張海玲　霍軼珍　郭彥芬　王文達(dá)

摘 要：本文以河套灌區(qū)建設(shè)一分干模袋混凝土襯砌渠道為研究對(duì)象，引用Flood Area模型，將糙率系數(shù)的設(shè)置做區(qū)分化處理;對(duì)渠道區(qū)域進(jìn)行劃分和賦值，在經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合建設(shè)一分干模袋混凝土襯砌渠道實(shí)際情況，設(shè)置柵格糙率系數(shù)，增加糙率系數(shù)的精度。結(jié)果表明：考慮模擬中糙率系數(shù)的動(dòng)態(tài)性以及渠道糙率系數(shù)較坡面糙率系數(shù)更為復(fù)雜的特點(diǎn)，將糙率系數(shù)的設(shè)置做區(qū)分化處理，改進(jìn)后的方法簡(jiǎn)化了率定流程，以解決模擬流速普遍偏低的問(wèn)題。利用高程與糙率系數(shù)的函數(shù)關(guān)系，以較全面、真實(shí)地仿真模擬模袋混凝土襯砌渠道的流場(chǎng)。

關(guān)鍵詞：Flood Area模型;模袋混凝土;糙率;TOPMODEL;區(qū)分化處理

中圖分類(lèi)號(hào)：TV135.3? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）01-0078-02

模袋混凝土是我國(guó)20世紀(jì)80年代初從國(guó)外引進(jìn)的一項(xiàng)現(xiàn)澆混凝土新技術(shù)，它采用織物模袋做軟模具，通過(guò)混凝土泵將砂漿或混凝土充灌進(jìn)模袋成型，起到護(hù)坡、護(hù)底、防滲等作用[1]。目前專(zhuān)家學(xué)者采用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)原型測(cè)試與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)糙率的取值及影響因素進(jìn)行了深入研究。但是，目前河套灌區(qū)模袋混凝土襯砌渠道數(shù)值模擬還沒(méi)有引用Flood Area模型的相關(guān)研究。

劉鋒[2]利用Fluent軟件對(duì)植物壩覆蓋區(qū)域流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，胡靜[3]對(duì)微厚透水物糙率處理方法進(jìn)行了數(shù)值模擬。但是，由于渠道邊界層的內(nèi)部流動(dòng)很復(fù)雜 以及現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件限制， 目前數(shù)值模擬采用的計(jì)算方法還比較單一，絕大多數(shù)數(shù)值仿真均采用簡(jiǎn)化的物理模型，沒(méi)有考慮真實(shí)的物理情況。如果單純采用FLUENT軟件模擬模袋混凝土襯砌渠道的流場(chǎng)時(shí)，存在較大的難度，而且計(jì)算時(shí)程序不易收斂。

本文以河套灌區(qū)建設(shè)一分干模袋混凝土襯砌渠道為研究對(duì)象，引用Flood Area模型，將糙率系數(shù)的設(shè)置做區(qū)分化處理以期解決模擬流速普遍偏低的問(wèn)題，便于全面、真實(shí)地仿真模擬模袋混凝土襯砌渠道的流場(chǎng)。

1選擇渠道

建設(shè)一分干模袋混凝土襯砌渠道的測(cè)流渠段較平直、水流均勻，縱橫斷面比較規(guī)則、穩(wěn)定 [4]。故選取建設(shè)一分干模袋混凝土襯砌渠道作為全模袋混凝土襯砌斷面典型渠道。

建設(shè)一分干模袋混凝土襯砌渠道，樁號(hào)9+715～13+000為鋪設(shè)12cm厚土工全模袋混凝土防滲襯砌，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，其他參數(shù)見(jiàn)表1。

2 “Flood Area”計(jì)算原理

“Flood Area”為德國(guó) Geomer公司開(kāi)發(fā)的模型，采用水動(dòng)力方法計(jì)算，充分利用1個(gè)柵格附件的8個(gè)單元，對(duì)周?chē)鷸鸥駟卧臑a入量采用manning-stricker 公式計(jì)算：

V=kst·r2/3·I1/2? ? ? ?（1）

式中：kst是反映明渠渠道粗糙度對(duì)水流影響的系數(shù);r是水力半徑;I為明渠渠道的坡度。

Flood Area針對(duì)各個(gè)時(shí)段水流的運(yùn)行全過(guò)程，對(duì)于二維非恒定流，采用DEM水動(dòng)力模型進(jìn)行建模，考慮了坡度以及粗糙度等要素對(duì)水流數(shù)值模擬的影響，以柵格方式導(dǎo)出，全面地、動(dòng)態(tài)地反映流速、水深、流量等參數(shù)和流場(chǎng)[5-6]。

“Flood Area”在每個(gè)時(shí)相的運(yùn)行過(guò)程中，即運(yùn)行時(shí)間與相應(yīng)水流范圍和水深，以柵格形式表示，簡(jiǎn)潔直觀，便于查看[7-8]。

3引用Flood Area模型改進(jìn)方法的運(yùn)用

針對(duì)傳統(tǒng)糙率系數(shù)設(shè)置方法引起模擬流速偏低的問(wèn)題，優(yōu)化方法主要考慮模擬中糙率系數(shù)的動(dòng)態(tài)變化以及渠道糙率系數(shù)較為復(fù)雜的特點(diǎn)，將糙率系數(shù)的設(shè)置做區(qū)分化處理[9]。

結(jié)合建設(shè)一分干模袋混凝土襯砌渠道，輸入柵格糙率系數(shù)，壁面處采用局部加密處理，將糙率系數(shù)假設(shè)為水深的函數(shù)，在明渠流動(dòng)中糙率系數(shù)會(huì)隨著水深的增加而呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)[10]，因此利用其與水深的變化關(guān)系進(jìn)行賦值。在模擬過(guò)程中水深是隨著時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的，且 Flood Area 模型限制糙率系數(shù)只能作為常量輸入。因此，需要建立高程與糙率系數(shù)的變化關(guān)系，在忽略水力坡度影響的情況下，水流區(qū)域高程與水深呈負(fù)相關(guān)性關(guān)系，建立如下函數(shù)方程：

Kst= Kmin+ [（ Kmax- Kmin） /（ Emax- Emin） ]* （ Emax- E） ）[11]

其中，Kst是Strickler 糙率系數(shù)，Kmax代表糙率系數(shù)最大值，Kmin代表糙率系數(shù)最小值，E高程值，Emax是最大高程值，Emin是最小高程值。不同的模擬情景參數(shù)不同，Kmax、Kmin在實(shí)際模擬中作為率定參數(shù)進(jìn)行糙率系數(shù)的調(diào)節(jié)。

4研究技術(shù)路線（如圖2）

5結(jié)論

以建設(shè)一分干模袋混凝土襯砌渠道為研究對(duì)象，引用Flood Area模型，將糙率系數(shù)的設(shè)置做區(qū)分化處理，改進(jìn)后的方法簡(jiǎn)化了率定流程，增加糙率系數(shù)的精度，以解決模擬流速普遍偏低的問(wèn)題。

Flood Area模型中糙率系數(shù)作為常量輸入，對(duì)渠道區(qū)域與坡面區(qū)域進(jìn)行劃分和賦值，結(jié)合建設(shè)一分干模袋混凝土襯砌渠道實(shí)際情況，獲取有效的下斷面信息，利用高程與糙率系數(shù)的函數(shù)關(guān)系，以全面、真實(shí)的仿真模擬模袋混凝土襯砌渠道的流場(chǎng)。

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