北京市京密引水管理处 北京市怀柔区 101400
摘要：目前，我国的经济在迅猛发展，社会在不断进步，为了研究长距离渠道糙率的合理取值，依据输水工程总干渠2011—2016年逐日水位、流量数据，采用曼宁公式反算典型断面糙率，并构建一维非恒定流水动力模型对渠段糙率进行校核，分析长距离渠道糙率在渠段间的差异及边壁粗糙度随运行时间的变化情况。结果表明：断面的实测糙率与顺直渠段糙率相符，总干渠顺直段糙率在0．015～0．016，弯道明显的渠段，弯度校正因子在1．15～1．50，大小与弯道复杂程度相关；渠道糙率随运行时间呈增长趋势，总干渠等效粗糙度中期运行的年增幅约为18．54%。
关键词：渠道糙率；原型观测；水动力模型
引言
目前，我国水资源日益紧张，水资源的利用和优化配置显得格外重要。糙率作为渠道设计中最重要的因素之一，其取值的合理性对于渠道输水能力影响比较大。《值过大，不仅增加工程投资，而且会引起渠道冲刷值过小，淤积增加，达不到过水能力。近年来，国内外许多学者对糙率的影响因素、计算方法以及糙率取值对渠道水力设计的影响等方面己做过大量研宄，并取得了一定的成果，但并未对影响因素进行综合分析研宄，兹针对渠道糙率主要影响因素进行综合研宄，对糙率恢复工程措施具有一定指导作用。
1原型观测
自渠首2km至130km处选择4个观测断面作为典型断面，间隔在20～30km，断面位于距渠系建筑物较远的顺直渠段，断面结构完整且水流较为平稳。在渠道上方布置测桥进行观测，采用流速面积法测流，测速垂线间隔为1m，测流历时在60～100s，得到渠道自4月开闸引水至9月关闸的逐日水位、流量数据，时间跨度为2011—2016年（2013年缺测）。
2基于原型观测的输水渠道糙率取值及变化分析
2.1现场观测要求
（1）渠底宽度。在测量断面所在伸缩缝内随机选取两处测量渠底宽度，量测线与伸缩缝平行。若出现下列影响观测精度的情况，应选择测量断面相邻的伸缩缝内进行测量：①测量断面所在伸缩缝存在淤积现象，不便于现场观测；②渠道施工质量不佳，渠底边缘线不顺直；③其他影响现场观测的情况。（2）边坡坡度。所有形式断面均需现场测量左、右岸边坡坡度。在测量断面所在伸缩缝内的左、右岸分别选取上、中、下三处测量边坡坡度，测量时应避免明显鼓胀或沉降的部位。（3）圆弧坡脚长度。圆弧坡脚梯形断面应观测左、右岸圆弧坡脚长度。在测量断面所在伸缩缝内的左、右岸随机选取两处测量圆弧坡脚长度，若出现下列影响观测精度的情况，应选择测量断面相邻的伸缩缝内进行测量：①测量断面所在伸缩缝存在淤积现象，不便于现场观测；②渠道施工质量不佳，现浇混凝土圆弧坡脚上下边缘线不顺直；③其他影响现场观测的情况。（4）渠道比降。渠道比降测量可选择水面比降测量或渠底比降测量两种方法。灌区行水期水面波动较为剧烈，水面比降测量误差较大，应优先采用测量分段渠底比降后拟合整体比降的方法，以保证测量精度。对于渠底比降测量，需观测每一测量断面的渠底相对高程，形成闭和水准路线，满足三等水准测量的要求。测量时应避免渠底淤积、鼓胀和沉降的部位。
2.2渠段糙率特征
将渠段糙率与实测典型断面糙率对比，根据工程采用糙率精度，取两位有效数字，计算典型断面糙率与渠段糙率的比值。数学模型计算采用的为渠段综合糙率nc，原型观测为渠道顺直部分的断面糙率nb，由于各渠段内的断面一致，且无明显边壁附着，式可以写为nc=anb。
在无明显弯道的渠段2，a=1．00～1．07，nb=0．015～0．016，表明典型断面的实测值可以代表顺直渠段的综合糙率；渠段1由于存在较明显的弯道，a=1．15～1．25，而在弯道较复杂的渠段3，a=1．46～1．54。渠段2实际渠长和首尾直线距离的比值为1．12，而渠段3的比值为1．56，表明弯道对渠段综合糙率有较大的影响，且弯度校正因子的大小与弯道复杂程度呈正相关关系。
2.3渠道糙率计算
渠道表面的粗糙程度是通过糙率来反映的，进行水力计算时糙率也是最重要的参数之一，糙率也是反映施工质量水平的一项重要指标，同时也是影响渠道设计过流能力的重要因素；渠道两侧岸壁及底板的粗糙程度直接影响水流的能量损失，造成输水能力降低，水流在渠道中的运动形式多属于紊流运动，其能量损失分为沿程水头损失和局部水头损失，沿程水头损失的大小由渠道边界的粗糙程度决定，边界越粗糙沿程水头损失就越大。目前研究渠道糙率的一些主要方法有能量方程法，曼宁公式法，二步计算法和流速垂线分布法等，根据现场渠道布置的实际情况、通水时的实测数据以及所应用公式的适用条件，选定桩号为1+653.76—2+429.00、2+790.00—3+123.00作为糙率测试段。
2.4年际特征
根据原型观测结果，糙率随时间存在一定变幅，典型断面糙率在6年间整体呈上升趋势，变幅在7%～12%。为排除其他因素影响，选择能代表顺直渠段综合糙率的20+000断面，其糙率随年际变化线性拟合的糙率年增幅为0.00028。除去进行翻新的渠段1，渠段2、渠段3的综合糙率在6年间的增幅分别为1．1%与9．4%，与断面实测糙率变幅基本相符。弯道渠段糙率增幅大于顺直段，表明在断面与衬砌情况一致的条件下，弯道段的水流冲刷情况相较于顺直段更为严重，是工程需要重点维护的渠段。在不同运行时期或衬砌维护水平较差的情况下，渠段糙率的增大需要重视。北疆输水工程水质条件较好且几乎没有生物附着存在，对长期运行下的渠道糙率影响较小，对于含沙量低且定期清淤的渠道，不易产生长期淤积，糙率增长的主要原因是边壁平整度的变化。根据渠道的运行记录，存在影响衬砌面的因素有衬砌面的老化脱落，渠底和边壁的鼓胀、裂缝等，而2016年自渠首向下进行的5km衬砌面翻新使2+990断面糙率相较于上一年减小了约8．4%，表明在断面形式不变的情况下，渠道边壁情况是渠段糙率的主要影响因素，高寒地区的冻融循环和不稳定的基岩导致的衬砌老化与渠道不平整是渠道维护面临的主要问题。
结语
（1）通过实测资料计算结果分析可知，渠道过流能力满足设计要求。（2）用曼宁公式法选取4个典型断面计算所得糙率分别为0.01687、0.01613、0.01597、0.01547，其平均糙率为0.01611；能量方程法选取2个渠道段计算所得糙率分别为0.01694、0.01484，其平均糙率为0.01589；两种方法计算所得渠道糙率基本一致，保留两位有效数字均为0.016，表明测试段计算所得糙率与原设计值一致。（3）1#、2#量水堰为临时建筑物，根据量水堰设计布置，渠道过流流量最大不能超过4.8m3/s，在试通水结束后立即拆除，以免影响渠道正常过流能力。（4）由于本次设计的两座量水堰的部分尺寸超出了规范规定的范围，流量系数采用的是标准堰推荐的1.86的常值，后续将对流量系数做室内模型试验的标定工作，使数据计算结果更加准确合理。
参考文献：
［1］王引田．禹门口提水东扩工程供水规模分析［J］．水利建设与管理，2015（1）：79-82．
［2］SL537—2011．水工建筑物与堰槽测流规范［S］．
［3］沈天升．骨干渠道糙率取值合理性测试研究［J］．人民黄河，2018（4）：143-146．