打开文本图片集
摘要：以模袋混凝土衬砌渠道为研究对象，使用FLUENT数值模拟软件对测流渠道建立二维模型，加载速度、压力和壁面粗糙度等边界条件，模拟渠道的流场，得出同一流量时不同水深的断面流速分布图。研究流量、流速与糙率的关系，以期在实际工作中为正确选择糙率系数提供依据。结果表明：对于模袋混凝土衬砌渠道，流速和流量是糙率的影响因素，通过数据相关性分析，糙率与流速、流量成负相关关系;沿渠底向水面的方向，流速逐渐增大，但是最大流速发生在水面以下，并且横向水流从渠道边壁向中央流动，导致较大流速集中在中间区域。
关键词：渠道;模袋混凝土;流量;流速;糙率
中图分类号：TV135.3
文献标志码：A
doi：10.3969/j .issn. 1000- 13 79.2019.02.034
渠道防渗效果在很大程度上取决于渠道衬砌形式。渠道衬砌的形式多种多样，从衬砌的材料来看，目前普遍采用刚性衬砌（混凝土衬砌）、膜料衬砌、土料衬砌等[1-2]。模袋混凝土是20世纪80年代初从国外引进的一项现浇混凝土技术，采用织物模袋为软模具，通过混凝土泵将砂浆或混凝土充灌进模袋成形，起到护坡、护底、防渗等作用。2003年在河套灌区引进模袋混凝土衬砌渠道技术，对丰济干渠采用模袋混凝土护坡进行弯道整治，取得了良好效果。
测试渠床糙率系数是渠道防渗工程的关键技术之一[3].专家学者采用室内试验与现场原型测试相结合的方法，对糙率的取值及影响因素进行了深入研究。步丰湖等[4]对河套灌区骨干渠道的非均质防渗衬砌结构的糙率进行了测试，同时对均质混凝土衬砌渠道、土渠的糙率进行了测试，提出了不同衬砌渠道结构形式糙率的取值范围和经验公式。何建京[5]对明渠非均匀流糙率系数及水力特性进行了研究。杨岑[6]通过对水力光滑壁面和三种不同粗糙的人工加糙壁面的阻力规律及紊动特性进行研究，得出明渠均匀流中糙率系数与紊动强度的规律。
本文以连续性方程、动量方程、k-ε方程为指导，采用FLUENT数值模拟软件对典型渠道及测流断面建立二维模型[7-8]，加载典型渠道测流断面水力要素、壁面粗糙度等边界条件，计算渠道的流场，研究流量、流速等水力要素与糙率的关系[9-10]，总结模袋混凝土渠道糙率系数的变化规律，以期在实际工作中为正确选择糙率系数提供依据。
1 物理模型
1.1 测流断面水力基本条件
测流渠段及测流断面的选择，应该满足测流渠段平直、水流均匀，纵横断面比较规则、稳定，测流断面与水流方向垂直且附近不应有影响水流的建筑物和树木杂草等[11-12]。通过比较，选取永兰分干渠作为模袋混凝土衬砌断面典型渠道。永兰分干渠开口于永济渠第一节制闸，全长23.8 km，口部设计流量为18 m3/s，最大流量为20 m3/s，全断面铺设15 cm厚土工模袋混凝土防渗衬砌，混凝土强度等级为C25、抗冻等级为F200、抗渗等级为W6。在永兰分干渠二闸至三闸段选择上、下2个测流渠段，间距为1.63 km。测流断面水力要素见表1，衬砌渠道标准断面见图1。
1.2 测量方法和测量结果
上下游渠道断面尺寸、渠底高程、水尺基准点、水面线高程利用水准仪测量，采用水文三等水准测量。在测流断面下游的固定水尺断面上，利用水准仪测出水尺零点与渠底各测点处的高差△h.测深时以水尺读数h加减△h就得到每个测点处的实际水深，据此计算固定水尺断面的过水断面面积。
水面比降观测采用水面水尺，测量上下游两测流桥之间渠段长度，在同一时间观测两测流桥处的水位并详细记录。
测量断面尺寸时，在测流断面上下游5～10 m范围内选择若干断面尺寸取平均值。
测量得出：渠底高程为1 036.654 m.上断面水平线高程为1 040.376 m.下断面水平线高程为1 039.786m，上断面水平线至上断面水位线差值为2.470 m，下断面水平线至下断面水位线差值为2.135 m。
水深测量用测杆直接观读，读数时修正壅水影响的水深误差，即观读水深减去壅水高度。测流时保持测杆铅垂。通过测量得出：平均水深为1.146 m，上、下断面的距离为1 630 m。
流速测量利用悬吊流速仪，采用水文测量规范中的多线精测法。依靠渠段上的闸门控制流量，待流量稳定后进行测量，为了提高数据的准确性，流速精度设为0.000 1m/s。
2 理论模型
2.1 控制方程
以连续性方程、动量方程、k-ε方程为指导，采用标准k-ε湍流模型和VOF方法相耦合进行模拟[13]。连续性方程为
2.2 网格划分及边界条件
以间距为1 630 m的上、下测流断面为研究对象，建立计算模型，导人GAMBIT中，选择四边形网格进行划分，壁面处采用局部加密处理。
选取出口边界条件为压力边界，进口边界为速度边界，上部为大气边界，固体壁面采用标准壁面函数法处理，水气交界面采用VOF方法处理[14]，
3 结果与讨论
3.1 断面流速分布
根据加载的边界条件计算渠道的流场，得出同一流量时不同水深的断面流速分布，见图2—图5。图2～圖5中糙率系数分别为0.023 8、0.022 7、0.023 2、0.023 1。不同糙率系数的模袋混凝土渠道流速分布见表2。
模拟结果表明：沿着渠底向水面的方向，流速逐渐增大，但是最大流速发生在水面以下。动量较小的水体因二次流的作用从渠道边壁移动到中心，故横向水流是从渠道边壁向中央流动，而动量大的水体则是从水面向下移动，使得竖向水流沿着渠道中心线从自由水面向下流动[15]。最终，渠道断面存在二次流的现象导致最大流速的位置处于自由水面以下。
二次流的作用使横向水流从渠道边壁向中央流动，导致沿着左水边向右水边的方向，较大流速集中在左水边和中间区域。
分别加载断面平均速度边界条件依次为0.566 7、0.603 1、0.645 2、0.700 3m/s，流量依次为5.866 7、7.108 9、7.295 7、8.667 0 m3/s，糙率依次為0.023 8、0.022 7、0，023 2、0，023 1。由断面流速分布图可知：最大流速依次为0.577、0.614、0.656、0.713 m/s。
3.2 糙率影响因素分析
选取12组数据，最小流速为0.566 7m/s，最大流速为0.700 3m/s，通过数据拟合，得出糙率与流速的关系（见图6）。由图6可知，随着流速的增大，糙率值逐渐减小。考虑到渠道在实际运行中水流形态比较复杂，有时不满足明渠均匀流条件，为提高计算精度，采用伯努利能量方程推算渠床糙率系数，得出计算公式：式中：△z为上、下游两断面的水位差;A为过水断面面积;v1、v2分别为上、下两断面平均流速;Q为流量;R为水力半径;g为重力加速度。
可以看出，当下断面流速增大时，糙率减小，从而验证了数据的正确性。
选取12组数据，最小流量为5.866 7 m3/s，最大流量为8.877 2 m3/s，通过数据拟合，得出糙率与流量的关系（见图7）。由图7可知，随着流量的增大，糙率值逐渐减小。从公式中也可以看出当流量增大时，糙率减小。
4 结论
采用FLUENT数值模拟软件对典型渠道及测流断面建立二维模型，选择四边形网格划分，加载典型渠道测流断面水力要素、壁面粗糙度等边界条件，计算渠道的流场，得出断面流速分布图。根据实测的12组数据，分别绘制了糙率与流速、流量的关系图，得出以下结论。
（1）对于模袋混凝土衬砌渠道，流速是糙率的影响因素之一，通过数据相关性分析，糙率与流速成负相关关系。通过伯努利能量方程推算的渠床糙率系数计算公式验证了糙率值随着流速的增大而逐渐减小的规律。
（2）对于模袋混凝土衬砌渠道，随着流量的增大，糙率值逐渐减小，和公式验证的规律是一致的。通过数据相关性分析，糙率与流量成负相关关系。
（3）二次流的作用使沿渠底向水面的方向流速逐渐增大，但是最大流速出现在水面以下，并且横向水流从渠道边壁向中央流动，导致较大流速集中在中间区域。
参考文献：
[1]段文刚，黄国兵，何东，混凝土渠道糙率原型观测[J].人民珠江，2001，22（5）：7-8.
[2]徐卫东，群潜坝对河道糙率影响的数值模拟研究[D].太原：太原理工大学，2011：2-5.
[3] 赵锦程，人工渠道糙率影响因素的试验研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2013：1-6.
[4] 步丰湖，张红岐，王庆文，等，衬砌渠道糙率取值方法的研究[J].内蒙古水利，2007（4）：144-146.
[5] 何建京，明渠非均匀流糙率系数及水力特性研究[D].南京：河海大学，2003：94-95.
[6] 杨岑，明渠均匀流糙率系数及紊动特性试验研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2010：50-51.
[7]杨开林，汪易森，提高渠道糙率率定精度的方法[J].南水北调与水利科技，2011，9（6）：1-15.
[8] 郑小玉，溢洪道水力特性的数值模拟及试验研究[D].成都：四川大学，2004：11-12.
[9] 张小峰，元媛，赵梓涵，糙率减小与洪峰增值关系的数值模拟研究[J].泥沙研究，2014（6）：36-43.
[10] 拜亚茹，明渠均匀流人工加糙壁面绝对粗糙度与糙率关系试验研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学，2015：1-5.
[11]高杨.U形渠道水力特性及测流试验研究[D].杨凌：西北农林科技大学，2011：2-10.
[12] 严军，王二平，孙东坡，等，矩形断面明渠流速分布特性的试验研究[J].武汉大学学报（工学版），2005，38（5）： 57-62.
[13] 张光碧，邓军，刘超，等，河道水流三维流速场的数值模拟研究[J].四川大学学报（工程科学版），2007，39（1）： 58-62，
[14] 吴持恭，水力学[M].北京：高等教育出版社，2007：143-150.
[15] 雒天峰，吕宏兴.U形渠道断面流速分布规律的初步研究[J].灌溉排水学报，2006，25（2）：12-14.
