 62° 0.021 0.003 前山橋 總干渠 梯形寬：7.5 m?深：1.4 m邊坡：0.89 -9.30 邊坡及渠底為三合土夯實抹平 0.017 55° 0.020 0.003 蒙泉 北干渠 矩形寬：4.0 m?深：2.1 m 5.00 兩邊墻為 漿砌砂巖條石，粗洗一次有條紋，渠底為毛巖欠平整 0.020 90° 0.025 0.005 滄山 金霞渠 矩形寬：2.3 m?深：1.7 m -13.5 兩邊墻為漿砌頁巖，縫細，嵌合良好，渠底為毛頁巖，水泥砂漿勾縫 0.016 40° 0.020 0.004 注：①表中糙率為中高水糙率。
　　②彎曲渠段糙率計算中已考慮過水面積的擴散、收縮損失，未考慮彎道引起的局部損失 。?　③彎道附加糙率由彎曲渠段糙率減去與彎道渠壁特征相近的鄰近上下順直段糙率而得。

3.2　規律分析
　　①灌區渠道為標準化建筑，水流周界規則，糙率主要受襯砌材料和周界粗糙程度影響。糙 率與斷面平均水流有良好關系，且隨水深增加而減小，中高水位糙率穩定。?
　　②部分渠道，特別是土渠由于使用年久，渠底淤積較嚴重，土渠邊壁已生長水草，為此進 行了清理與不清理的對比試驗。清理后的糙率明顯減小，例如蒙泉水庫南干渠渠底未清理時糙率為0.021 5～0.023 0，在清除泥砂水草后的糙率為0.019～0.020。?
　　③據分析統計，彎道每增加20°，彎道附加糙率約增加0.001。?

4　渠道流量推算

　　糙率分析的目的最終是用來推算流量。在不同水流狀態下推算流量，應與糙率分析所考慮的 因素一致，在恒定非均勻流狀態下，需按下式推算流量：

　　　　?Q=KS^1/2/(1-K²M/2gL)^1/2?
　其中?K=(A上R2/3上+A下R2/3下)/2n
　?　　M=a(1-ξ)(1-A_上²-1/A_下²)
　　分析渠段過水面積沿程不變時，K=AR^2/3/n、M=0，即按均勻流公式推算。?
　　糙率n按下列原則確定：分析渠段有實測資料時，采用試驗所得糙率；而無實測糙率資料時，則根據渠段縱橫斷面特征及渠底、邊壁和襯砌材料表面的光滑粗糙程度和清潔情況確定，可借用情況相近渠段的已知糙率值。

參考文獻：

　　［1］SD 174—85，比降—面積法測流規范［S］.
　　［2］劉潤生.水力學［M］.上海：上海交通大學出版社，1987.　　

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　　電　　話：(0731)5546272?
　　收稿日期：2001-07-16