含植物河道曼宁阻力系数的研究

《含植物河道曼宁阻力系数的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、万方数据2007年儿月水利学报SHUlUXUEBAO第38卷第11期文章编号：0559．9350(2007)ll一1347—07含植物河道曼宁阻力系数的研究唐洪武“2，闰静“2，肖洋“2，吕升奇k2(1水文水赍源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210098；2河海大学水利水电工程学院．扛苏南京210098)摘要：含植物河道的水流阻力不仅仅来源于边壁，传统的曼宁公式不能够直接用来计算这种河道的糙率。本文基于水流阻力等效原则，首次提出了一系列等技水力参数的概念．建立丁等效综合曼宁糙率系数和等教植物附加曼宁系数的计算公式，并给出了能否使用水深代替水力半径的判别参数。使用刚性圆柱棒进

2、行水槽试验，对植物在非淹没和淹没条件下的曼宁系数进行了计算和比较。试验结果验证了理论分析提出的关于判别参数的结论，并且表明使用水深计算的糙率在植物非淹没条件下可以用来表示植物引起的附加阻力。本文提出的等效综合曼宁糙率系数计算公式包含了植物的物理特性，因此具有普遍的应用价值，可以用来进行实际工程中糙率的计算。关蹙词：水流阻力；含植物河道；等效水力参数；等效综合曼宁糙率系数；等效植物附加曼宁系数中图分类号：Tvl43+．5文献标识码：^1研究背景河流、河口和湿地广泛地生长着各种植物，这些植物很大程度上影响了水流阻力，改变了水流结构，影响着泥沙和污染物的运动“。2J。植物是具有生态功能河

3、流的重要特征，在河道综合治理的生态环境效益评估中常作为一项重要指标”’。有效的河流管理需要可靠的阻力计算，因此研究含植物河道的水流阻力问题具有重要的现实意义“。。长期以来，常用的水流阻力公式例如曼宁、谢才和达西一魏斯巴赫方程等在河流水流阻力的分析中得到了较好的应用。许多研究尝试使用这些传统的公式来计算含植物明渠水流的阻力。R”等人”1提出了一套卅豫(U为断面平均流速，冠为水力半径)关系曲线；Pe呻k等人”’提出了由边壁糙率、植物阻力系数c。为参数的曼宁系数计算公式，由于要确定c。，其使用具有局限性；Jan一等人”1及顾峰峰”1表明对于植物非淹没时，n随水深日线性变化。此外，ston

4、e等人”’，Hy嚣elund等人“⋯分别提出了模拟刚性植物的圆柱棒糙元和天然植物的阻力系数G计算公式；J苴rveIa【“o通过水槽实验，分析了天然植物的阻力系数r的影响因素；stephu等人”21将植物类比成沙粒层，以当量沙粒糙率的形式表示柔性植物淹没时的水流阻力。一各种水流阻力系数中，曼宁系数在水流计算和实际工程中使用最广泛。对于含植物河道．水流阻力包括3个部分：床面剪应力，边壁(侧壁)剪应力，植物引起的附加阻力。前两者属于边壁阻力，后者沿水深作用于水体。与无植物明渠相比，含植物明渠的水力半径和能坡难以划分和确定，因此曼宁方程的使用较为复杂。自从1949年，Ree等人使用H作为水

5、力半径，之后的研究基本都采用了n=

6、ljf”J“2儿，(，是能坡)。在无植物的宽浅明渠中，采用月=Ⅳ是合理的，但是对于含植物的河道，采用R=Ⅳ的正确性并未通过理论或实验研究得到证明。收穑日期：2∞7—07．31基金项目：新世纪优秀^才支持计划(Nc口弭0494)；国家白I}!I科学基金(50479068)；河海大学科技创新基金(2013406070)作者简舟：唐洪武(1966一)，江苏建期^．博士．教授．主蓦从事工程泥眇及河藏管理、水抄模拟技术、现代流动测试技术的研究。E-皿mht●嘻@llhu．曲曲一1347—万方数据本文对于植物非淹没、淹没条件下的河道曼宁糙率系数进行了理论分析

7、和实验研究，基于水流阻力等效的原则，提出了等效综合曼宁糙率系数等～系列等效水力参数(例如等效过水断面，等效水深等)，对水力半径同水深、等效综合糙率同传统计算方法得到的糙率的关系也进行了讨论。2理论分析2．1受力平衡分析图l为含植物明渠的示意图，口、B和￡分别为水深、渠宽和植物带沿流向长度，札是植物高度．口为明渠底坡倾角，J为能坡，均匀流条件下，J=sin日；其他符号见下文说明。对于含植物明渠均匀流，受力平衡可以写成：f‘只￡+f。P，工+F肺=R(1)即("。^+¨．L)￡+凡："(眦一罴匕)(2)式中：“、P．、^、^和f-、尸f、A．、L分别为床面和边壁的剪应力、湿周、过水断面

8、面积、能坡；以为源于植物的附加阻力；R为水体沿水流方向的有效重力；7为水的比重；s。为水流方向相邻两排植物的间距；s，为横断面方向相邻两排植物间距；k为单株植物有效排水体积，它包含了植物几何特性和刚度的影响，n=H(z)l，．三，f为植物长度变量；伯(z)植物沿长度的体积函数，^．是植物水下有效高度，植物非淹没条件下^。=日(皿，淹没时^。=且(日；8是植物在水流作用下与床面之间的夹角。聂i；}——～—～。：型幽蟛兰：图l古植物明渠示意(佣视，俯视)由于植物的存在，使