新疆阿勒泰哈巴河县养殖渠人工渠道糙率的试验分析

刘 婕

（新疆阿勒泰水文勘测局，新疆 阿勒泰 836500）

0 引言

表面具有自由水流的人工渠道水流水力计算和糙率系数研究是工程水力计算的难题之一，对水利工程设计与投资具有决定性意义。近年来，国内外诸多学者都对自由明渠糙率的演变规律进行了试验分析与研究，例如马继明等通过对具体水利工程宽浅渠道的模拟试验与分析，指出对于水力半径、断面形状和尺寸不同的渠道，随流量的增大，其糙率随之增大[1]；杨岑通过对不同糙率人工渠道的试验得出结论，认为随着流量的增大，人工渠道糙率呈对数趋势减小，两种结论恰恰相反。由此可见，当前国内有关人工渠道糙率变动趋势规律的研究尚无定论，探索糙率变动规律也成为水力学的重要课题之一。

本文在对已有研究成果进行总结的基础上，对新疆阿勒泰哈巴河县养殖渠人工渠道均匀流糙率影响因素及变动趋势规律进行分析，并对不同水力要素和糙率的关系加以探讨。

1 渠道概况

新疆阿勒泰哈巴河县养殖渠人工渠道位于新疆哈巴河县齐巴尔乡境内，是为哈巴河县冷水鱼养殖产业供水而建设的拦河闸自流引水枢纽工程，渠道尺寸为2000 m×6.00 m×2.00 m（长×宽×深）。

2 实验分析

2.1 流量与糙率的关系

明渠均匀流公式为：

曼宁公式为：

式中：Q 为渠道过水流量，m3/s；A 为渠道过水断面面积，m2；C 为谢才系数；R 为渠道断面水力半径，m；i 为渠道底坡；n 为糙率。

将渠道不同底坡所对应的水深、流量值带入式（3），便可求出不同底坡和流量下所对应的糙率值，结果见表1。

表1 不同底坡和流量下的糙率 单位：10-3

根据表1 的计算结果绘制不同底坡条件下流量糙率（Q-n）关系曲线，具体见图1。由1（a）图可知，当底坡i=0.0005、0.001和0.002 时，糙率n 随流量Q 的增大而逐渐减小，表现为缓流；由图2（b）可知，当底坡i=0.004、0.006 和0.008 时，糙率n 起初随流量Q 的增大而逐渐减小，当达到某一点后又随流量Q 的增大而呈增大趋势，属于急流；而在图1（c）中，当底坡i=0.01、0.02 和0.03 时，糙率n 随流量Q 的增大而呈增大趋势，表现为急流。

由此可见，流态是不同底坡条件下流量与糙率关系的主要影响因素，缓流情况下，糙率随流量增大而呈减小趋势。急流情况下，随流量增大，糙率呈现出两种变动趋势：随流量的增大先是减小，达到某一点后再随之增大；随流量的增大而增大，具体属于哪种情况与弗汝德数Fr 有关[2]。

图1 不同底坡条件下流量糙率（Q-n）关系曲线

2.2 底坡与糙率的关系

绘制不同流量条件下的底坡糙率（i-n）关系曲线，具体见图2，由图可知，流量相同情况下，糙率随底坡增大而增大。当底坡i=0.0005、0.001 和0.002 时，糙率随底坡变化速度较快，结合表1 可知，此为缓流流态；而当底坡i=0.004、0.006、0.008、0.01、0.02 和0.03 时，糙率随底坡变化较为缓慢，结合表1 判断，为急流流态。可见，缓流渠道内，糙率随底坡变化速率较快，而急流渠道内，糙率随底坡变化速率较慢，且糙率不断趋于某一常数。

图2 不同流量条件下的底坡糙率（i-n）关系曲线

2.3 弗汝得数与糙率的关系

断面流速均值与波速之比为弗汝得数Fr，即：

式中：α 为动能调整系数，取α=1.0；v 为断面流速均值，m/s；g 为重力加速度，取g=9.81 m/s2；h 为断面水深均值，m。

弗汝德数所表征的物理意义是水流惯性力和重力之比，所以当水流惯性力大于重力时，Fr＞1，流态表现为急流；而当重力大于水流惯性力时，Fr＜1，流态为缓流；水流惯性力和重力相等时Fr=1，为临界流。

将所测得的哈巴河县养殖渠人工渠道流量、水深等数据带入式（3）和（4）求得相同底坡条件下不同流量所对应的糙率与Fr，具体结果见表2。

表2 相同底坡条件下不同流量所对应的糙率值

由上表计算结果可知，相同底坡条件下，渠道的糙率随弗汝德数Fr 的增大而减小，而且在底坡i 分别为0.0005、0.001、0.002、0.004、0.006、0.008、0.01、0.02 和0.03 时，糙率随弗汝德数Fr 的变动趋势基本一致。

2.4 水深与糙率的关系

所测量出的哈巴河县养殖渠人工渠道的底坡与流量不同情况下水深与糙率的取值情况见表3。

表3 相同底坡条件下不同水深所对应的糙率值

根据表3 的计算结果，流态是影响哈巴河县养殖渠人工渠道糙率与水深变化趋势的主要因素，缓流流态下，糙率随水深h 的增大而减小。急流流态下，当弗汝德数Fr∈(1,1.5)时，糙率起初随水深增大而减小，待水深达到某一高度后便会随水深的增大而增大；当弗汝德数Fr∈(1.5,3.0)时，糙率随水深的增大而增大。可见，糙率与水深之间存在一定的相关关系[3]。

3 结论

本文所进行的阿勒泰哈巴河县养殖渠人工渠道糙率的试验分析结果表明，流态是影响人工渠道糙率的主要因素，缓流时，糙率随流量增大而减小；急流时，随流量增大，糙率呈现出两种变动：一是随流量增大先减小，达到某一点后再增大，二是随流量的增大而增大，后者主要与弗汝德数Fr 的取值有关。此外，糙率的取值及变动趋势还与底坡、弗汝德数、水深等因素有关，流量相同情况下，糙率与底坡变动方向基本一致，缓流渠道内，糙率随底坡变化速率较快，而急流渠道内，糙率随底坡变化速率较慢，而且糙率不断趋于某一常数值。底坡相同条件下，糙率随弗汝德数Fr 的增大而减小。