北疆供水工程渠道糙率分析

章再兴

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆乌鲁木齐830000）

北疆供水工程渠道糙率分析

章再兴

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆乌鲁木齐830000）

北疆供水工程混凝土预制板衬砌渠道设计糙率0.017，运行6～11a后的实证糙率值为0.015，比设计规范推荐值0.016～0.018小，比目前国内其它渠道糙率取值偏小，为同类工程设计糙率选取提供借鉴。

渠道糙率；供水工程；正态分布

1 工程概况

北疆供水总干渠工程等别为大（Ⅱ）型二等工程，1997年8月动工兴建，2000年8月1日基本完工并转入试运行。渠道断面形式为平底梯形断面和弧形底梯形断面，渠底宽4m，内外边坡1∶2，纵坡1/10000～1/12500。渠深5.4～6.2m，水深4.68～5.36m，渠道超高0.5m，流速1～1.16m/s，采用0.6mm聚乙烯塑膜防渗。渠道表面清洁，块与块之间接缝平整饱满，混凝土预制板为边长25cm的正六角形，均匀而单一，为提高稳定性，每隔19.4m设一道横向混凝土隔梁，渠线较顺直，该工程糙率设计取0.017。总干渠自2000年通水运行以来，已安全运行11a，混凝土预制衬砌板在水流的冲刷作用下，水下部分板面出现了不同程度的麻面。受气候以及地质条件影响，衬砌表面的平整度发生了变化［1］。

2 糙率的影响因素

渠道的糙率系数一般根据类似工程运行经验进行选择。但影响渠道糙率的因素很多，准确选择是十分困难的，主要是因为运行期有许多不确定的因素［2］。在设计的水流条件下，设计糙率是根据工程经验和规范推荐的数值选定的；初始糙率是施工刚结束投入运行时渠道的糙率，它决定于衬砌面平整度、分缝、施工质量等因素；实际运行糙率是运行相当长时间，形成了稳定的渠道形态后所具有的，它决定于衬砌材料的变形、动植物的附着生长、淤积等情况。

（1）沉积物。松散的颗粒状土、沙粒附着于衬砌表面和渠底，其绝对高度对水流形成阻碍，加大了糙率。

（2）生物因素。衬砌混凝土表面即使进行仔细的抹光处理，也会有细小的不平之处，凹处会被细颗粒所充填、覆盖，其上落有水生植物，在适宜的环境中生长。某些昆虫幼体等也会附着在表面，在被损坏的裂缝、施工缝、诱导缝中，不供水时段会生长较高大的杂草，造成糙率系数的增大。

（3）施工缝。为了满足施工和抗裂的要求，会预留或后切缝，这些缝隙会被止水物质充填，有试验资料证明糙率的增加不超过1%。基础产生不均匀沉降，整体性遭到破坏后，出现表面不平整才是造成糙率增加的主要因素。

（4）水深。在渠道的各种条件一定的情况下，糙率大小是随着水深的变化而变化的。一般来说，水深越小，糙率就越大。严格来说，糙率应该是正常水深时的糙率。

（5）衬砌材料及衬砌面的平整度。渠道衬砌材料及衬砌形式、衬砌面的平整度也是影响糙率的直接因素，衬砌面平整光滑，糙率较小；反之，糙率较大。

3 渠道糙率计算

3.1 断面流量实测

总干渠各监测断面都布置在离渠系建筑物较远、水流平稳、满足测水要求的渠段上，每个断面上都架设测桥。每年在通水运行前都对各监测断面进行测速线布置，将监测断面的渠道上口宽度以每10cm一个点进行划分，将其点对应标在测桥扶手上以便于运行期间开展测流工作。

点流速u1计算公式为：

式中：u1—点流速，m/s；k、C—仪器鉴定常数；n—每秒转数，n=R/T；T—总历时，s；R—转数。

测速垂线间面积按梯形面积法计算，岸边用三角形面积法。计算时先求2垂线起点之间距离bi，再求2垂线平均水深，即：1/2（hi-1+hi），则部分面积计算公式为：

式中：Ai—部分面积，m2；hi-1、hi—相邻2垂线水深深度，m2；bi—2垂线间距离，m2。

两岸边部分平均流速计算公式为：

式中：u—岸边部分平均流速，m/s；um岸—岸边垂线平均流速，m/s；α岸—岸边流速系数，见表1。

表1 岸边流速系数α值

其余相邻2测速垂线间部分面积平均流速可用垂线平均流速算术平均求得，即

式中：ui—相邻2测速垂线间部分面积平均流速，m/s；um，i-1、umi—相邻2垂线平均流速，m/s。

部分平均流量qi等于部分面积Ai与相应部分平均流速ui的乘积，即

式中：qi—部分平均流量，m3/s；其余变量符号意义同前。

断面上所有部分流量之和为：

式中：Q—断面流量，m3/s；其余变量符号意义同前。

3.2 渠道糙率计算

根据实测断面流量，采用水力学公式，结合日常实测流量、水位等资料（见表2），计算实际糙率。

式中：A—断面面积，m2；V—流速，m/s。

式中：C—谢才系数；R—水力半径，m2；i—渠道纵坡。

表2 渠道实测数据统计

4 渠道糙率分析

对实测糙率值进行样本统计分析，确定北疆供水工程预制混凝土衬砌板实际糙率区间。

4.1 假定条件

在计算分析时，假定如下条件成立。

（1）就观测的过程而言，由于无糙率的直接观测设备，而是将流量、渠道坡比及过水面积代入数学公式计算求得，流量与糙率具有成型的数学关系，不是2个相互独立的观测量，因此仅选取糙率的观测数据作计算分析。

（2）流量数据观测的设备、人员及观测方法基本一致，即所有的观测是在相同条件下进行重复，观测周期为1a。

（3）流量观测是一个随机抽样的过程，事先明确了流量大小的所有可能结果，因此计算出的糙率数据包含所有可能结果，符合随机抽样的要求。

4.2 满足正态分布的条件

正态分布是概率论中最重要的一种分布，一般来讲，若影响某一数量指标的随机因素很多，而每个因素所起的作用不太大，则这个指标服从正态分布。

如果把数值变量资料编制频数表后绘制频数分布图（又称直方图，它用矩形面积表示数值变量资料的频数分布，直条的宽表示组距，直条的面积表示频数（或频率）大小，直条与直条之间不留空隙），若频数分布呈现中间为最多，左右两侧基本对称，越靠近中间频数越多，离中间越远，频数越少，形成一个中间频数多，两侧频数逐渐减少且基本对称的分布，那我们一般认为该数值变量服从或近似服从数学上的正态分布。

糙率是将流量、渠道坡比及过水面积代入数学公式计算而得，主要受流量、过水面积（水位）、渠道横纵坡比及结构等因素的影响、且受流量、水位观测等随机因素的干扰较强，流量、水位的数据观测设备、人员及观测方法基本一致，即所有的观测是在相同条件下进行重复，且观测是随机进行的，事先明确了现有渠道的所有可能结果，因此计算出的糙率数据包含所有可能结果，符合随机抽样的要求。

对渠道监测断面3+050的糙率监测数据的分布频数统计见表3，如图1所示。从图1中可看出：糙率频数分布基本呈现中间为最多，左右两侧基本对称，越靠近中间频数越多，离中间越远，频数越少，形成一个中间频数多，两侧频数逐渐减少且基本对称的分布，因此认为糙率服从或近似服从数学上的正态分布。

表3 3+050断面糙率频数（样本数52）n（糙率）

图1 3+050断面糙率频数

4.3 3+050断面渠道糙率数据分析

3+050断面总共观测数据52条，均为有效观测数据，采用正态分布对观测数据进行计算分析，糙率数据放大1000倍（见表4，如图2、图3所示）。

表4 3+050断面渠道不同流量下糙率的正态分布参数

续表4 3+050断面渠道不同流量下糙率的正态分布参数

图2 3+050断面不同流量下糙率的概率密度

图3 3+050断面流量与糙率的实测数据关系

5 结论

（1）从上述概率统计计算及分析可看出：不同的流量阶段，流量越大且变幅较稳定，渠道糙率的均方差和均值越小，反应在图形中就是糙率测点落在均值附近的概率越大，相应图形变得越尖。在置信度为99.7%时，均值与均方差的置信区间也在减少，精度也较高。

通过数学概率统计方法对3个断面采集的数据样本进行分析，符合要求的数据如下：3+050的位置，糙率置信区间为0.010～0.012；20+000的位置，糙率置信区间为0.013～0.015；93+657的位置，糙率置信区间为0.012～0.015。

根据分析研究得出混凝土预制板衬砌渠道实际糙率小于设计选取的糙率，建议同类渠道设计糙率取值为0.015。

（2）与当前国内同类研究、同类技术的综合比较。北疆供水工程混凝土预制板衬砌渠道设计糙率0.017，运行6～11a后的实证糙率值为0.015，比设计规范推荐值0.016～0.018小，比目前国内其它渠道糙率取值偏小（见表5），为同类工程设计糙率选取提供借鉴［3］。

表5 与国内同类研究成果对照

［1］沈长江，杨赐金，张龙.从北疆某干渠防洪看长距离输水渠道［J］.水利规划与设计，2009（01）.

［2］姜旭新，周梦娇.新疆北疆供水工程渠道糙率计算与分析［J］.新疆水利，2011（04）.

［3］刘方亮，牧振伟.北疆供水工程混凝土预制板渠道糙率分析研究［J］.内蒙古水利，2014（03）.

TV674

B

1672-2469（2015）12-0042-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.12.016

章再兴（1983年—），男，工程师。