糙率是人工渠道的关键参数之一,其取值的合理可靠性对工程有及其重要的意义。糙率取值的主要影响因素包括:壁面的粗糙程度、明渠的断面形状和水力半径、渠道的流量和水位、渠道断面的沿程变化等。中线渠道的设计糙率为0.015。通过文献调研,确定中线渠道糙率的计算方法主要有3个。
1.美国垦务局公式
当水力半径R≤1.2m时,糙率n=0.014。
当水力半径R＞1.2m时,糙率为
2.美国陆军工程兵团公式
Ks在工程运行初期可取0.00061m。
3.杨开林公式
杨开林(2012)提出了渠道沿程糙率的系统辨识模型,该模型考虑了渠道几何参数,如断面形态、长度、底坡等的影响,将渠道沿程糙率与粗糙高度Ks和水力半径R的关系用对数函数表示,依据水力学原理,然后通过数学变换提出了适合最小二乘法进行系统辨识的线性模型。同时,以南水北调中线京石段应急供水工程实测资料为依据,考虑渠道断面形状、底坡、渠长变化的影响,应用最小二乘法得到的渠道沿程糙率计算公式为
选取陶岔节制闸—刁河节制闸和刁河节制闸—湍河节制闸两段渠道进行分析,陶岔节制闸的闸后渠底高程为139.38m,渠道底宽为13.5m,边坡系数为3;刁河节制闸的闸前渠底高程为138.797m,渠道底宽为19m,边坡系数为2;刁河节制闸的闸前渠底高程为137.603m,渠道底宽为19m,边坡系数为2。某一段渠道的糙率以节制闸闸前(后)断面的糙率来表征。
选取陶岔节制闸、刁河节制闸和湍河节制闸的7组稳定工况实测数据,见表3.7～表3.9。
表3.7 陶岔节制闸工况表
表3.8 刁河节制闸工况表
表3.9 湍河节制闸工况表
经过计算,各工况的水力半径和糙率结果见表3.10～表3.13。
表3.10 陶岔节制闸闸后渠道糙率表(www.xing528.com)
表3.11 刁河节制闸闸前渠道糙率表
表3.12 刁河节制闸闸后渠道糙率表
表3.13 湍河节制闸闸前渠道糙率表
通过上述表格结果中可得到如下结论:
(1)对于同一个断面,水深越大,则水力半径越大,那么用同一个公式计算出来的糙率则越大。但是目前渠道流量变化不大,因此各工况的水力半径和糙率之间的差异极小,可用平均值来代替。
(2)对于同一个断面的同一个工况,各公式计算出来的结果关系为:美国垦务局公式＞杨开林公式＞设计值(0.015)＞美国陆军工程兵团公式。
将各断面的糙率带入模型中计算渠道各工况的水面线,因为模型的输入是渠道流量和下节制闸闸前水位,所以分别对比陶岔节制闸和刁河节制闸的闸后水位。结果见表3.14、表3.15。
表3.14 陶岔节制闸闸后水位模拟值-实测值结果表
表3.15 刁河节制闸闸后水位模拟值-实测值结果表
续表
从表中数据可知,杨开林公式和美国垦务局公式计算出来的糙率得到的水面线和设计糙率得到的水面线差异极小,数量级为mm,可忽略不计;美国陆军工程兵团公式计算出来的水面线和设计糙率得到的水面线差异相对较大,数量级为cm。
从上述分析可知,现状渠道流量条件下,可用设计糙率来计算。随着渠道流量的增加或运行时间的增长,建议重新计算糙率。
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