田志剛 ，李延開 ，李 浩

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟(jì)南 250014）

農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、水肥一體化及農(nóng)業(yè)水價改革等工作正在展開，除了要有切實可行的政策指導(dǎo)外，水的準(zhǔn)確計量是保證這些工作順利進(jìn)行的基礎(chǔ)，也是其技術(shù)保證。在用水計量工作中，很多地方都使用了巴歇爾槽進(jìn)行量水，這是因為該量水設(shè)備具有水頭損失相對較小，抗淤堵性能好、精度高等優(yōu)點。但在實際使用過程中存在著一些問題，本文就這個問題進(jìn)行初步討論，供使用者參考。

1 巴歇爾槽簡介及其水力特性

1.1 巴歇爾槽結(jié)構(gòu)簡介

巴歇爾槽是巴歇爾先生改進(jìn)并定型的，其原理是文丘里效應(yīng)，基本結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

巴歇爾槽結(jié)構(gòu)復(fù)雜，參數(shù)多，制造要求高。沿水流方向由進(jìn)口收縮段、喉道段、出口擴(kuò)散段組成。進(jìn)口收縮段過水?dāng)嗝鎸挾戎饾u減小至喉道寬度，底坡為平坡；喉道段過水?dāng)嗝鎸挾炔蛔儯灼聻槎钙?；出口擴(kuò)散段過水?dāng)嗝鎸挾戎饾u增加，底坡為反坡。通過收縮段、喉道、擴(kuò)散段結(jié)構(gòu)，形成文丘里效應(yīng)，在喉道附近形成臨界流，使得流量和水位形成單一的相關(guān)關(guān)系，只要測量出水位，就可以計算出相應(yīng)的流量。其優(yōu)點是計量準(zhǔn)確、水頭損失小、不易淤堵、測量方便，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求精度高，安裝費用高。近年來中小型量水槽大部分使用定型產(chǎn)品，各部分尺寸可以精確控制，解決了制造精度問題。

1.2 水力特性

水流在進(jìn)入到巴歇爾槽前渠道中，一般是均勻緩流，佛汝德數(shù)Fr<1；在進(jìn)入渠道和巴歇爾槽連接段后，底坡為負(fù)坡i<0，在邊界約束下，過流斷面、水深和流速都逐漸減小，水位逐漸增高；在進(jìn)入到進(jìn)口收縮段后，底坡為平坡i=0，過流斷面迅速減小，水位繼續(xù)升高，流速減?。凰鬟M(jìn)入喉道后，過水?dāng)嗝婊静蛔?，平坡變?yōu)檎钙拢╥>ik），水流在重力作用下加速，變?yōu)榕R界流或急流，F(xiàn)r逐漸增加而大于1；出口擴(kuò)散段過水?dāng)嗝嬷饾u加大，底坡為負(fù)坡，流速減小，水位逐漸抬高，F(xiàn)r逐漸變小而小于1，連接下游渠道后漸成為明渠均勻流。

水流在巴歇爾槽內(nèi)的流動是不穩(wěn)定的，流速、流向隨時間、空間位置發(fā)生變化。由于水流受到進(jìn)口收縮段邊墻的反射作用，槽內(nèi)的流速分布不均，存在橫向流速，水位在橫斷面上呈現(xiàn)出中間高、兩側(cè)低的狀態(tài)，紊流強度較高。在喉道段及出口擴(kuò)散段，由于受底坡及側(cè)邊界急劇變化的影響，水流在重力作用下迅速加速、減速，造成了槽內(nèi)水流流態(tài)紊亂，使得整個槽內(nèi)水流流速及流向分布在空間和時間上不穩(wěn)定，形成非恒定流。

1.3 自由出流、淹沒出流

當(dāng)上下游水位差逐漸減小，淹沒度就逐漸增加，當(dāng)上下游水位相等時，就會形成完全淹沒出流。室內(nèi)模型試驗和實際觀測都表明，在巴歇爾量水槽淹沒出流時，其測量精度較差，因此建議在選擇使用該量水槽時，在參數(shù)的選擇上要進(jìn)行精確的計算和慎重的選擇，最好是保證自由出流。

若要保證自由出流，經(jīng)室內(nèi)試驗，槽內(nèi)上游水位Ha與槽內(nèi)下游水位Hb的比值要小于0.7，即滿足Hb/Ha<0.7的條件。

2 巴歇爾量水槽選型可能存在的問題

2.1 流量選擇不匹配

在選型過程中，大多容易出現(xiàn)的問題是只按照渠道設(shè)計流量進(jìn)行選擇，然后確定巴歇爾量水槽的喉道寬度，計算量水槽最大過流能力，作為選型的依據(jù)。而渠道的過流能力是隨著使用時間而變化的。首先是糙率會發(fā)生變化，設(shè)計糙率、竣工時糙率及正常使用糙率是有變化的；其次渠道底坡會由于淤積、沖刷等原因被改變；邊坡會因沉降、變形等原因發(fā)生形狀的變化，而這些方面對渠道輸水能力是有較大影響的。因此只按照設(shè)計資料的流量選擇巴歇爾槽，容易出現(xiàn)不匹配的問題，造成過流能力不足或者工程量過大等問題。

2.2 槽底高設(shè)計不合理

槽底高P的定義在各種資料中不統(tǒng)一，本文參考各種資料，定義為：進(jìn)口收縮段水平底板起始點，到原渠底延長線的鉛垂線距離，見圖1。

槽底高P是選型過程中最重要的參數(shù)，大多數(shù)問題是由該參數(shù)設(shè)置不合適引起的。合理的設(shè)置是：該參數(shù)的設(shè)置應(yīng)該使得量水槽安裝后，水位壅高后低于上游渠道邊坡高程，且要有一定的超高；量水槽下游水位大于下游渠道正常水位，以滿足自由出流條件。這兩個條件是矛盾的，需要進(jìn)行精心設(shè)計。

3 選型方法

3.1 喉道寬度

在巴歇爾槽選型時，盡量選擇喉道寬度W小的量水槽，這意味著制造成本和土建費用的降低，前提要滿足過流能力和自由出流的條件。

喉道寬度初選喉道寬度的經(jīng)驗值為：

式中：B為水面寬度，m；該公式只是經(jīng)驗公式，對于縱坡較大、邊坡系數(shù)較小者取小值，反之取大值。對一些矩形渠道，可突破該界限。

根據(jù)渠道的最大流量、最大設(shè)計水深、初選的喉道寬度，用巴歇爾槽流量計算經(jīng)驗公式進(jìn)行試算，確定喉道寬度，據(jù)此選擇標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽型號，計算公式為：

其中：Q為渠道最大流量，m3/s；W為巴歇爾槽喉道寬度，m；Ha為巴歇爾槽上游水位，m。

3.2 槽底高

槽底高P應(yīng)滿足下列兩個條件：

1）槽底高加槽內(nèi)上游水深小于原渠道最大深度，也就是加設(shè)了巴歇爾槽后，水不能溢出渠道，即：

式中：P為槽底高，m；Ha為巴歇爾槽上游水深，m；H0為原渠道設(shè)計水深，m；f為允許壅高，m。

2）槽底高加槽內(nèi)下游水深大于渠道正常設(shè)計水深，即滿足下游自由出流條件：

式中：Hb為巴歇爾槽下游水深，m。

4 實例應(yīng)用

4.1 現(xiàn)狀校核計算

某漿砌塊石梯形渠道須加設(shè)巴歇爾槽計量。原渠道設(shè)計參數(shù)為：底寬b=1.00 m，坡比m=1，渠底縱坡 i=1∶4 000，n=0.0225，正常水深 h0=0.75 m，流量Q=0.70 m3/s。用明渠均勻流公式校核，經(jīng)計算，Q=0.73 m3/s，滿足設(shè)計要求。

在進(jìn)行實地勘察時，發(fā)現(xiàn)該渠道施工質(zhì)量較差，砂漿有溶蝕、脫落，有些部位變形，部分石縫及伸縮縫中有雜草。根據(jù)工程經(jīng)驗及規(guī)范規(guī)定，該現(xiàn)狀渠道糙率取值應(yīng)為0.025，Q=0.66 m3/s，這是渠道現(xiàn)狀可通過的流量。綜合各工況，基本條件為：h0=0.75 m，Q=0.66 m3/s，n=0.022 5，允許壅高0.20 m。須按照現(xiàn)狀條件設(shè)計，否則會出現(xiàn)流量不匹配等問題。

4.2 喉道寬選擇

標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽喉道寬度決定了型號，其他尺寸也隨之確定。在本算例中，按照式（1）的條件，在正常水深為0.75 m時，水面寬度B=2.50 m，初步選擇喉道寬W分別為0.75 m、0.90 m、1.00 m、1.20 m，選擇這4個值是因為這是標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽的喉道寬度。滿足自由出流的條件，分別計算流量Q=0.66 m3/s時的各參數(shù)，經(jīng)計算，壅水高度均滿足要求。選擇經(jīng)濟(jì)的喉道寬度W=0.75 m，也就相應(yīng)確定了標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽的型號。

4.3 計算槽底高

槽內(nèi)上游水深Ha加上槽底高P等于槽前水深 HC，經(jīng)計算，P=0.38 m。滿足（3）（4）式。

5 安裝時應(yīng)注意問題

1）認(rèn)證過的廠家生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾槽一般都符合要求，但在安裝后需要嚴(yán)格進(jìn)行尺寸檢驗，因為回填后在土壓力的作用下，槽身會向內(nèi)側(cè)變形（向內(nèi)凸出）。

2）巴歇爾量水槽的軸線要和渠道的軸線準(zhǔn)確重合，否則由偏流引起的絕對誤差會很大。

3）上、下游水尺的零點高程應(yīng)等于進(jìn)口收縮段水平底板的高程。該水尺的安裝高程要求精確，因為流量與水位的關(guān)系式指數(shù)對應(yīng)。

4）下游建筑物會壅水，以至于使得巴歇爾槽下游形成淹沒流、流態(tài)不穩(wěn)定，根據(jù)經(jīng)驗，應(yīng)該盡量避免在小于10倍渠寬長度內(nèi)設(shè)建筑物。

5）縱坡過大或者過小的渠道不適用巴歇爾槽，推薦采用其他設(shè)備例如長喉槽進(jìn)行測流。

6）安裝巴歇爾槽后改變了原渠道設(shè)計運行條件，試運行非常重要，可逐漸加大流量試運行，以免出現(xiàn)事故。