混凝土衬砌渠道糙率系数估算方法.pdf

2 0 1 1 年第 9期 东北水利水电 规划设t 文章编号 1 0 0 2 0 6 2 4 ( 2 0 1 1 ) 0 9 0 0 0 3 0 2 混凝土衬砌渠道糙率系数估算方法 刘俊发 ， 曲志会 1 ， 刘鸿涛 2 ， 赵瑞娟 3 ( 1 吉林省第二松花江防汛机动抢险 队 ， 吉林 长春 1 3 0 0 2 2 ； 2 长春工程学院 ， 吉林 长春 1 3 0 0 1 2 ； 3 松辽水利委员会， 吉林 长春 1 3 0 0 2 1 ) 摘 要 糙率系数的准确选取对工程造价和安全有很 大影响， 随着新材料、 新工艺的发展和工 程技术的进步，原有的经验糙 率选择已经不能满足精度要求。输水渠道流态一般位于紊流过 渡 区和粗糙 区，本 文 用紊流过渡 区和粗糙 区沿程 阻力 系数推 导 出与 雷诺数 、水 力半径和 当量 粗糙度有关的糙率系数估算式， 并对影响糙率 系数的因素进行分析， 为糙率的正确估算和合理 选取提 供 了一定 的依 据。 关键词 】 糙 率系数； 当量粗糙度； 水力半径； 阻力系数 中图分类号 T V 3 3 1 文献标识码 A 0 引言 随着水资源的 日益紧缺 ， 水资源的优化配置及 节水灌溉的实施变得越来越重要。随之而来的是我 国的混凝土衬砌渠道逐年增加 ， 而糙率系数作为渠 道设计 的关键 技术参数之一 ， 对渠系工程的安全和 造价有重要影响， 所以其值的选取十分重要。 随 着新技术 、 新工 艺和新材 料的发展 ， 以及 施 工设 备的改进 ， 工程质量较过去 有很 大提高 ， 原 有 的选取 糙率的方 法已经不能完全准确地适 用于 现 代渠道设计。大量的原型观测试验表 明， 一些渠道 的设计糙率值与其 实际值相 差很多 ，如引滦入津 工 程 暗 渠 的设 计 糙 率 为 0 0 1 5 ，而 实 测值 只 有 0 0 1 1 5 0 0 1 2 5。糙率系数对工程投资影响巨大 南水北调工程北京干线经评估 ，其糙率 系数每 下 降 0 0 0 1 ， 就会使线路投资减少数亿元。对于规模 大、运行 条件 复杂的工程 ，糙率 系数值 的微 小偏 差 ， 将对 工程 的安全和造价 产生重大 影响 所 以现 在一些大型工程通过参考 同类工程原型实验数据 估算和选取糙率系数。 1 常用计算方法 现有工程原型糙率试验 ，一般根 据 明渠均 匀 流基本 公式 Q = AC ， 将谢才 系数 c用曼宁公 式表示为 C =上 ， 可得 出推算糙率公式 ： n： R 式 中： 4为各断面平均过水面积 ， m2 ； Q为该 时段 的 平均流量 ， m3 s ； 为水力半径 ， m； J为水力坡降。 2糙率系数估算公式的导出 1 9 世纪中期，达西和威斯巴赫推导出计算沿 程水头损失 的一般公式 ： = A 去苦 对 于 渠 道 ) ( 2 ) 式 甲 ： A 为 阻 力 糸 数 ； l为 冒 遁 长 ， m； R 为 水 力 半 径 ， m； v为平均流速 ， m s ； g为重力加速度 ， m s 。 应 用时 ， 应首先计算 雷诺 数 ， 判别 流态和 紊流 分 区 ， 而后选用不 同的沿程阻力系数计算公式。 将式( 2) 用谢才公式 的算式形式表示为 ： ： 则 有 c = 、 争(m c5s )代 入 曼 宁 公 式 C _ 扣 有 ： 脚 、 A 清华大学 1 9 8 0 年修订版 水力学中给出了 计算 沿程阻力系数的计算公式 ： 层流 A 6 4 ( 5) 紊流光滑区 = 2 1 g ( R e 、 ) - 0 8 ( 6 ) V A 紊流过渡区 = 1 7 4 _ 2 1 g 1 o Re V A) ( 7 ) 、v A 紊流粗糙 区 A =L (2 嘻 扎 7 4 ) 丕 型 皇 2 0 1 1 年第9 期 ( 8 ) 且 以上各公式均适用于明渠水流。 因目前采用的经验公式 ，资料大部分来源于 紊流粗糙区( 阻力平方区) ， 且明渠水流大部分情 形下处于紊流流区，所以本文应用紊流区沿程阻 力系数计算公式。 将式( 7 ) ， ( 8 ) 与式( 4 ) 联立， 又因 为 r 0 = ， 整理有 ： 紊流过渡 区 -nN R 8 g = 7 4 - 2 1 g 警 ) 紊 流 粗 糙 去 1 7 4 O ) 、 8 p + 1 式 中： t 为糙率系数 ； R为水 力半径 ， m； g为重力加 速度 ， m s ； k 为当量粗糙度 ， mm； R e为雷诺数。其 中， 当量粗糙度应在采用 同种施工技术和工艺 ， 且 已经正常运行了几年 的现有工程上测得。混凝土 衬砌 渠道 的当量粗糙度一般在 0 8 9 0 r n l r l 之间。 3 算例及影响糙率系数的主要因素 已知： 梯形渠道设计底宽为 3 m， 边坡系数 2 ， 设计水深 2 m，同类工程衬砌的当量粗糙度 k ， 为 3 0 n 3 Y f t ， 求 n o ， l = 击 R = 争 k 。 = 0 0 0 3 m， g = 9 8 1 m s 经计算 n = 0 0 1 5 4 以上糙率系数计算为参考同类工程当量粗糙 度计算所得 ，避免了直接参考同类工程糙率可能 产生的误差。 影响衬砌渠道糙率系数取值 的因素很 多， 衬砌 表面的粗糙程度、渠道过水断面形状、渠系建筑 物 、 变断面、 渠道流量、 水 质、 施工质量、 使 用年限 、 管理养护措施等均对其有影响。从本文推导的糙 率估算公式可以看出当量粗糙度 k ，水力半径 R 和雷诺数 R e是决定糙率系数的最主要影响因素。 施工质量对糙率有较 大的影响 ， 随着新技术 、 新工艺 出现 ， 以及施工器械设备 的进步 ， 工程质量 已较过 去有 了很大的提高 ，是糙率系数取值 变小 的原因之一。原型试验表明，在适当的养护条件 下， 糙率系数在渠道运行正常的年份内变化甚微。 渠系建筑 物、 变断面影响渠道的过流 能力 ， 产生局 部水头损失， 对渠道水面线产生影响， 从而对糙率 系数有影响。 4 结语 目前，确定当量粗糙度的实验数据还不够充 分 ， 所 以应 用上还受到一定的限制 ， 应该逐步积累 当量粗糙度和糙率的原形观测成果资料。 适 当补充 和修订现有当量粗糙度表和糙率系数取值建议 表。从公式 ( 9) ， ( 1 0) 可以看 出， 边界的几何形状和 渠道衬 砌 表面 的粗 糙 程度 对糙 率 系数 的影 响最 大 ， 说 明可 以通过优化断面形式和 改进施 工技术 ， 以及提高施 工质量 ， 进而合理地减小 渠道糙率 ， 达 到降低 工程造价 的 目的。糙率系数是一个综合性 系数 ， 其取值 还要 考 虑建筑 物 、 水 质 、 流 量 、 变断 面、 管理水平和养护条件等多方面因素 ， 本文计算 式虽然还不能完全准确计算出渠道糙率，但已经 可以为渠道糙率的准确选取提供依据。 、 参考文献 】 1 赵瑞娟 输水遂洞水力糙率原型观测试验讲究 D 西北农林 科技大学， 2 0 0 8 ， 5 2 吕宏兴 ， 徐宏伟 ， 张智涛 甘肃省引洮供水一期工程总干输水 建筑物水利糙率科学研究报告 R 水利部西北水利科学研究 所试验中心。 2 0 0 7 3 陈耀忠 引滦入津隧洞糙率两次原型观测成果综述 J 水利水 电科技进展 ， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 2 ) ： 5 8 6 1 4 曾祥， 黄国兵， 段文刚 混凝土渠道糙率调 研综述 J 长江科学 院 院报 ， 1 9 9 9 ， 1 6 ( 6) ： 卜 4 s 胡冰， 王丽学 引兰入汤引水隧洞糙率原型观测及隧洞过流能 力复核研究 J 中国农村水力水电， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 4 9 - 5 0 ， 5 9 6 韩立 大直径混凝土隧洞的糙率问题 J 云南水电 技术， 2 0 0 0 ， ( 4) ： 6 4 6 8 7 王光谦， NN- ， 魏加华， 等 南水北调总干渠糙率综 合论 证 J 南水北调与水利科技， 2 0 0 6 ， 4 ( 1 ) ： 8 - 1 4 8 董槐三， 潘永贤， 陈 耀忠几种衬砌渠道糙率系数的 原型观测 J 水力发 电， 1 9 8 1 ( 1 2 ) ： 3 9 4 3 9 晋国辉， 张文倬 输水隧洞喷锚混凝土糙率系数估算 J 云南 水 力发 电， 2 0 0 5 ( 4) ： 2 7 - 2 8 1 o 赵瑞娟， 刘鸿涛， 陈伟 输水渠道水力糙率计算方法比较 J 东北水利 水 电。 2 0 0 9 ( 1 2 ) ： 9 - 1 0 【 收稿 日期】 2 0 1 1 - 0 6 - 0 2