孫禮珩

(莊河市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 大連 116400)

河道糙率是敏感而重要的河道水力計(jì)算參數(shù)，也是準(zhǔn)確衡量河流阻力的關(guān)鍵系數(shù)。研究評(píng)價(jià)河道輸水條件及行洪能力時(shí)，河槽糙率作為一項(xiàng)重要的指標(biāo)，在很大程度上決定了河道的安全運(yùn)行和防洪評(píng)價(jià)。

關(guān)于河流中植被的阻水特性國(guó)外諸多學(xué)者開(kāi)展了深入研究，如漂浮、淹沒(méi)和挺水等植被類(lèi)型的研究。例如，Luhar等探究了曼寧糙率系數(shù)與河流中植被的分布形式、柔韌性等性質(zhì)之間的關(guān)系；Aberle等探析了柔性和剛性非淹沒(méi)植被在河道尺度至孔隙尺度上的阻力特性。此外，在人工渠槽糙率、糙率對(duì)過(guò)流能力的影響、天然河道糙率率定等方面國(guó)內(nèi)學(xué)者也開(kāi)展大量的研究。隨著環(huán)境保護(hù)及生態(tài)治理的持續(xù)推進(jìn)，生態(tài)護(hù)岸及含植被河道的等效糙率問(wèn)題逐漸引起學(xué)者的關(guān)注，如孫東坡等[1]通過(guò)對(duì)連鎖磚護(hù)面阻水特性的深入研究，揭示了水流速度與新型生態(tài)防洪結(jié)構(gòu)糙率間的關(guān)系；張瑋等[2]以草皮護(hù)坡為例，通過(guò)試驗(yàn)研究分析了河道糙率受生長(zhǎng)期、土壤類(lèi)型的影響，在此基礎(chǔ)上提出了適宜的糙率取值區(qū)間；吳喬楓等[3]將河道斷面按照植被分布特征進(jìn)行分區(qū)，并在河道糙率計(jì)算公式中引入分區(qū)糙率系數(shù)；韓麗娟等[4]揭示了河道水流阻力與漂浮植被之間的相互關(guān)系；鄭爽等[5]采用明渠水流下柔性植被淹沒(méi)試驗(yàn)，提出基于經(jīng)驗(yàn)的曼寧糙率系數(shù)等效計(jì)算公式在岸坡與主槽共同影響下的梯形河道水流，水流結(jié)構(gòu)和河道阻力會(huì)因護(hù)岸類(lèi)型的改變而改變，從而在一定程度上影響河道的行洪能力。因此，必須全面探究河道的行洪能力受護(hù)岸糙率特性的影響。文章綜合利用數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)的方法，研究了不同護(hù)岸類(lèi)型下梯形斷面河道的糙率變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上探析河道行洪能力受護(hù)岸糙率變化的影響，以期為防汛調(diào)度研究、生態(tài)護(hù)岸防洪評(píng)價(jià)等提供理論支持。

1 試驗(yàn)概況

本研究利用深0.8m、寬1.5m、長(zhǎng)20m的矩形變坡循環(huán)水槽開(kāi)展試驗(yàn)，為保證入流平穩(wěn)將穩(wěn)流裝置設(shè)于水槽進(jìn)口段，水深的控制利用出口段柵欄式尾門(mén)實(shí)現(xiàn)，并采用電磁流量計(jì)和閥門(mén)計(jì)量、控制流量。試驗(yàn)段選取為水槽居中12m范圍，梯形非對(duì)稱(chēng)斷面利用有機(jī)玻璃板布置，河道斜邊坡寬0.4m、主槽寬0.8m。采用護(hù)坡結(jié)構(gòu)與草本植物構(gòu)造新型生態(tài)護(hù)岸類(lèi)型，并將8mm厚的仿真草皮敷設(shè)于梯形邊坡上，為了模擬護(hù)岸上的挑流消能結(jié)構(gòu)在草皮上黏貼有機(jī)玻璃材質(zhì)的直三棱柱磚塊。試驗(yàn)所用的磚塊尺寸有3種，并命名底面與磚塊迎水面夾角15°、30°、45°的護(hù)岸為A護(hù)岸、B護(hù)岸、C護(hù)岸，布設(shè)磚塊的橫向與橫向間距0.05m、0.4m。

水位測(cè)量斷面每隔2m沿試驗(yàn)段均勻布置，穩(wěn)定均勻流利用尾門(mén)開(kāi)度的調(diào)節(jié)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，并以各斷面水深差不超過(guò)1mm作為均勻水流的判斷標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)設(shè)置不同的坡底和流量工況，對(duì)3種護(hù)岸開(kāi)展均勻流試驗(yàn)，從而獲取各條件下的均勻流水深，試驗(yàn)工況，見(jiàn)表1。其中，A、B、C護(hù)岸的試驗(yàn)分組為A1-A8、B1-B8、C1-C8，i、Q為底坡和流量參數(shù)。

表1 試驗(yàn)工況

2 護(hù)岸糙率

采用計(jì)算公式(1)求解恒定非均勻流明渠曼寧糙率系數(shù)n，即：

(1)

式中：A、R、Q為斷面面積、水力半徑和流量；zj、vj為斷面j的水深和流速；Lj為上、下游斷面間的距離；n、g為糙率系數(shù)和重力加速度。均勻流條件下，糙率系數(shù)n可利用簡(jiǎn)化公式求解，即：

(2)

式中：i、U底坡和斷面平均流速。

一般地，由于壁面形態(tài)或組成材料的差異河道過(guò)水?dāng)嗝娓鞑糠植诼什槐M相同，基于試驗(yàn)研究或原型觀(guān)測(cè)許多學(xué)者提出了相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，較為常用的綜合糙率nc計(jì)算方法有PM公式、EBM公式、KCM公式，具體如下：

(3)

(4)

(5)

式中：nc、nj為綜合糙率和分割面j的糙率；x、xj為總濕周和分割面j的濕周，其中x=xb+xw+xs；dj為分割面j的水深。本研究考慮利用PM公式求解護(hù)岸糙率ns，其表達(dá)式為：

(6)

式中：nc為綜合糙率；ns、nw、nb為依次代表護(hù)岸、側(cè)壁和槽底的糙率系數(shù)；xb、xw、xs為依次代表護(hù)岸、側(cè)壁和主槽的濕周；x為總濕周，x=xb+xw+xs。

水深與綜合糙率的關(guān)系，見(jiàn)圖1。水深與綜合糙率之間的相關(guān)關(guān)系利用回歸分析法構(gòu)造，其表達(dá)式為：

nc=aInH+b

(7)

式中：a、b為系數(shù)值。

圖1 水深與綜合糙率的關(guān)系

引入擬合相關(guān)系數(shù)R，水深與綜合糙率擬合值，見(jiàn)表2，從表2可知各護(hù)岸的R值均超過(guò)0.9，可見(jiàn)數(shù)據(jù)擬合具有較好的效果。此外，隨著水深的增加綜合糙率呈現(xiàn)出不斷增大的變化趨勢(shì)，這與邊坡阻力較大而河床阻力較小的糙率分布規(guī)律保持較好一致性；不同護(hù)岸的綜合糙率存在一定差異，其中糙率值最小的為護(hù)岸A，而糙率最大的為護(hù)岸C。護(hù)岸相同的條件下，隨著流量的增加綜合糙率值不斷增大，隨著底坡的增加綜合糙率不斷減小。以護(hù)岸A為例簡(jiǎn)要說(shuō)明其變化特征，從45L/s不斷增大流量至75L/s，該過(guò)程中nc值增加了9.5%，從0.00025不斷增大底坡至0.0028，該過(guò)程中nc值增加了16.8%。通過(guò)分析糙率受底坡、流量的影響發(fā)現(xiàn)，河道綜合糙率的變化實(shí)質(zhì)上是與水深的改變有關(guān)。

表2 水深與綜合糙率擬合值

隨弗勞德數(shù)Fr的變化護(hù)岸糙率ns及綜合糙率nc的變化，弗勞德數(shù)Fr與糙率間的關(guān)系，見(jiàn)圖2。弗勞德數(shù)Fr在各工況條件下的取值區(qū)間為0.108-0.596，試驗(yàn)中始終保持緩流狀態(tài)。研究表明，隨弗勞德數(shù)Fr的增加綜合糙率不斷減小，弗勞德數(shù)Fr較小時(shí)綜合糙率具有較快的變化速率，而弗勞德數(shù)Fr較大時(shí)綜合糙率具有較慢的變化速率，該研究成果與矩形渠道研究規(guī)律保持一致。最小值與最大值糙率之差，在不同護(hù)岸條件下不超過(guò)10%，可見(jiàn)護(hù)岸糙率系數(shù)值受底坡或流量改變的影響較低，護(hù)岸糙率值可以取各工況情況下糙率的平均值。因此，護(hù)岸A、護(hù)岸B、護(hù)岸C的糙率值ns依次為0.0418、0.0470、0.0637。

圖2 弗勞德數(shù)Fr與糙率間的關(guān)系

3 河道行洪能力影響

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)被越來(lái)越多的用于河道水動(dòng)力計(jì)算研究，從而有效解決物理模型及原型觀(guān)測(cè)試驗(yàn)存在的問(wèn)題。文章擬對(duì)河道一維水流水面線(xiàn)利用河流動(dòng)力學(xué)模型HEC-RAS計(jì)算，在此基礎(chǔ)上揭示河道行洪能力受護(hù)岸糙率變化的影響特征[6-8]。

首先，通過(guò)模擬計(jì)算A1-A8工況檢驗(yàn)HEC-RAS模型的精準(zhǔn)度，設(shè)置右岸側(cè)壁與河底糙率0.0092、左岸護(hù)岸糙率0.0418，建立梯形河道模型確定各工況下的水面線(xiàn)，并對(duì)比分析模擬值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，A1-A8工況下試驗(yàn)與模擬結(jié)果，見(jiàn)圖3。從圖3可知，實(shí)測(cè)值與模擬值具有較高的吻合度，3種工況下的平均誤差都≤1.20%，可見(jiàn)該模型具有較高的計(jì)算精度，能夠用于河道行洪能力的計(jì)算分析。

圖3 A1-A8工況下試驗(yàn)與模擬結(jié)果

為進(jìn)一步探究水面線(xiàn)受不同寬深比條件下護(hù)岸糙率變化的影響，通過(guò)改變河底寬度B設(shè)置4組不同底寬工況，以3種不同流量條件依次開(kāi)展每組底寬工況的試驗(yàn)研究。保持臨界水深hk不變，在不同底寬條件下選取所對(duì)應(yīng)的流量值，以更加直觀(guān)的對(duì)比分析，工況設(shè)計(jì)，見(jiàn)表3。

表3 工況設(shè)計(jì)

各工況下的水深變化規(guī)律，見(jiàn)圖4。由此可以得出以下結(jié)論：①保持流量與底寬相同的條件下，河道綜合糙率隨著護(hù)岸糙率的增加而增大，從而使得正常水深有所增加；②保持底寬不變的條件下，護(hù)岸糙率ns與水深H的變化趨勢(shì)受流量改變的影響較??；③隨底寬的增大河底寬深比、河道水深不斷增加，河道綜合糙率系數(shù)和護(hù)岸部分的濕周權(quán)重比不斷減小。以Q1為例簡(jiǎn)要說(shuō)明其變化特征，從70cm不斷增加河底寬度B值280cm條件下，不同護(hù)岸糙率ns所對(duì)應(yīng)的最大與最小水深比從1.80不斷減小至1.26；護(hù)岸糙率ns在底寬1680cm工況下從0.0206增大至0.0725，從0.094綜合糙率逐漸增大至0.0106，該過(guò)程中水深增加6.5%，可見(jiàn)河道水深受改變護(hù)岸糙率的影響較小。

圖4 各工況下水深變化規(guī)律

研究表明，對(duì)于窄深型河道(即寬深比較小的河道)，河道水深受改變護(hù)岸糙率的影響較大，即護(hù)岸糙率與綜合糙率的比值較高；對(duì)于寬淺型河道(即寬深比較小的河道)，護(hù)岸糙率與綜合糙率的比值較小，河道水面線(xiàn)受不同護(hù)岸糙率的影響較弱，即河道行洪能力受改變護(hù)岸糙率的影響較低。

鑒于水位與護(hù)岸糙率在非均質(zhì)流條件下的關(guān)系，設(shè)置底坡0.005、流量45L/s、護(hù)岸糙率ns0.0410、下游水深邊界條件10cm，率ns變幅設(shè)為+50%、-%、+20%、-20%、0，由此揭示綜合糙率率nc及水深H在不同工況下的沿程變化規(guī)律，不同護(hù)岸糙率下的沿程變化，見(jiàn)圖5。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，綜合糙率、河道沿程水深隨護(hù)岸糙率的增加均不斷增加，該變化規(guī)律與均勻流保持一致。相對(duì)于均勻流工況，非均質(zhì)流沿程的綜合糙率由于水深的沿程變化不再恒定，隨水深的降低沿程綜合糙率呈不斷減小的變化特征，該變化規(guī)律與試驗(yàn)研究相吻合。

(a)水深變化

(b)綜合糙率變化

4 結(jié) 論

文章結(jié)合數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)法，探究了河道行洪能力受梯形河道護(hù)岸糙率變化的影響，主要結(jié)論如下：

1)不同護(hù)岸工況的糙率值存在差異，保持護(hù)岸不變的條件下，隨水深的增加河道綜合糙率不斷增加，并且呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)變化規(guī)律，而護(hù)岸糙率值受底坡或流量改變的影響較小。

2)均勻流工況下，河道綜合糙率隨護(hù)岸糙率的增加而增大，從而增大了正常水深；保持底寬不變的條件下，隨護(hù)岸糙率的改變改變流量對(duì)水深變化趨勢(shì)的影響較??；非均勻流工況下，隨護(hù)岸糙率的增加河道沿程水深不斷增加；隨水深的降低沿程綜合糙率呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)。

3)對(duì)于窄深型河道，河道水深受改變護(hù)岸糙率的影響較大；對(duì)于寬淺型河道，護(hù)岸糙率與綜合糙率的比值較小，即河道行洪能力受改變護(hù)岸糙率的影響較低。