呂宏興，路澤生，欒維功，把多鐸，李建雄，楊 岑

引洮供水一期工程總干渠糙率原型觀測(cè) （2）
——糙率原型觀測(cè)結(jié)果及經(jīng)濟(jì)效益

呂宏興1，路澤生2，欒維功2，把多鐸1，李建雄2，楊 岑1

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.甘肅省引洮水利水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，蘭州 730030）

引洮供水一期工程為甘肅省大型長(zhǎng)距離輸水工程，為了給工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，糙率原型觀測(cè)研究選擇在引水流量、工程類型與引洮工程相近的引大總干渠30A隧洞和盤(pán)道嶺隧洞及東二干渠U形渡槽和弧底梯形明渠進(jìn)行。隧洞試驗(yàn)段流量與水位采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行，原型觀測(cè)結(jié)果為：30A隧洞預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌圓形斷面實(shí)測(cè)平均糙率0.012 627，盤(pán)道嶺隧洞三心圓拱直墻平底板矩形斷面實(shí)測(cè)平均糙率0.011 55；圓拱直墻反底拱斷面實(shí)測(cè)平均糙率0.011 521。林坪溝鋼筋混凝土U形渡槽實(shí)測(cè)平均糙率為0.011 93；林坪溝混凝土預(yù)制板襯砌弧底梯形明渠實(shí)測(cè)平均糙率為0.013 69。糙率原型觀測(cè)結(jié)果均小于工程設(shè)計(jì)規(guī)范值。

隧洞；U形渡槽；弧底梯形明渠；糙率

大型長(zhǎng)距離輸水工程的糙率是工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)，隨著工程施工技術(shù)的進(jìn)步，工程建成后的實(shí)際糙率小于規(guī)范值，但設(shè)計(jì)中如何減小糙率取值則無(wú)選擇的依據(jù)。為了給引洮供水工程優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，甘肅省引洮水利水電有限責(zé)任公司于2006年立項(xiàng)進(jìn)行糙率原型觀測(cè)研究。

本文是該項(xiàng)研究的第2部分。糙率研究中原型觀測(cè)段的選擇、關(guān)鍵水力要素流量、水位的量測(cè)方法已在論文第1部分論述。論文第1部分已在本刊2009年第12期發(fā)表。

1 糙率原型觀測(cè)試驗(yàn)結(jié)果

1.1 糙率計(jì)算公式

式中：n為糙率；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m2）；Q為流量（m3／s）；R為水力半徑（m）；J為水力坡降。

由原型觀測(cè)的試驗(yàn)渠段流量、水深，計(jì)算相應(yīng)斷面的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e、水力半徑、水力坡降，可由公式（1）計(jì)算糙率。

水力坡降是按各斷面總水頭與相應(yīng)渠道長(zhǎng)度回歸計(jì)算試驗(yàn)渠段的平均水力坡降。

按式（1）計(jì)算隧洞糙率時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA、水力半徑R取各斷面平均值，流量、水深為量水槽和水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的量測(cè)值。

1.2 隧洞糙率原型觀測(cè)結(jié)果

從監(jiān)測(cè)到的30A隧洞試驗(yàn)段6個(gè)水位過(guò)程中，按不同流量級(jí)選取水位相對(duì)平穩(wěn)的25個(gè)時(shí)段的水位流量數(shù)據(jù)，按式（1）計(jì)算糙率，糙率計(jì)算結(jié)果列于表1中。各流量計(jì)算平均糙率為0.012 627。原型觀測(cè)過(guò)程中最大流量為10月14日11：02至11：22時(shí)間段 Q＝25.483 m3／s，相應(yīng)洞內(nèi)水深為2.712 m，水深大于隧洞設(shè)計(jì)半徑2.4 m。

試驗(yàn)過(guò)程中，傳感器采集的水位受水面波浪影響是隨時(shí)間波動(dòng)的，但水位的時(shí)間平均值是常數(shù)，符合恒定紊流時(shí)間統(tǒng)計(jì)規(guī)律。因此，表1數(shù)據(jù)均選取25組不同流量的穩(wěn)定時(shí)間段水位和流量計(jì)算水力要素，各級(jí)流量計(jì)算的平均糙率為0.012 627。

盤(pán)道嶺隧洞試驗(yàn)段由三心圓拱直墻平底板矩形斷面和圓拱直墻反底拱斷面2段組成。由于斷面形狀不同，糙率計(jì)算分2段進(jìn)行。2洞段各布置3個(gè)水位監(jiān)測(cè)斷面，各段長(zhǎng)度約600 m。從監(jiān)測(cè)的流量水位過(guò)程中，按不同流量級(jí)選取水位過(guò)程相對(duì)平穩(wěn)的17個(gè)時(shí)段的水位流量數(shù)據(jù)計(jì)算糙率，糙率計(jì)算結(jié)果列于表2、表3中。各級(jí)流量計(jì)算的平均糙率分別是三心圓拱直墻平底板矩形洞段為0.011 55，圓拱直墻反底拱洞段為0.011 521。反底拱斷面試驗(yàn)過(guò)程中最小水深為1.045 m，水深均大于底部拱高 a＝0.5～0.6 m。

綜上，30A隧洞預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌圓形斷面實(shí)測(cè)平均糙率0.012 627，盤(pán)道嶺隧洞三心圓拱直墻平底板矩形斷面實(shí)測(cè)平均糙率0.011 55；圓拱直墻反底拱斷面實(shí)測(cè)平均糙率0.011 521。與引灤入津隧洞原型觀測(cè)的糙率0.012比較，其施工條件與盤(pán)道嶺隧洞均為鋼筋混凝土鋼模澆注襯砌，不同之處在于引灤入津隧洞糙率是包含了彎道在內(nèi)的綜合糙率值，而本試驗(yàn)隧洞均選在直線洞段，因此平均糙率略小于引灤入津隧洞糙率。30A隧洞平均糙率因存在管片縫隙影響，平均糙率則大于引灤入津隧洞的糙率。

表1 30 A隧洞圓形斷面試驗(yàn)段糙率原型觀測(cè)值（2006年）Table 1 Prototype observational roughnesses of 30 A Round Tunnel in 2006

表2 盤(pán)道嶺隧洞三心圓拱直墻平底板斷面渠段糙率原型觀測(cè)值（2006年）Table 2 Prototype observational roughnesses of Pandaoling Tunnel with three-centered circular arch，vertical wall and flat bottom floor in 2006

表3 盤(pán)道嶺隧洞圓拱直墻反底拱斷面渠段糙率原型觀測(cè)值（2006年）Table 3 Prototype observational roughnesses of Pandaoling Tunnel with circular arch，vertical wall and inverted arch bottom floor in 2006

對(duì)于采用TBM全斷面掘進(jìn)機(jī)施工，預(yù)制鋼筋混凝土管片龜背式縱橫向拼接襯砌圓形斷面隧洞的糙率原型觀測(cè)，目前國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)道。

1.3 渡槽、明渠糙率原型觀測(cè)結(jié)果

林坪溝U形渡槽試驗(yàn)段設(shè)上下游2個(gè)觀測(cè)斷面，試驗(yàn)段長(zhǎng)度136.552 m。流量采用流速儀斷面測(cè)流法量測(cè)，垂球法量測(cè)水位，試驗(yàn)共量測(cè)了11組水位與流量，糙率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4，實(shí)測(cè)平均糙率為0.011 93。

林坪溝弧底梯形明渠觀測(cè)段因渠道上游有節(jié)制閘及左岸下車道，下游與彎道及大沙溝隧洞銜接，選擇的順直觀測(cè)渠段長(zhǎng)度103.32 m，流量采用流速儀斷面測(cè)流法量測(cè)，水位采用測(cè)量標(biāo)注在左岸渠壁上的水尺觀測(cè)。試驗(yàn)量測(cè)了8組水位與流量，糙率計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5，實(shí)測(cè)平均糙率為0.013 69。

表4 林坪溝鋼筋混凝土U形渡槽糙率原型觀測(cè)值（2006年）Table 4 Prototype observational roughnesses of Linpinggou U-shaped Aqueduct of reinforced concrete in 2006

表5 林坪溝預(yù)制混凝土板襯砌弧底梯形明渠糙率原型觀測(cè)值（2006年）Table 5 Prototype observational roughnesses of Linpinggou Open Channel with concrete prefabricated panel lining and arc bottom trapezoid section in 2006

2 研究成果的應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益

隨著我國(guó)長(zhǎng)距離輸水工程建設(shè)發(fā)展和工程規(guī)模擴(kuò)大，輸水建筑物糙率取值問(wèn)題愈來(lái)愈顯示出其重要性［2］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的昆明水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院、北京水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院等設(shè)計(jì)研究單位對(duì)引灤入津［2］、引黃、南水北調(diào)、以禮河、大朝山、碧口等工程做了輸水糙率的原型觀測(cè)試驗(yàn)研究［3－5］，取得了十分有價(jià)值的研究成果。這些研究中，引灤入津隧洞的糙率原型觀測(cè)先后在工程建成和運(yùn)行10年后進(jìn)行了2次，取得的試驗(yàn)資料最為全面［2］。本次糙率科學(xué)試驗(yàn)是繼上述試驗(yàn)研究之后，斷面類型更全（5個(gè)斷面形狀），隧洞水位、流量觀測(cè)技術(shù)更先進(jìn)的一次原型觀測(cè)研究。其中對(duì)TBM全斷面掘進(jìn)機(jī)管片施工隧洞（30A隧洞）糙率原型觀測(cè)研究尚屬首次完成，試驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期研究結(jié)果。為引洮一期供水工程設(shè)計(jì)糙率選取提供了科學(xué)依據(jù)。

輸水建筑物糙率系數(shù)是衡量水流邊界表面粗糙影響的一個(gè)綜合性系數(shù)［6］，工程界習(xí)慣采用謝才公式和曼寧公式推算糙率系數(shù)，實(shí)測(cè)值是在順直的均勻流渠段獲取的。但實(shí)際輸水工程總是存在彎道、斷面變化以及渠系建筑物等阻水因素，工程設(shè)計(jì)為保證安全，應(yīng)將壁面粗糙度、斷面幾何形狀、彎道、漸變段、渠系建筑物、渠道淤積物、施工質(zhì)量、使用年限、養(yǎng)護(hù)條件等因素歸并到糙率中考慮，這時(shí)的糙率系數(shù)為綜合糙率。在結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果并綜合考慮上述因素的前提下，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果推薦糙率取值為：鋼?；炷翝沧⑹┕に矶丛O(shè)計(jì)糙率0.013～0.013 5，TBM全斷面掘進(jìn)機(jī)預(yù)制管片施工隧洞設(shè)計(jì)糙率0.013 5～0.014，小塊砼預(yù)制板襯砌施工弧底梯型明渠設(shè)計(jì)糙率0.014～0.015。

在依據(jù)本次試驗(yàn)推薦設(shè)計(jì)糙率值的基礎(chǔ)上，工程設(shè)計(jì)單位充分分析了引洮供水一期工程總干渠隧洞的具體運(yùn)行狀況、工程特點(diǎn)等因素，類比引大入秦工程總干渠隧洞斷面設(shè)計(jì)特征，并參照現(xiàn)行水工隧洞規(guī)范的設(shè)計(jì)要求，綜合考慮引洮供水工程總干渠實(shí)際能夠達(dá)到的二次襯砌砼澆筑施工水平，進(jìn)行了隧洞設(shè)計(jì)方案優(yōu)化。優(yōu)化方案對(duì)鉆爆法施工隧洞按照n＝0.014時(shí)能夠滿足最小凈空率15%的要求確定斷面尺寸，以n＝0.013 5進(jìn)行水力設(shè)計(jì)、水面連接與縱斷面設(shè)計(jì)。隧洞凈斷面尺寸采用半徑R＝2.34 m，B×H＝4.68 m×4.68 m，凈空率 ΔW＝18.199%，凈空高度ΔH＝1.156 m。隧洞前期2004年5月設(shè)計(jì)采用值 n＝0.014 5時(shí)半徑 R＝2.40 m，B×H＝4.80 m×4.80 m，優(yōu)化方案相對(duì)前期設(shè)計(jì)斷面半徑減小60 mm，斷面凈寬減小120 mm，一期工程總干渠13座鉆爆法施工隧洞，總長(zhǎng)度L＝57 891 m，總計(jì)估算減少投資1 270萬(wàn)元。

［1］ 呂宏興，裴國(guó)霞，楊玲霞.水力學(xué)［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2002.（LV Hong-xing，PEI Guo-xia，YANG Ling-xia.Hydraulics［M］.Beijing：Chinese Agricultural Press，2002.（in Chinese））

［2］ 陳耀忠.引灤入津隧洞糙率兩次原型觀測(cè)成果綜述［J］.水利水電科技進(jìn)展，2001，25（2）：58－61。（CHEN Yao-zhong.Summary of two times prototype observation results of roughness coefficient for water diversion tunnel from luanhe river of Tianjin City［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2001，25（2）：58－61.（in Chinese））

［3］ 曾 祥，黃國(guó)兵，段文剛.混凝土渠道糙率調(diào)研綜述［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，1999，16（6）：1－4.（ZENG Xiang，HUANG Guo-bing，DUAN Wen-gang.Summatization of investigation on roughness of concrete channels［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1999，16（6）：1－4.（in Chinese））

［4］ 韓 立.大直徑混凝土隧洞的糙率問(wèn)題［J］.云南水電技術(shù)，2000，（4）：64－68.（HAN Li.Roughness coefficients of large-diameter concrete tunnels［J］.Yunnan Hydropower Technology，2000，4：64－68.（in Chinese））

［5］ 董槐三，潘永賢，陳耀忠.幾種襯砌渠道糙率系數(shù)的原型觀測(cè)［J］.水力發(fā)電，1981，（12）：39－43.（DONG Huai-san，PAN Yong-xian，CHEN Yao-zhong.Prototype observation of roughness coefficient in several liner channels［J］.Water Power，1981，（12）：39－43.（in Chinese））

［6］ 劉 斌，龐進(jìn)武，祝瑞祥，等.美國(guó)長(zhǎng)距離調(diào)水工程考察報(bào)告［J］.人民長(zhǎng)江，1994，（7）：35－39.（LIU Bin，PANG Jin-wu，ZHU Rui-xiang，et al.Investigation report of long-distance water transfers in America［J］.Yangtze River，1994，（7）：35－39.（in Chinese））

［7］ 呂宏興，把多鐸，宋松柏.無(wú)壓流圓形斷面水力計(jì)算的迭代法［J］.長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2003，20（5）：15－17.（LV Hong-xing，BA Duo-duo，SONG Song-bai.Hydraulic calculation for free flow in circular section by iterative method［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2003，20（5）：15－17.（in Chinese））

［8］ 王光謙，黃躍飛，魏加華，等.南水北調(diào)總干渠糙率綜合論證［J］.南水北調(diào)與水利科技，2006，4（1）：8－14.（WANG Guang-qian，HUANG Yue-fei，WEI Jia-hua，et al.Identification of roughness coefficient value for the channel of the South-to-North water transfer（Middle Line）Project［J］.South-to-North Water Transfers and Water Science＆Technlogy，2006，4（1）：8－14.（in Chinese） ）

Prototype Observation Research on Roughness of Main Channel of Taohe River Water Transfer First-phase Project（2）——Result and Economic Benefit of Prototype Observation

LV Hong-xing1，LU Ze-sheng2，LUAN Wei-gong2，BA Duo-duo1，LI Jian-xiong2，YANG Cen1
（1.College of Water Resources and Architectural Engineering，Northwest Sci-tech University of Agriculture and Forestry，Yangling 712100，China；2.Taohe River Water Transfer Project Water Resources and Hydropower Development Co.Ltd of Gansu Province，Lanzhou 730030，China）

In order to provide the basis for the Taohe River Water Transfer First-phase Project which is large transfer project of Gansu Province，the prototype observation research of roughness coefficient was done at 30A Tunnel，Pandaoling Tunnel，trapezoidal open channel and u-shaped aqueduct which are separately located in main channel and East Secondary Channel of the Dahe River Water Transfer Project analogous to the former project.The discharge and water level of tunnels were monitored automatically.The observed results are as follows：The average roughness value of 30A Round Tunnel with precast reinforced concrete segment lining is 0.012 627；Pandaoling Tunnel with three-centered circular arch，vertical wall and flat bottom floor is0.011 55，while with circular arch，vertical wall and inverted arch bottom floor is 0.011 521；Linpinggou U-shaped Aqueduct of reinforced concrete is 0.011 93；Linpinggou Open Channel with concrete prefabricated panel lining and arc bottom trapezoid section is 0.01369.All these measured values are lower than the specification regulated values.This is the second part of the research.

tunnel；u-shaped aqueduct；trapezoidal with arc bottom open channel；roughness

TV131.65

A

1001－5485（2010）02－0037－05

2008-12-15；

2009-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（50879070）；甘肅省引洮水利水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司立項(xiàng)資助

呂宏興（1955-），男，陜西隴縣人，教授，博士生導(dǎo)師，從事工程水力學(xué)研究，（電話）029-87091806（電子信箱）lvhongxing＠tom.com或514524517＠qq.com。

（編輯：曾小漢）