5）沿钢槽设纵向设置5个观测断面，即以溢流板为原点向槽身下端0.5、1.5、2.5、3.5、4.5 m共设计5个观测断面。其中，每个观测断面的横向均选取-15、0、+15 cm（相对于水槽纵轴）3个测点，采用潍坊金水华禹生产的SLZ60型水位测针（精度0.1 mm）测量水深，取3次测量值的平均值，然后减去本试验工况中粘贴砂粒直径的1/2，所得结果为该工况的断面平均水深h。

6）本试验采用4个可调式流量供水器来实现供水流量，4个流量供水器的流量调节范围分别为0～12、5～15、5～20、10～40 L/min。当流量较小的时候用第1个可调式流量供水器，其余的情况的都是通过这4个供水器的排列组合提供。在钢槽的来流端配置了1套试验稳流装置，包括稳流箱、溢流板、稳流栅、稳流板4个部分。通过这4部分的配合，可以将水流平顺的过渡到槽面，消除进口扰动，减小试验误差。

1.2 水力参数计算

断面平均流速。平均流速是坡面薄层水动力学要素中一个非常重要的指标，是衡量水流强度的主要指标。依据水力学中水流连续性方程，断面垂线平均流速u可采用实测断面平均水深h来求解，其计算公式[24]为

（1）

式中u为断面平均流速，m/s；Q为试验流量，m3/s；h为实测断面平均水深，m；b为水槽宽度，m，本实验取0.5 m。

水流雷诺数。水力学二元流雷诺数[18]可表示为

（2）

式中R为水力半径，m，采用水深近似代替；ν0为水流运动黏性系数，cm2/s，采用泊谡叶公式计算

式中t为水温，℃。

Darcy-Weisbach阻力系数[24]λ为：

（4）

式中S为水力坡度，近似取水槽坡度；g为重力加速度，取9.81 m/s2。

摩阻流速[18]为：

（5）

式中u*为摩阻流速，m/s。

黏性底层厚度[18]为：

（6）

式中δ为黏性底层厚度，m。

绕流雷诺数Red[11]为：

（7）

式中ks为粗糙度系数，m。

水流佛汝德数Fr。明渠水流理论Fr [24]计算公式为

（8）

临界水深hk

式中α为综合修正系数，它与流速的分布密切相关，流速分布越均匀综合修正系数越大，通常hk的取值范围1.4~1.6，考虑坡面流流速分布均匀的特点，这里将坡面流简化为宽浅水流[11]，取综合修正系数1.5，则临界水深的计算公式

（10）

式中hk为临界水深，mm；q为单宽流量，L/(s·m)。

2 结果与分析

2.1 粗糙度和雨强对阻力的影响

对于人工加糙条件下坡面流水动力特性的研究已屡见不鲜[23-25]，而糙度对坡面薄层水流阻力特性的影响，目前没有明确的定论。为了更加明晰糙度对坡面流阻力特性的影响，将本试验的数据同敬向锋等[7]、张宽地等[2]的部分试验数据点绘于图1。文献[2,7]的试验数据均是在无降雨条件下，坡度为15.0°时，采用粘贴砂粒及水纱布加糙的方法获得的。

注：ks=0,2.5,7.5数据来自文献[7]；ks=0.245数据来自文献[2]；Re=580表示下临界雷诺数，Re=6 500表示上临界雷诺数；λ为阻力系数；下同。Note: ks=0, 2.5, 7.5 data form reference[7]; ks=0.245 data form reference [2]; Re=580 indicates the below critical Reynolds number, Re=6 500 indicates the upper critical Reynolds number; λ is resistance coefficient; Same as below.图1 粗糙度对薄层水流增阻的影响Fig.1 Influence of roughness on flow resistance increase of thin layer

由图1可以看出，当糙度ks≤1.77 mm时，随着糙度的不断增加，坡面流阻力系数的数据点离层流线λ=96/Re[24]和紊流线λ=0.316 4/Re0.25[24]的距离愈来愈远，即阻力系数愈来愈大；当ks>1.77 mm时，随着糙度的增加，阻力系数随着雷诺数的增加呈现震荡稳定趋势。究其原因，从坡面薄层水流的阻力分割的角度分析，坡面流阻力是由颗粒阻力、形态阻力、波阻力、降雨阻力组成，阻力的最终表现是这4种阻力相互耦合、影响的结果。考虑到本组试验是在定床、无降雨条件下完成的，故暂且不考虑波阻力和雨强阻力的影响。当糙度ks≤1.77 mm时，水流漫过颗粒的最上端，阻力形式以颗粒阻力为主，随着粒径的增大，绝对糙度增大，阻力系数变大；当糙度ks>1.77 mm时，水流绕过颗粒运动，颗粒阻力与形态阻力此消彼长，随着粒径的增大，绕流阻力基本保持相对稳定。此外，水流漫过颗粒产生的是横轴涡旋，横轴涡旋的向上扩散会产生竖向脉动，横轴涡旋受颗粒大小的影响比较大；而水流绕过大颗粒将会产生竖轴涡旋，水流内部结构会变得更加紊乱，受颗粒大小的影响不太显著。

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0128/484.html

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