蘇 怡，胡笑濤，王文娥，劉海強(qiáng)，薛 城

(西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

灌區(qū)量水是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化的重要手段，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究開發(fā)，我國(guó)在平原灌區(qū)底坡較平緩的渠道量水設(shè)施領(lǐng)域取得了大量成果[1,2]。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和灌區(qū)改造的推進(jìn)，U形渠道因其水力條件優(yōu)越、輸水輸沙能力強(qiáng)、節(jié)省耕地等優(yōu)點(diǎn)[3-6]被廣泛應(yīng)用于斗渠及其以下渠道，其量水設(shè)施研發(fā)也得到了發(fā)展，如U形渠道拋物線形喉口式量水槽[7]、圓頭量水柱[8,9]、U形渠道直壁式量水槽以及U形(圓底形)喉道測(cè)流槽[10]等，這些量水設(shè)施主要適用于底坡小于1/2 000的緩坡渠道。甘肅河西走廊地區(qū)綠洲主要位于祁連山山前坳陷帶，地面坡度大，引祁連山雪山融水灌溉，灌溉渠道底坡大，當(dāng)?shù)匦⌒颓蓝酁閁形斷面，底坡一般為1/150～1/200，目前對(duì)于底坡較大的U形渠道量水設(shè)施研究非常匱乏。因此，本文根據(jù)U形渠道斷面特點(diǎn)，針對(duì)渠道底坡較大時(shí)的測(cè)流要求，設(shè)計(jì)了9種尺寸的斜坎量水堰，在U形渠道進(jìn)行了過(guò)流試驗(yàn)，探索其水力性能及影響因素，為灌區(qū)量水設(shè)施應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 斜坎量水堰設(shè)計(jì)

渠道底坡較大時(shí)，渠道內(nèi)水流流速較大，不易造成淤積，可以通過(guò)抬高局部渠道底部高程形成斜坎量水堰，進(jìn)行渠道流量測(cè)量。水流在量水堰上游時(shí)因堰的頂托作用水位壅高，由于堰頂與渠道底部存在一定高差，水流通過(guò)堰頂后，在重力作用下自然下泄，水面線下降，在此過(guò)程中，在量水堰堰頂附近將形成臨界流，可通過(guò)臨界流水位與流量關(guān)系穩(wěn)定進(jìn)行渠道流量測(cè)量。該斜坎量水堰體型參數(shù)包括堰高P和量水堰相對(duì)于渠道底部的坡度tanθ，由這兩個(gè)參數(shù)可計(jì)算得到堰長(zhǎng)L，如圖1。

圖1 斜坎量水堰測(cè)流示意圖(Ⅰ～Ⅷ為測(cè)流斷面)Fig.1 Sketch map of flow measurement for the simple measuring weir(Ⅰ～Ⅷ are the gaging sections)

渠道斷面在設(shè)置量水堰的局部位置變小，即發(fā)生垂向收縮，其收縮量直接影響到水面線的變化，可以使用收縮比反映該值。斜坎量水堰收縮比ε定義為最大堰高處斷面面積Ac與渠道襯砌斷面面積A0之比，即ε=Ac/A0。根據(jù)臨界流原理設(shè)計(jì)的量水槽試驗(yàn)表明，在底坡較緩的渠道上收縮比在0.5～0.75范圍內(nèi)[8,11,12]時(shí)精度較高，因試驗(yàn)所用渠道坡度為1/200，本文將收縮比適當(dāng)增大。試驗(yàn)采用3種不同的量水堰坡度，每個(gè)坡度設(shè)計(jì)3個(gè)收縮比(即3個(gè)堰高)，共9種體型斜坎量水堰，渠道尺寸及量水堰基本體型參數(shù)見(jiàn)表1及表2。

表1 U形渠道斷面參數(shù)Tab.1 Section parameters of the U-shaped channel

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)水工廳進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括泵房、高位水池、穩(wěn)水池、調(diào)節(jié)閥門、供水管道、U形渠道(渠道比降可調(diào)節(jié))、斜坎量水堰、尾門、地下回水渠道等。本試驗(yàn)流量范圍為12～26 L/s，渠道底坡調(diào)為1/200。回水渠道段設(shè)三角形量水堰，以量測(cè)過(guò)槽流量。斜坎量水堰上下游各測(cè)點(diǎn)水位通過(guò)SCM60型水位測(cè)針測(cè)量，精度為0.1 mm。試驗(yàn)渠道為有機(jī)玻璃U形渠道，渠道綜合糙率n取0.011。

本次試驗(yàn)在8種不同流量工況(25.78、23.82、21.98、19.66、16.90、15.60、14.27、12.55 L/s)下進(jìn)行9種不同體型斜坎量水堰的量水試驗(yàn)，在試驗(yàn)中共取了10個(gè)過(guò)水?dāng)嗝鎭?lái)測(cè)量相關(guān)水力性能參數(shù)，距離渠道首斷面3 m和9 m處分別設(shè)置上游斷面(Ⅸ斷面)、下游斷面(Ⅹ斷面)測(cè)點(diǎn)，以量水堰最大堰高處的斷面為基準(zhǔn)，按距該斷面的距離(負(fù)數(shù)表示測(cè)點(diǎn)位于最大堰高的上游，正數(shù)表示測(cè)定位于最大堰高下游，0表示最大堰高所在斷面)從上游到下游依次編號(hào)Ⅰ-Ⅷ斷面，見(jiàn)圖1。各測(cè)點(diǎn)斷面具體位置見(jiàn)表3。

表2 斜坎量水堰的基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of the simple measuring weir

試驗(yàn)中采用直角三角形薄壁堰測(cè)量實(shí)際流量，經(jīng)驗(yàn)實(shí)際流量計(jì)算公式為式[6](1)。

Q=1 343H2.47

(1)

式中：Q為流量，L/s；H為直角三角形薄壁堰的堰上水頭，m。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水面線

水面線能直觀的反映水流沿程變化情況，是判別水流是否平穩(wěn)的重要依據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程中可以看出，當(dāng)水流趨近U形渠道斜坎量水堰堰頂時(shí)，水面逐漸下降，流線收縮、流速增大，經(jīng)過(guò)量水堰時(shí)，溢流水面不受任何約束，水面明顯降落。8種流量條件下不同體型斜坎量水堰的過(guò)堰水面線變化趨勢(shì)一致，以Q=25.78 L/s和Q=16.90 L/s為例繪制安裝不同體型斜坎量水堰時(shí)的水面線(見(jiàn)圖2)。

表3 各控制斷面距量水堰最大堰高處的距離

由圖2可以看出，過(guò)堰流量Q一定時(shí)，隨著堰高和上游堰坡的增大，水深增加；斜坎量水堰上游堰坡坡度相同時(shí)，水深在斜坎量水堰最高斷面上游段隨量水堰堰高的增加而增大，堰高相同時(shí)上游堰坡越大水深越大。從圖中也可以看出，堰高對(duì)水深的影響較量水堰坡度大。水流在最大堰高斷面上游1 cm處(斷面Ⅲ)時(shí)由平穩(wěn)變?yōu)榫徛陆?，在最大堰高斷面下? cm(斷面Ⅳ)～5 cm(斷面Ⅴ)之間水面迅速下降，由緩流流態(tài)變?yōu)榧绷鳎溥^(guò)渡段出現(xiàn)臨界流，經(jīng)過(guò)量水堰后水面線繼續(xù)下降，通過(guò)水躍與下游水面銜接。在陡坡條件下水流紊動(dòng)明顯，水頭損失較大。

圖2 不同流量下不同體型斜坎量水堰的水面線對(duì)比Fig.2 Comparison of water surface profiles on different shapes of the simple measuring weir and different discharges

2.2 水深流量關(guān)系

斜坎量水堰的水力要素及流體物理性質(zhì)等因素對(duì)過(guò)堰流量會(huì)有影響，函數(shù)關(guān)系式為:

f1(B,v,g,μ,σ,ε,tanθ,h,ρ)=0

(2)

式中：Q為流量，L/s；B為水面寬度，m；g為重力加速度，m/s2；μ為動(dòng)力黏度，N·s/m2；σ為表面張力系數(shù)，N/m；ε為量水堰收縮比；tanθ為量水堰逆坡坡度；h為控制點(diǎn)水深，m；ρ為密度，kg/m3。

運(yùn)用π定理根據(jù)量綱分析原理得：

(3)

式中：Fr為佛汝德數(shù)；Re為雷諾數(shù)；We為韋伯?dāng)?shù)。因表面張力在h>30 mm時(shí)對(duì)流量的影響很小，故韋伯?dāng)?shù)We在本實(shí)驗(yàn)條件下的分析中可以忽略。本實(shí)驗(yàn)中水流紊動(dòng)較為顯著，黏滯效應(yīng)相對(duì)于重力效應(yīng)較小，分析中也可以忽略不計(jì)。令式(3)右邊為流量系數(shù)m，得流量公式：

Q=mh2.5g0.5

(4)

根據(jù)式(4)可以看出斜坎量水堰的流量與上游水深有一定關(guān)系，通過(guò)分析試驗(yàn)所得不同流量下，上游各斷面的水深與流量的關(guān)系，確定其中水深交穩(wěn)定，與流量關(guān)系良好的斷面作為該量水堰流量的測(cè)流斷面。通過(guò)對(duì)9種體型斜坎量水堰的水深-流量關(guān)系的乘冪關(guān)系進(jìn)行擬合，圖3給出了高10 cm、tanθ為1/8的量水堰8個(gè)斷面水深與流量的關(guān)系，經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)斷面Ⅲ(斜坎量水堰最高斷面上游1 cm處)最為穩(wěn)定，因此以斷面Ⅲ的水深作為量水堰測(cè)流水深。繪制不同體型的斜坎量水堰斷面Ⅲ水深-流量關(guān)系，如圖4，可以看出水深和流量的相關(guān)系數(shù)較高，最高達(dá)到0.992，且量水堰堰高對(duì)水深影響較為明顯。

圖3 斜坎量水堰(h=10 cm tanθ=1/8)水深與流量關(guān)系Fig.3 Relations of depth of control section and discharges of the simple measuring weir(h=10 cm，tanθ=1/8)

圖4 不同體型斜坎量水堰水深(斷面Ⅲ)與流量關(guān)系Fig.4 Relation of depth of control section (section 3)and discharge of different shapes of simple measuring weirs

2.3 流量計(jì)算公式

根據(jù)量綱分析結(jié)果可知流量系數(shù)m與h/B、簡(jiǎn)易量水堰收縮比ε以及量水堰相對(duì)坡度tanθ有關(guān)，通過(guò)spss擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得坡度為1/200的U型渠道自由出流的時(shí)簡(jiǎn)易量水堰測(cè)流公式：

(5)

R2=0.954

式中：Q為流量，L/s；h為量水堰斷面Ⅲ處的水深，m；R為復(fù)相關(guān)系數(shù)。將計(jì)算流量與直角三角形薄壁堰所得實(shí)測(cè)流量比較，見(jiàn)表4，可以看出量水堰堰高為10、15、20 cm時(shí)計(jì)算流量與實(shí)際流量值基本相符，誤差基本分布在±8%以內(nèi)；量水堰堰高h(yuǎn)=5 cm時(shí)，因形成淹沒(méi)出流計(jì)算誤差較大，最大誤差為21.74%，故實(shí)際應(yīng)用中量水堰堰高應(yīng)大于5 cm。根據(jù)灌區(qū)量水精度要求特設(shè)量水設(shè)施誤差不超過(guò)10%，本研究所建立的斜坎量水堰流量公式可以滿足小流量測(cè)流的精度要求，且形式簡(jiǎn)單，方便基層工作者使用。

表4 計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)比Tab.4 Comparison of calculated and measured discharge

2.4 上游壅水高度

壅水是指因水流受阻而產(chǎn)生的水位升高的現(xiàn)象，渠道斷面經(jīng)斜坎量水堰收縮后會(huì)造成上游壅水，在渠道過(guò)流量較大時(shí)壅水過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致水流溢出渠道，故壅水高度也是影響量水堰量水精度的重要因素之一。圖5為不同體型斜坎量水堰在不同流量下的壅水高度，由圖可以看出量水堰越高，壅水越高，壅水高度均在20 cm以下。因斜坎量水堰堰高對(duì)上游壅水的影響較大，通過(guò)對(duì)上游壅水水深和流量以及量水堰收縮比進(jìn)行擬合得到以下關(guān)系式：

h′=0.460Q0.103ε0.512R2= 0.961

(6)

以上游壅水高度小于10 cm且保證自由出流為標(biāo)準(zhǔn)[13]，得到在底坡為1/200的渠道上，斜坎量水堰適宜收縮比為0.867～0.951，堰長(zhǎng)L為堰高P的10～12倍。

圖5 不同流量下不同體型斜坎量水堰壅水高度 Fig.5Upstreambackwaterofthesimplemeasuringweirunderdifferent shapesanddifferentdischarges

3 結(jié)果與討論

本文針對(duì)底坡較陡的U形渠道量水設(shè)施缺乏，設(shè)計(jì)了U形渠道斜坎量水堰，通過(guò)對(duì)9種不同體型的斜坎量水堰在4種不同流量工況下的自由出流試驗(yàn)，結(jié)合理論分析對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，得到以下結(jié)果：

(1)水流趨近U形渠道斜坎量水堰堰頂時(shí)，水面逐漸下降，流線收縮、流速增大，經(jīng)過(guò)量水堰時(shí)，水面明顯降落。過(guò)堰流量Q一定時(shí)，隨著堰高和上游堰坡的增大，沿程水深均增加；斜坎量水堰上游堰坡坡度相同時(shí)，水深在斜坎量水堰最高斷面上游段隨量水堰堰高的增加而增大，堰高相同時(shí)上游堰坡越大水深越大；堰高對(duì)水深的影響較量水堰坡度大；

(2)斜坎量水堰收縮比在0.645～0.951范圍時(shí)，收縮比對(duì)上游壅水高度的影響大于量水堰坡度對(duì)壅高的影響，收縮比相同時(shí)坡度越大壅水越高；上游壅水高度不超過(guò)10 cm時(shí)，斜坎量水堰適宜收縮比為0.867～0.951，堰長(zhǎng)L為堰高P的10～12倍；

(3)各個(gè)體型下水深和流量都有相關(guān)性較好的乘冪關(guān)系，選取距離斜坎量水堰最高斷面上游1 cm處的Ⅲ斷面為測(cè)流水深，用量綱分析法和spss擬合結(jié)合得到的測(cè)流公式在量水堰堰高大于5 cm時(shí)誤差基本分布在±8%以內(nèi)，滿足小型的U形灌排渠道測(cè)流要求。

U形渠道斜坎量水堰結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、量測(cè)方便，且精度較高，適宜在灌區(qū)底坡大于1/200的末級(jí)渠道中推廣使用。

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