[发明专利]一种基于恒定非均匀流的河道曼宁糙率的测定方法

说明书

本发明涉及一种基于恒定非均匀流的河道曼宁糙率的测定方法，所述方法的步骤如下：设定约束条件；计算控制体沿流向的重力分量；计算控制体上下游过水断面所受动水作用力；计算过水断面湿周；计算综合阻力；建立动量方程；解出综合曼宁糙率。本发明通过理论分析提出的恒定非均匀流条件下天然河道综合曼宁糙率测定方法，全面考虑了水流所受的各项阻力，如河道床面边界阻力和植物附加阻力，充分考虑了天然河道水流的非均匀流特性，使得测定结果更符合真实情况，根据这种理论所计算出的曼宁糙率系数更加精确，更加符合实际设计的需要。

技术领域

本发明涉及一种基于恒定非均匀流的河道曼宁糙率的测定方法，是一种水工测定方法，是一种用于河道设计和原型观测的水工方法。

背景技术

糙率是河道断面的粗糙程度和边壁形状不规则的综合表征，也是表达水流经过河道所受阻力的综合系数，反映了河道工程的设计、施工、管理水平。糙率是决定河道防洪能力的重要参数，实际糙率与设计糙率的微小偏差，将对河道治理工程造价及日后运行管理产生重大影响。通过原型观测准确测定河道的真实糙率，一方面可为复核河道的实际过流能力提供参数；另一方面，通过积累糙率成果，为后续同类型河道防洪设计、施工与管理提供经验。

以往对河道糙率的测定都是基于恒定均匀流，采用曼宁糙率公式获得。而实际上由于水生植物群落分布不均、沿途桥梁的阻水影响、河流断面的不断变化和河势的蜿蜒，天然河流很难形成均匀流，一般为恒定非均匀流状态。按照均匀流方法测定河道曼宁糙率，其结果必定会存在一定偏差和局限性。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种基于恒定非均匀流的河道曼宁糙率的测定方法。所述的方法根据实际河道的恒定非均匀流条件，通过受力分析，提出一种基于恒定非均匀流的河道曼宁糙率测定方法。得到的河道曼宁糙率系数计算公式更符合河道水流的实际情况，得到的曼宁糙率测定结果更为精确。

本发明的目的是这样实现的：一种基于恒定非均匀流的河道曼宁糙率的测定方法，所述方法的步骤如下：

设定约束条件的步骤：用于设定一段生长柔性水生植物的矩形渠道，沿流向取两个过水断面之间长度为L的水体为控制体，建立直角坐标系，x为沿流向方向，y为横向，z为铅垂方向，沿x方向满足动量定理，建立动量公式：

P₁+F_G-F_Vad-F₀-P₂＝ρQ(U₂-U₁)

式中：P₁、P₂为控制体上下游过水断面所受动水作用力；F_G为控制体所受重力沿x方向的分量；F_Vad为控制体所受的植物附加阻力；F₀为无植物时原河床阻力；ρ为水体密度；Q为流量；h₁、h₂和U₁、U₂分别为控制体上下游过水断面的水深和平均流速；

计算控制体沿流向的重力分量的步骤：用于通过公式：

计算控制水体所受重力沿流向x的分量F_G，式中：i为水槽底坡；B为水槽宽度；L为控制体长度；V_V为单株植物的排开水体的体积；M为单位面积内植物株数；

计算控制体上下游过水断面所受动水作用力的步骤：用于使用公式：

分别按静水压力分布计算上下游过水断面所受动水作用力P₁和P₂；

计算过水断面湿周的步骤：用于通过公式：

χ＝B+2h