淮河干流河工模型糙率模拟试验研究

武心嘉 白夏

摘要：通过水槽均匀流试验，研究了梅花形排列的十字片在不同尺寸、排列间距和水深条件下的六种粘贴加糙方案.结果表明：相同大小的糙片，其糙率值随着排列间距的增大而减小;而同一排列间距的糙片，其糙率值则随着水深的增大而减小.制作淮河干流正阳关至涡河口段河工模型的河道主槽，适合采用间距为10cm的小糙片进行加糙模拟;该段河工模型的滩地，适合采用间距为11.5cm的大糙片进行加糙模拟.

关键词：梅花形排列;十字片;糙率模拟;河工模型

中图分类号：TV143  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2019）06-0103-05

为提高淮河中游正阳关至涡河口河段的防洪除涝标准，需采用河工模型试验进行分析.由于受实验场地、模型水深以及水流形态等的影响，为避免建造过大模型，同时保持基本的流动相似条件，模型在水平方向和垂直方向上需采用不同的比尺，就成了变态模型[1].经模型变态后，模型糙率值大于原型糙率，因此需要进行模型加糙[2-3].由于本项加糙技术相关研究尚不够深入充分，需开展“淮河干流河工模型糙率模拟技术研究”，对这种十字片糙体进行水力阻力特性专门水槽试验.

淮委水科院梁斌等[4-5]对梅花型十字片加糙技术进行试验论证，认为其糙率值较大，进入阻力平方区时雷诺数小，糙体自身体积小、排列密度小、对于不同方向水流糙率各向均匀性较好，能较好地解决了大变态非恒定流河工模型的加糙问题.徐华等[6]研究了梅花形布置的三角橡皮块，在不同粘贴方向、厚度、间距和水深条件下对糙率的影响，并将试验成果应用于长江河口段河工模型，较好地复演了该段水流运动规律.Carvalho等[7]在排水系统物理模型中使用了平板加糙技术，研究水流在不同厚度、间距和高度的平板加糙情况下的流动特性.孙东坡等[8]利用在有机玻璃上贴膜的方式，对水力模型加糙处理，研究了三种加糙膜的糙率特性.赵海镜等[9]开展了草垫加糙的研究试验，计算草垫加糙可得到的糙率范围，并将该方法应用到滦河迁安段综合整治水力模型.李甲振等[10]在分析了点块型加糙、条带型加糙和膜片型加糙三种方法后，得出结论：在多种加糙方式里，对于河道槽蓄量对水流水力特性影响较大的模型，建议使用梅花形十字板加糙.综上，在明渠水流试验中，加糙方法有多种，而常规加糙块体体积较大，会影响槽蓄量和水流流速分布，难以满足淮干主河槽和滩地的河工模型大糙率值要求.因此本文拟在淮河流域河工模型的研究基础上，对淮河正阳关至涡河口河段的模型采用梅花型十字片加糙，通过水槽试验确定满足淮干主河槽和滩地糙率模拟的糙片形状、尺寸、排列密度、糙率计算方法等设计参数，为河工模型制作提供参考依据.

1 试验水槽布置及试验方案

试验在长35m、宽0.80m、高0.90m的混凝土水槽中进行.水槽底部固定坡降为1：1000，试验水槽湿周各部分糙率不同，有效测试段一边为玻璃，另一边为光滑水泥面，底部则为加糙的水泥面.在槽底埋设紫铜管，用来测量水面落差;水位共用21根测针测量;流量用矩形堰（小流量换为直角三角堰）量测.用智能红外传感流速仪测量断面流速，并根据断面各点流速积分所求出的流量与量水堰所测流量进行校核，相对误差小于5%.模型由两台轴流水泵供水，采用80cm等宽矩形堰测量进口流量.模型进口部分包括前池和稳流区，尾部设竖板闸门调节出口水位以保持恒定均匀流[11].

十字片由塑料厂家定型生产，用强力胶粘结于槽底，片厚0.5mm.十字片的边长为b（所采用的十字片长、宽边长相等），高为△，相邻两糙片间距为L，纵向排列间距约为0.866L.根据已开展的淮河局部河工模型的实践经验，选取两种常用尺寸规格的十字片，十字片的長、宽、高分别为b×b×△=2.0×2.0×1.5（单位cm，简称小糙片）和b×b×△=2.5×2.5×1.8（单位cm，简称大糙片）.十字片采用两片相同尺寸的塑料片垂直相交构成，并用梅花形排列方式粘贴铺设，见图1.制作河道地形时在水泥床面干燥情况下将糙片用力得牢胶水粘于模型河床.

2 糙率计算

根据淮河干流正阳关至涡河口段的河工模型资料，原型主槽水深12.5m，原型滩地水深4.8m.由于淮河该段河工模型垂直比尺为1：60，计算得出设计水位条件下平均主槽水深h主槽=20.83cm，平均滩地水深h滩地=8cm，因此水槽试验水深取值范围为7.5cm～25.5cm.

淮河干流正阳关至涡河口段河工模型平面比尺为1：300，垂直比尺为1：60，糙率比尺为1：0.885.根据实测资料，淮河中游干流河道，一般主槽糙率平均值为0.0215，滩地糙率平均值为0.0335，经模型变态后糙率变大，模型中主槽糙率nm1=0.0237～0.0249、滩地糙率nm2=0.0305～0.0418[3].

对于明槽恒定均匀流，其过水断面的形状和大小、流速、流量和水深，沿流程不变，其水力坡度J、水面坡度Jp、水面线坡度Jw和渠低坡度i相等，即J=Jp=Jw=i.处于紊流阻力平方区的明槽恒定均匀流，可采用谢才公式[13]计算：

3 不同加糙试验结果

3.1 试验组次及控制参数

试验时，变化流量Q，对每一流量调节尾门使水流达到或接近均匀流，然后测量各断面水深、流速和落差.对接近均匀流的组次控制在公式（7）范围内：

×100%≤5%  （7）

式中：Hmax——最大断面水深;Hmin——为最小断面水深;Hp——为平均断面水深.

试验中小糙片间距分别为L=6、8、10cm，大糙片间距分别为L=7.5、10、11.5cm，相邻两行糙片的排列方向不同，均按图1方式摆列，试验水深控制在8.0cm～25.0cm范围内，得出两种糙片不同堰流量下的糙率值.试验过程中测量各断面水深、流速和落差等水力参数，以分析计算不同加糙方案的糙率值，试验组次及控制参数见表1.

3.2 小糙片的试验结果

3.2.1 间距L=6cm

采用小糙片尺寸b×b×△=2.0×2.0×1.5cm，间距6.0cm，纵向排列间距取5.2cm，得出该加糙方式下的糙率值见表2.试验表明，该加糙方式糙率为0.0367～0.0455.

3.2.2 间距L=8cm

采用小糙片尺寸b×b×△=2.0×2.0×1.5cm，间距8cm，纵向排列间距取6.9cm，得出该加糙方式下的糙率值见表3.试验表明，该加糙方式糙率为0.0315～0.0371.

3.2.3 间距L=10cm

采用小糙片尺寸b×b×△=2×2×1.5cm，间距10cm，纵向排列间距取8.7cm，得出该加糙方式下的糙率值见表4.试验表明，该加糙方式糙率为0.0245～0.0299.

3.3 大糙片的试验结果

3.2.1 间距L=7.5cm

采用大糙片尺寸b×b×△=2.5×2.5×1.8cm，间距7.5cm，纵向排列间距取6.5cm，得出该加糙方式下的糙率值见表5.试验表明，该加糙方式糙率为0.0442～0.0563.

3.2.2 间距L=10cm

采用糙片尺寸b×b×△=2.5×2.5×1.8cm，间距10cm，纵向排列间距取8.7cm，得出该加糙方式下的糙率值见表6.试验表明，该加糙方式糙率为0.0355～0.0469.

3.3.3 间距L=11.5cm

采用糙片尺寸b×b×△=2.5×2.5×1.8cm，间距11.5cm，纵向排列间距取9.6cm，得出该加糙方式下的糙率值见表7.试验表明，该加糙方式糙率为0.0321～0.0418.

3.4 结果分析

实验表明，随着水深的增加，表现出的糙率值会减小.根据表2～表4以及表5～表7可分别绘出小糙片和大糙片在三种不同间距下糙率与水深关系曲线，如图2、图3.由图可以看出，相同大小的糙片，其糙率值随着排列间距的增大而减小;而同一排列间距的糙片，其糙率值则随着水深的增大而减小，且随水深增加而减小的幅度越来越小，糙率n最终将趋于一个定值.

小糙片的三种排列间距中L=10cm槽底糙率范围最小n3=0.0245～0.0299.河工模型的主槽糙率nm1=0.0237～0.0249，且根据模型制作要求，应选取糙率值适当大于计算糙率，便于试验过程中对糙率进行调整，故可采用间距10cm的小糙片对模型主槽加糙.同理，大糙片中间距L=11.5cm的槽底糙率范围n3=0.0321～0.0418，与河工模型中的滩地糙率nm2=0.0305～0.0418最为接近，故可采用间距11.5cm的大糙片进行模型滩地加糙.

4 结论

（1）制作淮河中游河段的河工模型，采用梅花型十字片加糙技术是较合适的，能满足变态河工模型大糙率值的要求，且十字片加工铺设方便，造价较低.

（2）通过试验研究了大小两种糙片在不同间距下的槽底糙率值，表明相同大小的糙片，其糙率值随着排列间距的增大而减小;同一排列间距的糙片，其糙率值则随着水深的增大而减小.淮河正阳关至涡河口河段采用间距为10cm的小糙片即可模拟河道主槽不同的糙率值，滩地糙率可采用间距11.5cm的大糙片进行模拟，具体制作河工模型时仍需进一步调整.

参考文献：

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