陳土成 王文娥* 胡笑濤 劉渡坤 馬朝陽

(1.西北農林科技大學 旱區(qū)農業(yè)工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100； 2.楊凌示范區(qū)水務局，陜西 楊凌 712100)

灌區(qū)量水是灌區(qū)實行計劃用水和準確引水、輸水、配水、灌水的重要手段，也是控制用戶用水量與水費征收的主要依據?；诂F階段的科學技術，灌區(qū)渠道流量精準測量是實現灌區(qū)現代化建設和智慧水利的基本條件，同時量水設施實現多功能集合可有效優(yōu)化灌區(qū)管理，但我國北方灌區(qū)小型渠道量水設施薄弱，流量測控一體化設施匱乏，為加快灌區(qū)現代化建設，需研發(fā)測控一體化的普適性量水設施或量水建筑物。

各類量水設施中，特設量水設施及量水儀表能夠達到較高的測流精度，但不能調控流量；采用節(jié)制閘、分水閘等渠系量水建筑物則同時具備流量測量與調控的功能。目前已有多種不同閘門型式測流研究成果，趙強對平板閘門測流經驗公式進行了總結與試驗驗證，管光華等建立了傳統(tǒng)閘墩形式的閘門流量模型。由于閘門全開時(堰流)，無法利用閘門測流，測流精度較低，為此有研究通過改變傳統(tǒng)形式實現流量測控一體化，如韓宇研發(fā)一款浮筒式升降閘門，通過水力性能試驗和數值模擬研究建立了流量公式；潘志寶等提出矩形渠道閘墩式量水槽，將閘墩式量水槽與閘門結合以實現閘槽聯合測流，通過室內試驗建立適用于不同槽型組合的自由出流流量公式，并基于孔板式流量計的測流原理完成閘孔淹沒出流下測流規(guī)律的分析和流量系數經驗公式的建立；董楠針對U形渠道設計一種閘槽組合裝置，通過試驗研究建立了堰流及閘孔出流流量公式；王家琪等基于薄壁堰測流原理設計一種調控型測流裝置，建立了自由出流流量公式，并提出將裝置與節(jié)制閘或進水閘結合以實現流量量測與流量調控功能的設想。

渠道過流量和堰流精度都受閘墩型式的影響，可通過改變閘墩形狀提高測流精度。在各種量水槽中，機翼形量水槽具有測量精度高、不易淤積、水頭損失小等優(yōu)點，并在不同形狀渠道上完成了該量水槽的標準化、系列化研究工作；若將機翼形量水槽與閘門結合，可同時利用量水槽測流精度高、閘門便于調控的優(yōu)勢，但對于這種組合的量水閘門仍缺乏系統(tǒng)研究，因此本研究提出的機翼型閘墩量水閘門，是從結構上對閘墩做出適應閘門的改造，將機翼形量水槽作為閘墩，通過水力性能試驗，探究新型量水閘門的過流流態(tài)及堰孔流判別閾值的變化，并建立不同過流情況的流量公式，以期為灌區(qū)量水設施應用及研發(fā)提供參考。

1 試驗設計與測流原理

1.1 機翼型閘墩量水閘門結構設計及測流原理

閘墩是閘門的附屬設備，在灌區(qū)實際應用中不具備量水功能，但采用機翼形量水槽作閘墩可實現閘槽聯合測流。當閘門開度較大、呈堰流時閘墩可作為量水設施，測流精度高且水頭損失??；當使用閘門調控水位流量時，與傳統(tǒng)的矩形閘墩相比，流線型結構能較大程度地降低水頭損失。已有研究表明機翼形量水槽適宜收縮比為0.4～0.6，綜合考慮閘門抬高水位的影響，本研究收縮比采用0.58。機翼型閘墩量水閘門主要由機翼型閘墩和平板閘門組成，基于相關文獻的機翼形量水槽體型曲線結合試驗渠道尺寸可確定閘墩尺寸，同時在喉口處設置平板閘門，實物圖見圖1。

圖1 機翼型閘墩量水閘門實物圖Fig.1 Schematic diagram of airfoil-shaped-pier measuring sluice

水流經過該量水閘門時，當閘門開度較大、水面完全脫離閘門底緣時為堰流，以機翼型閘墩作量水設施會在喉口附近產生臨界流，根據臨界流原理即可確定流量；當水流受到閘門影響、經由閘門底緣和閘底板之間流出時為閘孔出流，根據能量守恒原理(或閘孔出流基本公式)即可確定流量。

1.2 試驗系統(tǒng)

試驗在西北農林科技大學北校區(qū)水工廳進行，試驗系統(tǒng)由水泵、蓄水池、電磁流量計、控制閥門、穩(wěn)水池、矩形渠道、機翼型閘墩量水閘門、尾水閥門、地下回水渠等組成。矩形渠道長為12 m，寬60 cm，高30 cm，坡降0.001，粗糙系數

n

取0.013；機翼型閘墩翼長為60 cm，翼高12.6 cm，收縮比0.58，高30 cm；閘門寬34.8 cm，高30 cm，系統(tǒng)平面布置及量水閘門體型參數見圖2。

圖2 系統(tǒng)平面布置及量水閘門體型參數Fig.2 Layout plan of test system and shape parameter diagram of measuring sluice

沿程斷面布設及測流斷面距離見圖3。本試驗渠道流量為5～40 L/s，變化梯度1.5～2.5 L/s，共20種流量；閘門開度為5～10 cm，變化梯度1 cm，每種流量下4～6組試驗，共100種工況；每種流量下都存在閘孔出流與堰流的臨界狀況，需根據閘門放置處的水深調節(jié)至臨界開度

e

，試驗過程中，從閘門全開逐漸減小開度，當水面即將碰到閘門底緣時作臨界開度

e

，測量并記錄每種流量對應的U3斷面的水深

H

和閘門臨界開度

e

，20種流量全測完為1輪，重復3輪取平均值，閘門臨界開度

e

與U3斷面水深

H

的比值則為某流量下的判別閾值；每種工況下通過調節(jié)尾水閥門使閘后水流分為自由出流及淹沒出流2種出流狀態(tài)，測量并記錄各流態(tài)下的流量、閘門開度及各測流斷面水深等數據，試驗過程流量保持恒定，水深、流速重復測量5次取均值。流量通過IFM4080F型電磁流量計測量，精度為±3‰，各斷面水深采用SCM40和SCM60型水位測針測量，精度為±1 mm。

在閘前選取足夠長的距離并根據水深升降程度布設測流斷面，在閘門一定距離前(U1～U5)，考慮到預試驗中該區(qū)間水深基本一致，測流斷面間距設為20 cm，往后在即將進入該量水閘門(U8)時，測流斷面間距設為10 cm，在進入機翼型閘墩后水深變化較大，測流斷面呈加密布設，而閘后的測流斷面同樣根據水流狀態(tài)進行相應調整布設。

單位：cm Unit: cm U表示閘門上游，D表示閘門下游。 U means the upstream of sluice, D means the downstream of sluice. 1.機翼型閘墩量水閘門；2.薄水層區(qū)域；3.折沖水流區(qū)域；4.水翅區(qū)域；5.紊動區(qū)域；6.起躍點；7.最高點；8.降落點；9.水翅中線水深變化示意 1.Airfoil-shaped-pier measuring sluice; 2.The region of thin water layer; 3.The region of deflected flow; 4.The region of water-wing; 5.The region of turbulent motion; 6.The points of flow upspring; 7.The highest points of water-wing flowing; 8.The points of flow dropping; 9.Diagram of water depth change of water-wing in midline圖3 沿程測流斷面布置Fig.3 Layout diagram of flow measurement section along channel

2 結果分析

機翼型閘墩量水閘門在運行過程中，包括堰流、閘孔出流及自由出流、淹沒出流等4種情況；同時該量水閘門的水力性能與過閘流態(tài)密切相關，當過閘流態(tài)改變時，水面線、流速、傅汝德數、流量公式等也會相應改變，因此首先從沿程水深變化分析堰孔流臨界狀態(tài)及閘孔出流過流規(guī)律，進一步建立不同條件下的流量公式并分析測流精度。

2.1 沿程水深變化

已知渠系節(jié)制閘、分水閘等通過調節(jié)閘門開度控制閘前水深及過閘流量，沿程水深變化可反映流態(tài)變化規(guī)律而有助于水力性能的探索與分析，同時淹沒出流作為自由出流的延伸變化，會出現上下游水位抬升、水躍前縮、翻滾涌動等波動現象，為此自由出流的沿程水深變化更為直觀。該部分試驗主要測定在不同流量、不同閘門開度條件下閘孔自由出流上下游沿程水深的變化。本研究對4種開度(

e

=5、6、8、10 cm)不同流量下及4種流量(

Q

=22.8、28.4、30.6、32.8 L/s)不同開度下的閘孔出流沿程水深變化進行了討論。

L為各測流斷面距閘門的距離；h為各測流斷面的水深。 L means the distance of each flow measurement section and sluice; h means the water depth of each flow measurement section.圖4 4種閘門開度(e)不同流量(Q)下閘孔出流沿程水深變化Fig.4 Variation of water depth along channel of outflow from sluice with different flow rate at 4 kinds of sluice opening

該量水閘門由于機翼型閘墩的存在使得勢能轉化為動能導致水位降落，本研究將此過程定義為閘墩的降水作用；而當閘門開度一定時，閘門處過流斷面為固定的矩形閘孔，這限制了閘門底緣以上來流的通過導致閘墩上游一段距離內水面均較平穩(wěn)，本研究將此過程定義為閘門的阻水作用。因此閘孔自由出流時，上游水深會受到閘門垂向阻水和機翼型閘墩橫向收縮的影響，而兩者的影響程度不同會導致水深沿程變化及閘前壅水情況不同。圖4示出在閘孔自由出流時，4種閘門開度不同流量下的沿程水深變化?？梢?，上游水深較低時，由于閘門底緣以上的水頭較小而導致閘墩的降水作用大于閘門的阻水作用，沿程水深中其下降趨勢出現較早且較明顯，同時水深最低點靠近閘門；在開度不變的情況下，隨著流量的增大，上游水深隨之增大，但其下降趨勢逐漸變小而最低點逐漸弱化且遠離閘門，同時閘前的最終相對壅高也隨之變小而使得上游沿程水深變化曲線趨于平滑，這說明閘墩的降水作用隨著閘門底緣以上的水頭增加而逐漸變小，同時導致降水作用弱化，其他開度下變化規(guī)律基本一致。

水流過閘后，由于過流斷面逐漸變大，兩側的水流相對于中心線上的水流降落更快，無明顯折沖現象；而流出閘墩后，水流沖擊兩側渠道邊壁產生折沖水流，在后續(xù)某處匯集壅起，形成類似魚鰭狀水流現象(將此定義為水翅)，同時導致下游水面出現波浪狀波動?？紤]到水翅對后續(xù)水面影響，下游的測量斷面布設中以產生的第一個水翅降落點(圖3水翅區(qū)域)為最終測點，若下游斷面D14與起躍點較遠則相應增設等距(10 cm)的測流斷面。在一定開度下(圖4)，過閘水流在未流出閘墩前，水深與流量未形成明顯的單調增加或降低關系，不同流量下的水深極為相近，出現頻率較高的現象是每個開度下最大流量沿程處于最低水深的位移距離最長；而在水流流出閘墩后，其水深受流量變化的影響趨于明顯：同一開度下，隨著流量的增加，下游水深逐漸變大，且水翅的起躍點隨之后移，其跨度與高度呈緩慢增加的趨勢。

e

=5 cm時

Q

=15.18 L/s的閘孔自由出流沿程水深變化與堰流沿程水深變化過程相似，但相比后者閘孔自由出流水翅起躍更明顯且起躍點前移起，這說明動勢能轉化進程較后者更快且該流量極為靠近該開度下堰孔流的閾值流量。

圖5 4種流量(Q)不同開度(e)下閘孔出流沿程水深變化Fig.5 Variation of water depth along channel of outflow from sluice with different sluice opening at 4 kinds of flow rate

圖5示出在閘孔自由出流時，4種流量不同開度下的沿程水深變化?？梢?，在流量相同時，上游水深隨著閘門開度的增加而降低，而隨著上游水深的降低，閘墩的降水作用相對更明顯，下降趨勢隨之增強且最低點逐漸突出并靠近閘門，同時閘前的最終相對壅高也隨之升高；過閘水流在未流出閘墩前，隨著開度的增加，水深隨之升高，水深沿程變化也由于流速的降低而更為平滑，過閘水流在流出閘墩后，水深極為相近，同時隨著開度的增加，水翅起躍點隨之前移且水翅的跨度與高度也呈增加趨勢。

2.2 堰流及閘孔出流的判別閾值

堰流與閘孔出流的流態(tài)變化與閘門相對開度、閘底坎及閘門型式、上下游水位有關。平板閘門為平底坎時，一般采用0.65(閘門相對開度

e

/

H

)為堰流與閘孔出流的判別閾值。在試驗過程中發(fā)現，由于閘墩形狀不同，機翼型閘墩量水閘門堰流與閘孔出流的判別閾值與該值不同。圖6示出閘門臨界開度

e

、閘前穩(wěn)定水深

H

(U3斷面的水深)及閘門臨界相對開度

e

/

H

與流量

Q

的關系。由圖6(a)可見，由于機翼型閘墩的側收縮影響，在流量改變時閘門臨界開度的變化小于上游水深的變化，即閘門臨界開度

e

的增長慢于上游水深

H

的增長，而在小流量的時候由于并未受到側收縮過多的影響，閘門臨界開度

e

和上游水深

H

非常接近，即流量越小

e

/

H

越近似等于1，近似處于自然過流的情況，當流量逐漸增大時，兩值的差逐漸變大，它們的比值逐漸變小，與圖6(b)所得的

e

/

H

和流量

Q

關系的變化趨勢相符：臨界相對開度隨著流量的增大而降低，而在15 L/s流量附近出現轉折的現象，此前下降趨勢較為劇烈，此后趨于平穩(wěn)，略有增加，約為0.75～0.76，與平底坎閘孔出流

e

/

H

<0.65的判別閾值存在一定差異，原因是傳統(tǒng)的閘墩具有較長的直線段(或導流段)，即閘門上下游一定長度范圍內水流寬度基本相等，而機翼型閘墩水流寬度先逐漸束窄、后逐漸擴散，其收縮段水深略有抬升，使閘門臨界開度

e

增大。

圖6 流量(Q)與閘門臨界開度(e0)、上游穩(wěn)定水深(H3)及閘門臨界相對開度(e0/H3)的關系Fig.6 Relation between flow rate Q and critical opening e0、stable water depth of upstream H3 and e0/H3

利用機翼型閘墩量水閘門測流時，需首先根據判別閾值確定過流狀態(tài)是堰流還是閘孔出流，再根據相應的流量公式計算通過的流量。

2.3 流量公式及測流精度

2

.

3

.

1

堰流

該量水閘門過流狀態(tài)為堰流時以機翼型閘墩作為測流設施，測流公式同機翼形量水槽，據已有研究其流量表達式為：

Q

=

a

15

g

05

b

(25-15)

H

15

(1)

式中：系數

a

、指數

n

為常數，可通過試驗數據擬合得到；

b

為過閘寬度(喉口寬度)，取3.48 dm；

g

為重力加速度，取98.1 dm/s；

H

為U3斷面水深，dm；

Q

為流量，L/s。根據試驗數據，借鑒戚玉彬的公式形式分別對上游測流斷面(U1，U2,…,U8)水深與流量進行擬合，發(fā)現U3斷面的相關性最強，其復相關系數

R

=0.999 7，故把U3斷面作為上游水深取值斷面，其擬合得到的堰流流量公式如式(2)。圖7為堰流狀態(tài)下，流量隨U3斷面水深變化圖，整體看來流量隨著U3斷面水深增大而增大，水深越大水深的變化對流量的影響也越大。

Q

=20

.

428 8

H

1493 9

(2)

經擬合后平均誤差為1.34%，滿足灌區(qū)的量水精度要求。已有研究表明機翼形量水槽臨界淹沒度可達0.77～0.89，堰流灌溉時高淹沒度可滿足大多的用水需求，在保證下游灌溉水位要求的同時也保證了測流精度。

圖7 上游水深(H)與流量(Q)的關系Fig.7 Relation between water depth of upstream (H) and flow rate (Q)

2

.

3

.

2

閘孔出流

為保證充分灌溉，下游引水灌溉時需滿足水位要求，機翼型閘墩量水閘門存在閘孔自由出流和淹沒出流兩種情況。試驗中通過調整閘門開度及控制閥門，可得到一定流量條件下閘孔自由出流和淹沒出流的閘門開度、上游水深及下游水深等數據，經擬合可得閘孔出流的流量公式。

閘孔自由出流的基本流量公式為：

(3)

式中：

e

為閘門開度，dm；

μ

為自由出流流量系數，將試驗測得的渠道流量

Q

、閘門開度

e

和上游水深

H

代入式(3)即可求得。根據試驗數據，對各工況的閘門相對開度與自由出流流量系數進行擬合，其相應關系為：

(4)

經擬合關系式校驗，其復相關系數

R

=0.951，相關性較高。圖8示出相對開度與各出流狀況流量系數的關系：自由出流流量系數隨著相對開度的增大而減小(圖8(a))，這一趨勢與董楠得到的結論一致。

在試驗中調節(jié)渠道尾水閥門改變下游水深，當影響到上游出流時，即形成淹沒出流，通過公式分析可知過閘流量與上下游水深有關，為此除了測量上游水深以外，還需選取下游水面較穩(wěn)定斷面處進行水深測量。已知閘孔淹沒出流的基本流量公式為：

(5)

式中：

m

為淹沒出流流量系數，將試驗測得的渠道流量

Q

、閘門開度

e

和上下游水位差Δ

H

代入式(5)即可求得；Δ

H

為上下游水位差，dm。根據試驗數據，對各工況下的閘門相對開度與淹沒出流流量系數進行擬合，相應關系式為：

(6)

經擬合關系式校驗，其復相關系數

R

=0.919，相關性良好。由圖8(b)可見，淹沒出流流量系數隨著相對開度增大而增大。

圖8 相對開度與流量系數的關系Fig.8 Relation between relative opening degree and flow coefficient

2

.

3

.

3

測流精度

測流精度作為評價量水設施性能的決定性指標，其取決于測流公式。為驗證流量公式的準確性與可靠性，將測得的試驗數據代入自由出流和淹沒出流的流量公式中可算得各工況下過閘流量，再將計算流量與實測流量進行對比分析，結果見圖9?？芍?，自由出流和淹沒出流的計算流量與實測流量的吻合度較高，它們之間相對誤差的絕對值最大分別為2.98%、4.92%，最小分別為0.01%、0.04%，平均誤差分別為0.85%、1.25%，滿足灌區(qū)的量水精度要求。綜上，本研究所總結得出的堰孔流流量計算公式能夠滿足灌區(qū)量水的要求，可準確計算渠道的流量。

圖9 實測流量與計算流量的關系Fig.9 Relation between measured discharge and calculated discharge

3 結 論

本研究結合閘門測流和機翼形量水槽的優(yōu)點，針對渠寬為60 cm的矩形渠道設計了機翼型閘墩量水閘門，通過水力性能試驗得到如下結論：

1)水流經過機翼型閘墩量水閘門時，閘前水流平穩(wěn)，閘后的漸擴斷面可有效減緩閘孔出流對墻壁兩側的沖擊力，同時沿程水深的變化主要受閘門阻水作用和閘墩降水作用影響；上游水深隨流量增大而升高、隨開度增加而降低，上游水面線的變化隨流量增大而變小、隨開度增加而變大，水翅的跨度隨流量增大而變長、隨開度增加而變長且最高點都隨之升高。

2)由于機翼型閘墩體型不同于常規(guī)的平底坎閘墩，其先束窄后擴散的流線型變化導致閘門處水位略有抬升，從而產生不一樣的判別閾值；經試驗發(fā)現堰孔流的判別閾值隨流量變化，在15 L/s流量附近存在轉折，此前判別閾值隨流量的增大而降低，此后判別閾值趨于平穩(wěn)，略有增加，最低可達0.75。

3)該量水閘門存在多種出流狀態(tài)，根據已知的基本公式建立堰流公式、閘孔自由出流及閘孔淹沒出流的流量公式，經驗證所建立的測流公式測流精度較高，滿足灌區(qū)的量水精度要求。

試驗過程中該量水閘門結構穩(wěn)固、運行穩(wěn)定、過流流態(tài)良好，適用于中小流量的矩形渠道，同時該量水閘門實現了流量測控一體的功能可作為灌區(qū)測控一體化系統(tǒng)的基礎裝置，后續(xù)可進一步對不同規(guī)格的渠道進行系列化研發(fā)。