大型渠道糙率系数设计取值的不确定性及影响分析

大型渠道糙率系数取值的不确定性及影响分析 应用基础与科学学报 . . . 第 卷 期 年 月 文章编号: 中图分类号: 文献标识码: 大型渠道糙率系数设计取值的 不确定性及影响分析 王 开, 魏加华, 王光谦 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京摘要:大型调水工程糙率系数的设计取值与其它许多水利水电工程问一样,存 在着相当大的不确定性.本文在综述国内外大型调水工程糙率选取的基础上,综 合考虑南水北调中线工程总干渠的渠道参数,建立了长距离渠道输水能力校核 模型,并就总干渠综合糙率在一定范围内发生变化后对水面线及过流能力的影 响进行了分析,研究结果对调水工程的糙率系数选取具有重要的指导作用. 关键词:调水工程;糙率系数;敏感性;输水能力;南水北调 南水北调中线工程是一项特大型长距离跨流域调水工程,总干渠从河南省淅川县陶 岔枢纽开始,输水渠线经过豫、冀、京、津 省市,跨越长江、淮河、黄河、 海河四大流域.南 水北调中线总干渠主要为土质梯形断面明渠,全断面混凝土衬砌,渠道设计水深随流量由 南向北递减,平均坡降 / ,渠道设计水深从渠首 . ,到明渠段终点渐变到 . , 渠道底宽从 . 过渡到 . ,梯形断面边坡系数 .. .与国内外现已建成的调水 工程相比,南水北调中线工程输水线路长、流量大、渠道纵坡小,且沿程众多的渠道过水建 筑物 渡槽、倒虹吸、隧洞 都需要较大的水头,因而分配给各渠段的水头十分有限. 大型调水工程设计中的水力参数,如糙率、临界形变压力存在着相当大的不确定性. 渠道的过流能力是断面形状、断面面积、衬砌表面粗糙程度和渠道坡降的函数,例如糙率 不确定性很大.各类衬砌渠段沿程糙率系数关系到输水流量能否保证.长期以来,人们对 上述变量的不确定性缺乏严格有效的研究计算,从而造成一些建立在确定性基础上的设 计方案与工程实际运行存在一定差别.根据已有研究成果,实际混凝土渠道糙率 .. 』 ,对于总长 的南水北调总干渠,该 值的变化范围是比较大 的;而张小琴 ,步丰湖 认为糙率受众多因素影响,其值很难准确求得,基本的查表法 和公式法得出的值并不能满足水力计算的要求,王光谦 、马吉明 等分别进行了南水 北调中线工程总于渠糙率综合论证和模型试验研究,初步讨论了中线工程沿程糙率系数 的取值范围及其影响,并指出仍需进一步深入研究.综上所述,如何选定其沿程糙率 值, 是渠道设计和校核中的关键技术问题之一. 收稿日期::修订日期: ? 基金项目:国家自然科学创新研究群体科学基金资助项目 作者简介:王开一 ,女,博士研究生. 通讯作者:王光谦 一 ,男,博士,教授, ? : . . . 王 开等:大型渠道糙率系数设计取值的不确定性及影响分析 本文在对国内外大型输水渠道实测糙率进行分析论证的基础上,根据南水北调中线 工程总体可行性研究阶段的工程设计参数,采用恒定非均匀流模型,计算了不同糙率取值 情况下的水面线变化,分析了渠道水面线对沿程糙率取值的敏感性,对工程设计具有参考 价值. 国内外糙率取值的实测资料及计算方法分析 影响长距离渠道糙率系数不确定性的主要因素包括: 不利地质条件和自然环境; 渠道混凝土衬砌的施工质量; 水流流动状态和水力半径的大小; 渠道运行管 理水平.国内混凝土衬砌渠道糙率的观测成果 驯表明,混凝土衬砌渠道的糙率和渠段的 平整与顺直程度关系极大,当流量在 . ?/ 范围内,全断面混凝土衬砌的顺直平 整非灌溉性渠道及表面平整带有少量弯道的隧洞的糙率值为 . ? .,全断面混凝 土衬砌的顺直平整灌渠的糙率取值为 .. ,全断面混凝土衬砌,有明显麻面及 措缝或有明显泥苔的渠道的糙率取值为 . ?. .同时,由于原型糙率观测成果受 观测条件的限制,其值一般稍小于设计取值才能保证渠道的设计输水能力,因此,对糙率 设计取值的不确定性进行多方论证是很有实际意义的. 美国垦务局根据已建渠道的实测资料和室内试验分析,推荐使用下述方法确定混凝 土渠道的糙率??: 当 ?. 时, 取值为 . ; 当 . 时,按式确定 值:丽 十 一 般调水工程渠道沿程糙率系数的确定通常根据设计或者是根据理论公式计 算,通过综合分析后取值,因此,需要对设计规范、已有工程经验以及理论计算公式进行分 析,以确定总干渠糙率的取值.根据设计规范和已往经验确定糙率取值.【 和提出先确定渠道在 直线、均匀和光滑状况下的基准值,然后再考虑各种影响因子对其进行修正的糙率确定方 法,并被广泛应用于美国加州地区、佛罗里达中西部地区、克罗拉多地区、亚利桑那州的天 然河道和人工渠道., 和 【 给出了稳定渠道糙率系数的参考基准 值,并针对不同影响因子提出了具体修正范围. 南水北调中线工程渠道明渠段全线为混凝土衬砌,设计流量下其水力半径尺为 . ?. ,加大流量下为. ? . .在设计中综合设计规范和以往经验确定明渠 段糙率系数/取值为 . . 根据计算公式确定取值.我国以往在渠道水力设计 中,常依据渠道的壁面情 况,参照有关设计手册或教科书选定糙率,很少考虑水力半径 对糙率的影响.这对于 值较小且变化不大的渠道是可行的,但对大型调水工程来说,应该考虑尺值对糙率的 影响. 美国陆军工程兵团采用的渠道糙率计算公式 反映了糙率与水力半径的关系,见 式,此公式也可以联解寇利根公式和曼宁公式得到 ,并被陆军工程兵团的实测资 应用基础与工程科学学报 . 料所证实. 埔 、 、 埔对实测资料的研究表明这一关系同样存在于 天然河流. 两 式中, 是反映渠道表面凸起高度和渠道总体平整情况的一个综合性参数.它是一个随 时间变化的量,因此,根据渠道运行的不同时期选取不同的 值,代入公式,可得到不 同运行期糙率的计算公式,并根据渠道的水力半径计算出各个渠段的糙率值. 国内顺直平整的非灌溉性渠道一般流量较小,就已收集到的资料看,渠道水力半径小 于. ,而中线工程的水力半径要相对大的多.因此,计算所得 值也要比国内顺直平整 混凝土衬砌渠道的现有观测值要大; 根据渠道情况调整 值.对于相同尺值的渠道,/值随 的增加而增加. 本文根据南水北调中线工程的设计规模,总干渠糙率系数取. 为基准值,在此基 础上分析水面线随糙率系数的变化规律. 渠道水面线计算 根据南水北调中线工程的特点,建立渠道水力计算模型,分析当综合糙率在一定范围 内发生变化时,对水面线及过流能力所产生的影响.计算采用明渠~维恒定非均匀流水力 学模型,将计算的长渠段划分为若干单元渠段,求解基本方程,从而计算各断面的平均水 力要素. 渠道一维恒定非均匀流的连续方程和运动方程为: :塞去 式中, 为流量; 为水位; 为过水断面面积; 为水力半径; 为糙率.采用有限差分法对 上述方程进行离散,得到如下的差分格式:【 ,】去象一 。 式中, 为断面间距;下标 和分别表示变量所在计算断面号 和; 为数值离 散权重因子,在本模型的计算中取为..另外,由于在南水北调总干渠中还设计有许多 建筑物,必然会产生局部水头损失,因此在计算有建筑物的渠段时,式 的右边应该加 上局部水头损失项才能满足方程的平衡.由式 和式 即可分别写出恒定流的能量方 程和连续方程:川川 ~ ? ,: 式中, 为断面平均流速;为动能修正系数;下标、为上下游的断面号; ,为第 至 . 王 开等:大型渠道糙率系数设计取值的不确定性及影响分析断面之间的沿程水头损失; 为第 至断面之间的局部水头损失,由断面变化、 弯道或局部建筑物 闸、分流口 等原因引起. 为两断面间的分水流量. 对于无压流:?对于有压流: . 。 式中,? 为流程长度. 总干渠中的桥梁则采用公式计算桥梁壅水高度,其余建筑物如倒虹吸、渡槽、 隧洞、涵洞及暗渠等建筑物的局部水头损失 根据建筑物类型采用不同公式进行计算, 其一般公式为:, 式中, 的取值根据不同建筑物的几何尺寸特征而确定. 本文计算的总干渠范围是从陶岔渠首至北拒马河中支南岸,北拒马河段的终点设计 水位 . ,陶岔渠首设计流量 / ,加大流量 。/ ;随着总干渠规模从南到北逐 渐递减,进入北京的设计流量。/ ,加大流量/ .在进行设计或加大流量下的水面 线计算时,各渠段的流量取相应的设计或加大流量.计算中采用模块化思想,在各建筑物 结合处设置计算断面,分别考虑不同类型渠道及建筑物的水头损失,计算流程如图. 水面线对糙率变化的敏感性分析 在渠道过流面积、湿周和底坡一定的条件下,渠道沿程糙率系数 值的增加将导致渠 道过流能力下降.南水北调中线工程输水线路长,沿程水头损失在总水头损失中占有相当 大的比例,而与沿程水头损失密切相关的渠道糙率 取值大小关系到整个渠道的设计和 造价.采用一维恒定非均匀流模型进行设计流量水面线和加大流量水面线的计算,对总干 渠在运行过程中糙率系数发生变化时可能对水面线的影响作敏感性分析. 选取工程中的一些典型渠段,进行糙率变化对渠道水位影响关系的分析.敏感性分析 时,选取的渠段分别在渠首,沙河南、黄河南、黄河北、漳河、古运河段.总干渠糙率的取值 变化范围为 .. ,随着糙率的变化,总干渠的沿程水面线也发生相应的变化.各 渠段在 种糙率情况下水面线对比如图 一图 所示,表 、表 分别为典型断面糙率系 数取值与渠道水位计算结果.不同渠段水位与糙率的关系表明,渠道水位与 密切相关. 结果表明,随着沿程糙率的增加,渠道水面线会略有抬高,黄河以南糙率每增加 . ,总干渠水面线抬高幅度在. 左右,黄河北至漳河南,渠道糙率每增 加 . , 总干渠水面线抬高幅度在. 左右,渠道水面线的抬高为均匀变化,没有骤升骤降的 情况.全线综合糙率每增加. ,则总干渠水面线抬高幅度在 . 左右. 应用基础与工程科学学报 . 图 输水能力校核模型计算流程图. 表 典型断面不同糙率系数取值对应的渠道水位? . 王开等:大型渠道糙率系数设计取值的不确定性及影响分析...毯... . .. . . . . .. . . . . . . . 桩号/图 陶岔渠首至孔沟公路桥中点不同糙率下水面线沿程变化图 . ...星 。毯 ..... . ... .. .. .桩号/图 淝河渠倒虹出: 至沙河渡槽进口不同糙率下水面线沿程变化图. ,结论 本文综合分析了影响总干渠糙率的可能因素,在对比国内外渠道糙率实测资料及计 算方法的基础上,论证了总干渠糙率的取值.采用恒定非均匀流模型,计算了不同糙率取 应用基础与工程科学学报 .图 古运河暗渠出口 . 至滹沱河倒虹吸进 .不同糙率下水面线沿程变化图.表 糙率系数取值与渠道水位的关系 值对渠道水面线的影响,典型渠段的分析表明,随着沿程糙率的增加,渠道水面线会略有 抬高,渠道水面线的抬高为均匀变化,没有骤升骤降的情况.全线综合糙率每增加 ., 则总干渠水面线抬高幅度在 . 左右. 参考文献 张小琴,包为民,梁文清,等.河道糙率研究进展 .水力发电,, : , , , ..,, : ?步丰湖,张红岐,王庆文,等.衬砌渠道糙率取值方法的研究.内蒙古水利, , : ?, , , .. ,, : ?王光谦,黄跃飞,魏加华,等.南水北调中线工程总干渠糙率综合论证.南水北调与水利科技,,: ?. 王开等:大型渠道糙率系数设计取值的不确定性及影响分析 ,,, . 【 ? ? ..? &, ,:马吉明,史哲.南水北调典型宽浅渠道糙率系数研究 .水力发电学报,,: ,. ??.,,:陈耀忠.引滦入津隧洞糙率两次原型观测成果综述.水利水电科技进展,, :. ’ .,, : 王大伟.引黄济青工程技术总结.引黄济青工程管理局, .., 段文刚,黄国兵,何东.混凝土渠道糙率原型观测.人民珠江, , : 一 ,, . . , , : ? 曾祥,黄国兵,段文刚.混凝土渠道糙率调研综述.长江科学院院报,,:,, . . ,, : 崔淑芳,王景太,王福美.韩墩引黄灌区总干渠糙率实测成果浅析.人民黄河,,: , ,.? .,,: 刘斌,庞进武,祝瑞祥,等.美国长距离调 水工程考察.人民长 江,, :, , , . . , , : .. ,,:.. : ,, . . . . ?,. . .? . , .: , . . ,,:钱宁,万兆惠.泥沙运动力学.北京:科学出版 社, ,.. : ,, . . . . , . . .? 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