北疆供水工程混凝土预制板渠道糙率分析研究.pdf

5 2 内 蒙 古 水 利 2 0 1 4年第 3期( 总第 1 5 1 期 ) 【 设 计与 施工 】 北疆供水工程混凝土预制板渠道糙率分析研究 刘方 亮 一， 牧振伟 ( 1 新疆农业大学水利 与土木工程学院 ， 新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 5 2 ； 2 新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局， 新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 0 0 ) 摘要 文章以北疆供水工程总干渠多年运行观测资料， 利用数理统计方法分析研究渠道混凝土预制板的实际糙 率， 为类似工程设计时糙率系数取值提供参考。 关键词 糙 率； 数理统计 ； 混凝土预制板 中图分类号 ： U 6 1 1 文章标 识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 9 0 0 8 8 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 5 2 0 2 1 工程 概 况 北疆供水工程总干 渠 1 9 9 6年 3月 开始建设 ， 2 0 0 0年 通水 运行 ， 工程所 在地 区属大陆北温带及 寒温带 。根据福 海县气象 站资料 ， 多年平均气温 3 4 ， 最高气 温 3 9 6 O ， 最 低气 温 一 41 7 0 C ，多年平均降水量 1 1 2 7 m m， 多年平均蒸发量 1 8 4 4 4 0 mm， 最大积雪深度 2 2 8 m， 最大冻土深度 1 5 m， 多年平均无霜 期 1 4 6 d 。 总干渠断面型式 以梯形和弧形渠底断 面为主 ， 为 窄深式结 构 ， 设计 流量 6 8 m s ， 加大流量 7 5 m 。 s ， 渠 深 5 45 6 m， 底 宽 4 m， 边坡 系数 1 ：2 ， 纵坡 1 1 0 0 0 01 1 2 5 0 0 。截止 目前 ， 总 干渠最大运行流量 8 5 5 m s ， 自2 0 0 1年 以来 ， 已安全运 行 1 4 年 2 计算方法 2 1 糙 率计算 联立水力学流量公式、 谢才公式、 曼宁公式计算糙率值。 流量计算公式： Q=AV( 1 ) 谢才公式 ： V=C R i ( 2 ) 曼宁公式 ： C： 百( 3 ) 联立公式( 1 ) 、 ( 2 ) 、 ( 3 ) 得糙率计算公式 ： n = “ 4 J 式中Q 一断面实测流量 ； A 一 断面面积 ； R 一水力半径， R= A ； i 一渠道纵坡 。 2 2 数理统计方法分析 糙率通过流量、 渠道纵坡及过水面积借助计算公式推求， 主要受流量 、 过水 面积 、 渠 道纵坡 及衬砌 结构 的影 响等 因素 的 影响 、 且受 流量 、 水位观测 等 随机 因素 的干 扰较强 ， 流 量 、 水 位 数据观测的设备、 人员及观测方法基本一致， 即所有观测是在 相 同条件下重复进行 ， 且观测 是 随机进行 的 ， 因此计 算 出的糙 率数据包含所有可能结果 ， 符合随机抽样的要求。 对总干渠监测断面 3+ 0 5 0 、 2 0+ 0 0 0的糙率监测数据 的分布 频数见图1 、 图2 ， 从图中可看出： 糙率频数分布基本呈现中间为 最多， 左右两侧基本对称， 越靠近中间频数越多， 离中间越远， 频 数越少 ， 形成一个中间频数多 ， 两侧频 数逐 渐减 少且 基本对称 的 分布， 因此认为糙率服从或近似服从数学上的正态分布。 l l l l l III 盆越 瓣酶 脚 器 辫 i 嚣 嚣g 艇 辫 辩 勰 鞲 蹲 图 1 3+ 0 5 0断面糙率频数分布 图 2 2 0+ 0 0 0断面糙率频数分布 2 3 断面渠道糙率数据分析 2 3 1 3+ 0 5 0断面渠道糙率数据分析 3+0 5 0断面总共观测数据 5 2条， 有效观测数据量为 5 2 条， 采用正态分布对观测数据进行计算分析 ， 糙率数据放大 1 0 0 0倍 ， 见 图 3 、 图 4 。 ：$：$ 北疆供水工程混凝土预制板渠道糙率分析研究刘方亮等 5 3 图 3 3+ 0 5 0断面不 同流量 下糙 率的概 率密度 图 4 3+ 0 5 0断面流量 与糙 率的实测数据关 系 2 3 2 0+ 0 0 0断面渠道糙率计算分析 2 0+ 0 0 0断面 总共 观测 数 据 2 9条 ， 剔 除 2个 无 效 观测 数 据， 有效观测数据量为 2 7条， 采用正态分布对观测数据进行计 算分析， 糙率数据放大 1 0 0 0倍 。 l 三一 撵 、 一瑚 柏 |4 一 ： l 毒 特 糠 静 斌 馥l S ； R 掰 Z 鼢 ! 黔 图 6 2 0+ o o o断面流量 与糙 率的实测数据关 系 从上述计 算及 分析结 果得 出 ： 在 不 同流量情 况下 ， 流量 越 大且变幅较稳定， 渠道糙率的均方差和均值越小， 反应在图形 中就是糙率测点落在均值附近的概率越大， 相应 图形变得越 尖。在置信度为 9 9 7 时， 均值与均方差的置信 区间也在减 少 ， 精度也较 高。 通过 数学概率统计 方法 对 2个 断 面采集 的数 据样 本进 行 分析 ， 符合要求 的数据 ， 见表 l 。 表 1 数据样本分析 的置信 区间 从数理统计分 析结果 得 出北疆供 水工 程混凝 土 预制板 渠 道的实际糙率值为o o 1 5小于设计中选取的糙率 o o 1 7 。 2 4 结论验 证 渠道明渠水流属于紊流阻力平方区， 即紊流粗糙区( 根据 水力学相应经验计算 公式 可进行判 别 ， 本 文不再 分析 ) 。按 照 水力学紊流粗糙区计算公式 ， 并参考其它渠道糙率经验计算公 式 ， 本文 主要 采取 了以水力半径为主要参数 的两个公 式进行计 算 ， 并相互 印证 。 美国垦务局提 出的糙率 系数 值计 算公 式 ： o 0 5 6 5 R言 “ 面 丽( ， J R1 2 IT I ， 适用于粗糙 区。 根据以下公式推导 n值计算公式 ： 1 2 达西 一 威 斯 巴赫公式 ： h r I V ( 6 ) 谢才公式 ： h r l 曼宁公式 ： C： R ( 7 ) ( 8 ) 联立 ( 31 5 ) 、 ( 31 6 ) 、 ( 31 7 ) 式 ： 一 , 8 g也 意 2 1 1 5 (9 ) g ( ) 沿程阻力系数 采用紊流粗糙区尼古拉兹公式 ： 2 1 g 1 1 5 ( ) 式 中 一 渠道 衬砌表面绝 对粗糙 度 。参考 相关 文献 ， 混凝 土 板表面绝对粗糙度可取值 0 9 1 m m。 将选取渠段 实测 流量代 人公 式 ( 5 ) 和公 式 ( 9 ) 计算 糙率 ， 计算结果 ， 见表 2 。 表2 验证公式计算渠段糙率结果 通过计算结果可知选取渠段的糙率值在 0 0 1 3 0 0 1 5之 间， 糙率值小于设计选取糙率0 0 1 7 ， 与采用数理统计计算所得 糙率在 同一 区间。 3 结 语 对混凝土预制板衬砌渠道的糙率值， 其取值范围为 0 0 1 3 0 0 1 5， 保守取值为 0 0 1 5 ， 突破了国家规范推荐的 昆凝土预 制板衬砌渠道糙率值0 0 1 7 ， 提出了同类渠道设计糙率值， 可以 此值为参考。 ( 编校： 郭宝丽 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 4 2 8 作者简介 ： 刘方亮， 主要从事农田水利方面的研究。 S I 5 0 蚤盖 。