【摘 要】
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我国是农业大国,其中灌溉面积约占全国耕地面积50%。灌区输配水离不开渠道、渡槽、涵洞等水工建筑物。由于我国北方气候寒冷干燥,原来的混凝土等材料衬砌的渠道易受冻胀破坏,且经过长时间的运营,渠道出现抹面脱落等现象,加大了渠道边壁糙率值,从而降低了过流能力,使得灌区的经济效益不能充分发挥。近些年内,为解决过流能力不足的问题,针对渡槽特殊的拉杆结构,国内提升渠道过流能力从改扩建转向使用降糙的新材料。但是,
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我国是农业大国,其中灌溉面积约占全国耕地面积50%。灌区输配水离不开渠道、渡槽、涵洞等水工建筑物。由于我国北方气候寒冷干燥,原来的混凝土等材料衬砌的渠道易受冻胀破坏,且经过长时间的运营,渠道出现抹面脱落等现象,加大了渠道边壁糙率值,从而降低了过流能力,使得灌区的经济效益不能充分发挥。近些年内,为解决过流能力不足的问题,针对渡槽特殊的拉杆结构,国内提升渠道过流能力从改扩建转向使用降糙的新材料。但是,目前衬砌新材料以及渠道内壁的糙率系数大多依据经验取值,本文总结了国内水利工程中常用的SCL防渗膜和SK刮涂聚脲以及糙率系数研究的进展,以宁夏境内扬水灌区经过降糙材料衬砌改造的渡槽为研究对象,依次展开相关的原型观测与数值模拟。主要的研究成果如下:（1）分别在红寺堡、盐环定和固海扬水灌区选取上麻黄沟、通山沟、鸭爪子沟、红井坑以及长山头渡槽展开糙率系数原型观测试验。依据恒定流公式,结合流态判定以及不同的水力坡降等条件,得到恒定均匀流条件下渡槽现状糙率均值分别为0.01287（水面坡降）、0.01426（设计比降）、0.01459（实测槽底比降）;SCL防渗膜改造后渡槽平均糙率分别为0.01115（水力坡降）、0.01344（设计比降）、0.01320（实测槽底比降）;SK刮涂聚脲改造后平均糙率分别为0.01060（水力坡降）、0.01180（设计比降）0.01086（实测槽底比降）。而恒定非均匀流下,红寺堡典型渡槽现状平均糙率为0.01324,SCL防渗膜改造的平均糙率为0.01179,SK刮涂聚脲改造后渡槽的平均糙率值为0.00974。不论是恒定均匀流还是非均匀流,两种降糙材料均能很好的达到降糙的效果。（2）通过HEC-RAS建立一维水力建模,率定渡槽的现状糙率值为0.0131,经过SCL防渗膜的糙率值为0.0115,而SK刮涂聚脲的糙率值为0.0098。与经验公式计算的糙率值相比较,在实际的工程应用中,确定糙率系数可根据水面线的变化,采用恒定非均匀流公式或者采用通过水力坡度反算的恒定均匀流糙率公式。（3）通过率定的糙率值,对两种降糙材料从降糙增流以及施工流程等进行对比,得出:SK刮涂聚脲降糙增流的效果优于SCL防渗膜,同时其施工简易,各项性能也优于SCL防渗膜,因此在今后渡槽的更新改造方面,可优先考虑使用SK刮涂聚脲进行喷涂。（4）推导了不同断面形式以及不同流态下糙率系数的测定误差公式,并对各渡槽糙率系数的计算进行误差以及敏感性分析。计算结果表明:各典型渡槽在满足最小的精度水平下,其糙率系数相对误差值均小于20%,说明实测结果可靠,推算的糙率值可用于工程实际。同时无论是恒定均匀流还是恒定非均匀流,糙率系数均对水深的敏感性较高,尤其在非均匀流条件下,其对下游水深最为敏感,因此为保障推算的糙率值可用于工程实际,除了提高测流精度外,更应注重提高水深的测量精度,尤其是下游水深测量,宜采用更加精密的仪器进行测量。（5）运用Fluent对渡槽进口段进行水流的数值模拟,上游采用流速入口条件,下游为自由出流,通过有限体积法离散控制方程,速度和压力场耦合采用SIMPLE,RNG κ-ε模型等对过渡段的水流进行三维数值模拟。模拟结果与实测数据基本吻合,并且研究结果表明:糙率值的变化会影响渠道水面线,降低了渡槽入口端的水面线,同时在渡槽与过渡段的接口处,水流流速较大,对壁面的冲刷也较大,因此在施工设计时,可将其设计成弧型,平滑的过渡水流流线,减小此处水流的冲刷强度。
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