張海玲，霍軼珍，高意如，郭彥芬

摘 要：以模袋混凝土全斷面襯砌渠道為研究對(duì)象，伯努利能量方程作為指導(dǎo)，選取典型渠段，使用原型觀測(cè)試驗(yàn)的方法研究糙率，結(jié)果表明：什巴分干渠糙率系數(shù)中0.021～0.023所占的個(gè)數(shù)最多。經(jīng)數(shù)值模擬，得到的斷面速度分布圖與渠道原型觀測(cè)得到的斷面流速分布情況一致，對(duì)原型觀測(cè)的結(jié)果進(jìn)行校核，驗(yàn)證了原型觀測(cè)數(shù)據(jù)的正確性。

關(guān)鍵詞：模袋混凝土;原型觀測(cè);糙率;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TV135.3 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2019）11-0116-02

渠道防滲效果在很大程度上取決于渠道襯砌形式。渠道襯砌的形式是多種多樣的，目前普遍采用的材料主要包括混凝上襯砌、膜料襯砌、土料襯砌等[1-2]。步豐湖[3]對(duì)河套灌區(qū)骨干渠道的非均質(zhì)防滲襯砌結(jié)構(gòu)的糙率進(jìn)行了測(cè)量。何建京[4]對(duì)明渠非均勻流糙率系數(shù)及水力特性進(jìn)行了研究。楊岑[5]通過對(duì)水力光滑壁面和三種不同粗糙程度的人工加糙壁面的阻力規(guī)律及紊動(dòng)特性進(jìn)行研究。本文以伯努利能量方程為指導(dǎo)，通過測(cè)量模袋混凝土襯砌渠道的斷面尺寸、高程、布設(shè)測(cè)線、測(cè)量水面比降的原型觀測(cè)方法進(jìn)行研究。

1選擇渠道

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》（GB/T21303—2007），什巴分干渠第一節(jié)制閘渠段滿足測(cè)流渠段平直、水流均勻，縱橫斷面比較規(guī)則、穩(wěn)定，渠段平順無分水口等條件 [6]。故通過比較，選取什巴分干渠第一節(jié)制閘渠段作為全模袋混凝土襯砌斷面典型渠道。選擇上、下2個(gè)測(cè)流渠段，測(cè)流斷面尺寸實(shí)測(cè)值及測(cè)流斷面尺寸見下表及下圖。

表1 什巴分干渠第一節(jié)制閘下測(cè)流斷面尺寸實(shí)測(cè)值

圖1 ? 測(cè)流渠段結(jié)構(gòu)示意圖

2原型觀測(cè)方法

2.1控制方程

根據(jù)前期原型觀測(cè)數(shù)據(jù)分析計(jì)算，考慮到渠道在實(shí)際運(yùn)行中水流形態(tài)比較復(fù)雜，有時(shí)不滿足明渠均勻流條件，為提高計(jì)算精度，后期采用伯努利能量方程推算渠床糙率系數(shù)，計(jì)算渠段上下游能量方程為[7]：

式中：z1和z2為上下游斷面渠底高程，h1和h2為計(jì)算渠段上下游斷面的水深，V1和V2為計(jì)算渠段上下游斷面的平均流速，g為重力加速度，hw為計(jì)算渠段上下游斷面的水頭損失，經(jīng)推導(dǎo)計(jì)算得：

式中：

L—渠道上、下游兩斷面間長(zhǎng)度;

—上、下游兩斷面水位差;

h—水深; ? v1 、v2—上、下游兩斷面平均流速; g—重力加速度;

A1 、A2—上、下游兩過水?dāng)嗝婷娣e;

R1 ?、R2—上、下游兩過水?dāng)嗝嫠Π霃? J—水力坡度。

2.2計(jì)算方法

主要采用面積～流量法，即用流速儀分別測(cè)出若干部分面積的垂直于過水?dāng)嗝娴牟糠制骄魉?，由各部分面積乘以相應(yīng)部分平均流速即得部分流量，計(jì)算其代數(shù)和得出斷面流量，斷面流量除以斷面面積得出斷面平均流速。

3計(jì)算結(jié)果分析

由表2可知：在所測(cè)得的什巴分干渠糙率系數(shù)中0.021～0.023所占的個(gè)數(shù)最多。

4數(shù)值模擬驗(yàn)證

采用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)典型渠道及測(cè)流斷面建立二維模型，選擇四邊形網(wǎng)格劃分，選取進(jìn)口邊界為速度進(jìn)口、上部為大氣進(jìn)口、固體壁面采用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)法處理，水氣交界面采用VOF方法處理。

加載典型渠道測(cè)流斷面水力要素、壁面粗糙度等邊界條件，計(jì)算渠道的流場(chǎng)，得出同一流量時(shí)不同水深的斷面速度分布圖。

圖2 ?糙率為0.0230什巴分干渠斷面流速分布圖

經(jīng)數(shù)值模擬，沿著渠底向水面的方向，流速逐漸增大，但是最大流速發(fā)生在液面以下。得到的斷面速度分布圖與渠道原型觀測(cè)得到的斷面點(diǎn)流速分布規(guī)律情況一致，通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)糙率系數(shù)原型觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行校核，驗(yàn)證了原型觀測(cè)數(shù)據(jù)的正確性。

5結(jié)論

（1）以伯努利能量方程為指導(dǎo)，從什巴分干渠糙率系數(shù)測(cè)試值結(jié)果中看出，糙率系數(shù)0.021～0.023所占的個(gè)數(shù)最多。

（2） 壁面粗糙度按典型渠道糙率系數(shù)原型觀測(cè)的計(jì)算結(jié)果加載，經(jīng)數(shù)值模擬，得到的斷面速度分布圖與渠道原型觀測(cè)得到的斷面流速分布情況一致，對(duì)糙率系數(shù)原型觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行校核，驗(yàn)證了原型觀測(cè)數(shù)據(jù)的正確性。

（3）經(jīng)數(shù)值模擬，沿著渠底向水面的方向，流速逐漸增大，但是最大流速發(fā)生在液面以下。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧軍，許唯臨.高水頭岸邊泄洪洞水力特性的數(shù)值模擬[J].水利學(xué)報(bào)，2005，36（10）：1209-1218.

[2]董曾南，王晉軍，陳長(zhǎng)植等.粗糙床面明渠均勻紊流水力特性[J].中國(guó)科學(xué)（A輯），1992，（5）：542- 547.

[3]步豐湖，張紅岐，王慶文，等.襯砌渠道糙率取值方法的研究[J].內(nèi)蒙古水利，2007（4）：144-146.

[4]何建京.明渠非均勻流糙率系數(shù)及水力特性研究[D].江蘇： 河海大學(xué).2003.

[5]楊岑.明渠均勻流糙率系數(shù)及紊動(dòng)特性試驗(yàn)研究[D].陜西：西北農(nóng)林科技大學(xué) .2010.

[6]楊勝發(fā)，趙志舟，楊斌.支流入?yún)R干流交界面數(shù)值模擬[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，21（2）：115-118.

[7]呂宏興，周維博，劉海軍U 形渠道的水力特性及水力計(jì)算[J].灌溉排水，2004，23（4）：50-52.