梯形渠道梯形喉口量水槽水力特性初探

冉聃頡，王文娥，胡笑濤

(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)

渠道輸水是我國(guó)灌區(qū)輸水的主要形式[1]，進(jìn)行渠道量水是保證灌區(qū)正確引水、配水和用水的重要手段[2]。目前研究人員和灌區(qū)管理部門已經(jīng)研制了大量渠道量水設(shè)施，各種形式的長(zhǎng)喉道量水槽、短喉道量水槽、無(wú)喉道量水槽已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用[3]。但現(xiàn)有的量水槽在實(shí)際運(yùn)用和推廣過程中仍存在一些問題，如巴歇爾量水槽是短喉道量水槽中最具代表性的一種，它具有喉道短、尺寸小、精度高等特點(diǎn)，但必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)尺寸修建，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、施工困難等不足[4]；長(zhǎng)喉道量水槽存在喉道長(zhǎng)、尺寸大、造價(jià)相對(duì)較高的不足；無(wú)喉道量水槽在巴歇爾量水槽基礎(chǔ)上去掉了喉道段，在陜西的引沁、引渭灌區(qū)得到了應(yīng)用，具有體型簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、便于布置的特點(diǎn)[5]，但由于折線形渠道中無(wú)喉道量水槽主要采用矩形喉口[6]，而梯形渠道是灌區(qū)最常見的輸水渠道，應(yīng)用矩形喉口無(wú)喉道量水槽測(cè)流時(shí)由于喉口形狀與渠道斷面形狀差異大，大流量時(shí)水頭損失較大，小流量情況下水位低，測(cè)流誤差大[7]，量水精度較低。另外，我國(guó)北方灌區(qū)小型渠道底坡一般較緩，泥沙、雜物淤積問題嚴(yán)重，影響量水設(shè)施的工作性能[8]，目前常用的渠道量水建筑物很難達(dá)到小流量時(shí)量水精度高的要求?；谝陨显?，本研究在矩形喉口無(wú)喉道量水槽的基礎(chǔ)上，根據(jù)梯形渠道斷面特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種梯形喉口量水槽，通過過槽水流水力性能試驗(yàn)建立關(guān)鍵斷面水深與流量關(guān)系，分析影響量水精度的相關(guān)因素，以期為灌區(qū)渠道量水技術(shù)的研究與應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)渠道概況

試驗(yàn)在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)渠道為預(yù)制混凝土梯形渠道，渠道綜合糙率(n)取0.013，幾何參數(shù)為渠底寬0.3 m，渠深0.6 m，渠道邊坡比1∶1，渠長(zhǎng)34 m，渠道底坡1/2 000。

1.2 量水槽設(shè)計(jì)

根據(jù)梯形斷面的幾何特性，在梯形渠道上設(shè)置側(cè)向收縮的量水槽，水流在槽前為緩流，在側(cè)向收縮的影響下，水面在收縮段有一定程度的降落，形成臨界流[9]。根據(jù)臨界流的水力特性，自由出流時(shí)收縮段上游水流不受下游水流影響，從而可通過上游某關(guān)鍵斷面較穩(wěn)定水深準(zhǔn)確推算出各種工況下的流量。梯形喉口量水槽底部為渠道底部，喉口斷面為梯形，喉口斷面底寬小于渠道底寬，槽進(jìn)口段邊墻按1∶3收縮，槽出口段邊墻按1∶6擴(kuò)散。設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括梯形喉口的底寬和喉口邊坡傾角(邊墻與水平面夾角)。本試驗(yàn)中量水槽高度為0.35 m，在實(shí)際推廣時(shí)可按渠道過水最大流量設(shè)計(jì)量水槽高度。圖1為梯形喉口量水槽的結(jié)構(gòu)示意圖，4種不同喉口收縮比(4種不同喉口邊坡傾角)量水槽的基本參數(shù)見表1。

1.3 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)系統(tǒng)平面布置如圖2。本試驗(yàn)系統(tǒng)由水泵、供水管道、蓄水池、穩(wěn)水池、梯形渠道、梯形喉口量水槽、尾門、出水池和回水管道構(gòu)成，穩(wěn)水池入口設(shè)有薄壁三角堰，用于量測(cè)入渠流量。在渠道中下游修建梯形喉口量水槽，量水槽喉口距渠道進(jìn)口22 m，量水槽的中軸線與梯形渠道的中軸線重合。

試驗(yàn)取槽內(nèi)13個(gè)過水?dāng)嗝婧筒凵舷掠胃?個(gè)斷面(斷面1和斷面15)共15個(gè)斷面來測(cè)量相關(guān)水力特性參數(shù)，測(cè)流控制斷面從上游至下游依次編號(hào)為1～15。斷面1在槽上游距槽進(jìn)口2 m處,斷面15在槽下游距槽出口2 m處,斷面2～14布置如圖1所示。其中，斷面2為量水槽進(jìn)口斷面，斷面8為量水槽喉口斷面，斷面14為量水槽出口斷面，各控制斷面距喉口斷面的具體位置如表2所示。在12種不同流量(15.39 L/s，19.44 L/s，23.62 L/s，29.39 L/s，35.91 L/s，39.15 L/s，45.00 L/s，49.59 L/s，54.28 L/s，61.15 L/s，65.70 L/s，71.96 L/s)工況下進(jìn)行了4種不同收縮比的量水槽共48組自由出流試驗(yàn)。試驗(yàn)通過調(diào)節(jié)閥門來控制過槽流量的大小，實(shí)測(cè)流量通過薄壁三角堰測(cè)量公式計(jì)算[10]，使用SCM60型水位測(cè)針測(cè)量各控制斷面水深，精度為0.1 mm。流量與三角堰堰上水頭關(guān)系為：

Q=1 343H2.47。

(1)

式中：Q為流量，L/s；H為薄壁三角堰堰上水頭，m。

圖1 梯形喉口量水槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure sketch and section division of trapezoidal-throated flume

序號(hào)Number喉口收縮比(ε)Throatcontractionratio喉口邊坡傾角(θ)/(°)Slopeangleofthroat喉口底寬(b)/mmBottomwidthofthroat收縮段長(zhǎng)度/mLengthofentrancesection擴(kuò)散段長(zhǎng)度/mLengthofexitsection10.681602200.5631.12720.557701960.8251.65030.506781960.9841.96840.427901921.2122.424

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)平面布置圖Fig.2 Layout of the experimental setup

斷面序號(hào)Sectionnumber距槽進(jìn)口斷面距離(L)/cmLengthfromsecondsection斷面序號(hào)Sectionnumber距槽進(jìn)口斷面距離(L)/cmLengthfromsecondsection斷面序號(hào)Sectionnumber距槽進(jìn)口斷面距離(L)/cmLengthfromsecondsection1-200677.61194.620780.612104.6352.6883.613134.6462.6986.614250.8572.61089.615450.8

2 結(jié)果與分析

2.1 水面線

水流通過梯形喉口量水槽時(shí)，受到量水槽側(cè)向收縮的影響，槽內(nèi)水深發(fā)生明顯變化，水面急劇下降，通過喉口斷面進(jìn)入擴(kuò)散段內(nèi)將形成水躍，水面升高，水深加大。圖3為不同流量下不同喉口收縮比的梯形槽內(nèi)各控制斷面水深變化情況。

圖3 不同流量時(shí)量水槽內(nèi)不同斷面水深的變化Fig.3 Variation of water depth in the flume with different throat contraction ratios under different discharges

在自由出流條件下，4種不同喉口收縮比時(shí)量水槽內(nèi)水面變化情況類似，量水槽進(jìn)口段水流都比較平順，在斷面4(距首控制斷面62.6 cm)處水面開始出現(xiàn)緩慢下降直至斷面8(距首控制斷面83.6 cm)處，在量水槽出口段前部分形成中間低兩邊高的射流，在量水槽出口段后部分形成水躍，水流波動(dòng)較大，最終慢慢趨于下游水深。

在自由出流條件下，不同喉口收縮比(ε)的量水槽內(nèi)，水面跌落位置、水面線最低點(diǎn)位置、出現(xiàn)臨界水深位置不同。圖3-a中，ε為0.681時(shí)，水面在距喉口下游3～19 cm處出現(xiàn)明顯下降，在斷面12(距離喉口下游27 cm)處達(dá)到最小水深，水流由緩流狀態(tài)變至急流狀態(tài)，在其過渡段產(chǎn)生臨界流；從圖3-b～d可以看出，ε為0.427～0.557時(shí)，水面線喉口下游均出現(xiàn)明顯下降，但水面降落的范圍和最小水深出現(xiàn)位置隨收縮比和流量的減小逐漸向下游發(fā)展；ε為0.557時(shí)，流量大于65 L/s時(shí)水面在距喉口下游3～50 cm處有明顯下降，在斷面13(距離喉口下游51 cm)處水深為最小水深，在其余流量工況下水面在距喉口下游3～21 cm處有明顯下降，水面線最低點(diǎn)位于斷面12(距離喉口下游27 cm)附近。

對(duì)比4種不同喉口收縮比條件下的水面線，可以發(fā)現(xiàn)隨著喉口收縮比的增大，水面線最低點(diǎn)距喉口斷面距離越近。同一喉口收縮比條件下，隨著流量的增大，水面線最低點(diǎn)逐漸向下游發(fā)展，距喉口斷面距離越遠(yuǎn)，且量水槽擴(kuò)散段后半部分水流越不穩(wěn)定。

2.2 測(cè)流控制斷面的確定

在梯形渠道適當(dāng)位置修建梯形喉口量水槽，量水槽上游入口段水流為緩流，當(dāng)水流通過喉口時(shí)形成局部收縮，過流斷面形成較大的水面降落，水流流速增大，在喉口附近產(chǎn)生臨界流，隨后進(jìn)入急流狀態(tài)，與下游銜接。由于臨界流斷面水深與流量可形成穩(wěn)定單一的關(guān)系,對(duì)于梯形喉口量水槽的基本流量公式，可以用能量方程及臨界流原理加以推導(dǎo)[11-14]。

梯形斷面明渠中，如果不計(jì)摩阻等能量損失，根據(jù)上游斷面與臨界流斷面能量守恒,有[9]：

(2)

式中：E為水流斷面比能，m；h1為上游水深，m；A1為上游進(jìn)口段斷面面積，m2；hk為臨界流段斷面水深，m；Ak為臨界流段斷面面積，m2；α為動(dòng)能修正系數(shù)，取1.0；g為重力加速度,m/s2；Q為流量，m3/s。

由式(2)得：

(3)

式中：Es為上游測(cè)流斷面比能，m。

根據(jù)臨界流斷面比能具有最小值，即

(4)

則

(5)

從而得到流量的計(jì)算公式為：

(6)

梯形斷面臨界流斷面面積Ak=(b+mhk)hk。

式中：b為梯形斷面底寬，m；m為梯形斷面邊坡。所以流量可采用下式計(jì)算：

(7)

從圖3可以看出，收縮比不同或流量不同時(shí)臨界流的位置不同，以臨界流斷面為水位測(cè)量斷面很難實(shí)施。為了實(shí)際應(yīng)用中方便設(shè)置水位測(cè)量斷面，需要在各測(cè)流斷面中確定出與流量關(guān)系相關(guān)性好且水位穩(wěn)定的斷面，作為流量計(jì)算的控制斷面。圖4給出了不同喉口收縮比條件下喉口上游4個(gè)測(cè)流斷面(斷面1、3、5、7)的水深與實(shí)測(cè)流量的關(guān)系。

圖4 不同喉口收縮比上游控制斷面水深與流量的關(guān)系Fig.4 Relationship between depth of control section and discharge

從圖4可以看出，斷面3(距量水槽進(jìn)口斷面52.6 cm處)水深與流量關(guān)系最為穩(wěn)定，復(fù)相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.998 6，且在不同流量下各量水槽斷面3的水面流動(dòng)比較平穩(wěn)，因此可以以斷面3的水深h作為參考水深。

2.3 測(cè)流斷面水深與流量的關(guān)系

根據(jù)上述分析，以斷面3作為流量計(jì)算的水深測(cè)量斷面，圖5給出了不同喉口收縮比時(shí)斷面3水深與流量的關(guān)系。

圖5 不同喉口收縮比時(shí)控制斷面3水深與流量的關(guān)系Fig.5 Relationship between water depth and discharge under different throat contraction ratios

斷面3水深與流量之間呈良好的指數(shù)相關(guān)關(guān)系。通過回歸分析得到流量與喉口收縮比、控制斷面3的水深(h)之間的關(guān)系式為：

Q=1.084ε0.891h1.645，R2=0.998。

(8)

式中：h為控制斷面3水深，m；ε為喉口收縮比。

運(yùn)用公式(8)計(jì)算各個(gè)工況下的流量，比較計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量，結(jié)果見表3。

表3 不同喉口收縮比時(shí)計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)比Table 3 Comparison of calculated and measured discharge under different throat contraction ratios

表3結(jié)果表明：喉口收縮比為0.681時(shí)，實(shí)測(cè)流量與計(jì)算流量間的最大相對(duì)誤差為9.148%，平均相對(duì)誤差為4.435%，最小相對(duì)誤差為-0.280%。喉口收縮比在0.427～0.557時(shí)，小流量時(shí)測(cè)流誤差也比較小，實(shí)測(cè)流量與計(jì)算流量之間最大相對(duì)誤差為4.643%，平均相對(duì)誤差為2.08%，最小相對(duì)誤差為-0.01%，均滿足測(cè)流誤差小于5%，滿足灌區(qū)量水的精度要求。

2.4 臨界淹沒度

梯形喉口量水槽的臨界淹沒度定義為，在相同流量下，下游水位剛開始影響上游水位時(shí)對(duì)應(yīng)的下游水深與上游水深的比值[15]。本試驗(yàn)對(duì)梯形喉口量水槽的淹沒度進(jìn)行實(shí)測(cè)，在同一流量下通過調(diào)節(jié)渠道尾門測(cè)得不同的下游水深。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到不同流量時(shí)的臨界淹沒度如圖6所示。由圖6可知，在流量為15～70 L/s時(shí)，梯形喉口量水槽的臨界淹沒度變化范圍為0.85～0.93，該研究表明，梯形喉口量水槽有較大的自由出流范圍，不易發(fā)生淹沒出流。對(duì)于同一喉口收縮比時(shí)，該量水槽的臨界淹沒度隨流量的增大而減??；對(duì)于相同流量下，該量水槽的臨界淹沒度隨喉口收縮比的減小而增大，但變化均不明顯。

圖6 不同流量時(shí)量水槽臨界淹沒度的變化Fig.6 Variation of the critical submergence under different discharges

2.5 水頭損失

水流在通過梯形喉口量水槽時(shí)，由于過水?dāng)嗝嫘螤詈痛笮“l(fā)生變化，流線彎曲，水流摻混加劇，會(huì)產(chǎn)生水頭損失。運(yùn)用Z+P/γ+v2/2g(其中Z為位置水頭，P/γ為壓強(qiáng)水頭，v為斷面平均流速，g為重力加速度),計(jì)算上游首控制斷面和下游末控制斷面總水頭之差即為梯形喉口量水槽水頭損失[16]。圖7為不同流量下不同喉口收縮比量水槽的水頭損失占上游總水頭比例的變化情況。由圖7可以看出，在同一流量下，隨著喉口收縮比的減小，水頭損失占上游總水頭比例增大。同一喉口收縮比下，隨著流量的增大，水頭損失占上游總水頭比例增大。當(dāng)喉口收縮比為0.506～0.681時(shí)，梯形喉口量水槽的水頭損失最小為上游總水頭的0.68%左右，最大為上游總水頭的12%左右。長(zhǎng)喉道量水槽的水頭損失[17-18]為上游總水頭的13%，因此該量水槽在適宜收縮比下與長(zhǎng)喉道量水槽相比水頭損失較小，梯形喉口有效改善了水頭損失，可以滿足要求水頭損失小的灌區(qū)量水。

圖7 不同喉口收縮比ε和流量Q下梯形喉口量水槽的水頭損失占上游總水頭比例Fig.7 Ratios of the head loss to upstream total head under different contractions and discharge rates

3 結(jié)論與討論

本研究設(shè)計(jì)了一種喉口斷面為梯形的量水槽，在試驗(yàn)測(cè)流流量為15～72 L/s的12種工況下，對(duì)梯形渠道4種不同喉口收縮比的梯形喉口量水槽進(jìn)行了48組自由出流試驗(yàn)，分析了梯形喉口量水槽的水深變化規(guī)律，建立了測(cè)流斷面水深與流量的關(guān)系，確定了適宜喉口收縮比。主要結(jié)論如下：

1)探討了4種喉口傾角的測(cè)流效果，初步得出了量水槽適宜喉口收縮比為0.506～0.557。

2)自由出流條件下，各種工況下的上游關(guān)鍵斷面水深與流量具有很好的指數(shù)相關(guān)關(guān)系，用上游關(guān)鍵斷面水深代替臨界水深更方便測(cè)量且數(shù)據(jù)更穩(wěn)定，基于上游水深建立的流量公式簡(jiǎn)單實(shí)用，測(cè)流誤差均小于5%，故該研究所建立的自由出流條件下梯形喉口量水槽的流量公式滿足渠道測(cè)流要求，而且簡(jiǎn)單實(shí)用。

3)梯形喉口量水槽的臨界淹沒度變化范圍為0.85～0.93，表明梯形喉口量水槽不易出現(xiàn)淹沒出流，自由出流范圍較大。

4)梯形喉口量水槽的最小水頭損失占上游總水頭的0.68%，平均水頭損失占上游總水頭的4%，最大水頭損失占上游總水頭的12%,較矩形喉口量水槽上游壅水高度和大流量時(shí)的水頭損失明顯減小。

梯形喉口量水槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，量水觀測(cè)方便，相比于矩形喉口無(wú)喉道量水槽更省工省料。喉口斷面由矩形轉(zhuǎn)化為梯形有效增大了自由出流范圍，也改善了小流量時(shí)測(cè)流誤差大的缺點(diǎn)。但梯形喉口傾角大小又會(huì)影響其測(cè)流效果，本研究初步探討了其適宜體型參數(shù)范圍。梯形喉口量水槽測(cè)流范圍大，流量覆蓋范圍基本能夠滿足灌區(qū)末級(jí)渠道灌溉要求，可以在灌區(qū)推廣應(yīng)用。由于梯形喉口無(wú)喉道量水槽尚無(wú)相關(guān)研究報(bào)道，本研究?jī)H對(duì)其水力性能進(jìn)行了初步探討，發(fā)現(xiàn)該體型量水槽有一定優(yōu)點(diǎn)，為梯形渠道量水槽提出了新思路，關(guān)于梯形喉口量水槽的其他水力特性及量水槽適宜體型參數(shù)范圍還有待進(jìn)一步研究。

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