U形渠道中復(fù)合型量水堰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與特性研究

齊佳佳 李永業(yè) 孫西歡

摘要：灌渠測(cè)流儀器的合理應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)灌區(qū)節(jié)水灌溉的重要工程措施?；诒”谘吡髟?，提出了一種新型的復(fù)合型量水堰測(cè)流技術(shù)，以U50型渠道為例，采用理論分析和模型試驗(yàn)的方法，對(duì)不同流量工況下復(fù)合堰上游特征斷面水力特性進(jìn)行分析，并進(jìn)一步率定校核了復(fù)合堰的測(cè)流經(jīng)驗(yàn)公式。結(jié)果表明：該復(fù)合型量水堰測(cè)流精度較高，相對(duì)誤差在4%以內(nèi)，誤差均值不超過2.3%；安裝堰板時(shí)上游水深呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，且在堰板處水深達(dá)到最大值。

關(guān)鍵詞：U形渠道；節(jié)水灌溉；復(fù)合堰；水位

中圖分類號(hào)：TV 149.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.035

U形灌渠是我國重要的農(nóng)田水利設(shè)施，具有流速分布均勻、占地面積較小、抗凍脹能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著U形渠道在農(nóng)田水利工程中的廣泛應(yīng)用，許多學(xué)者對(duì)U形灌渠測(cè)流問題進(jìn)行了研究，但目前既能滿足精度要求又方便簡單的測(cè)量技術(shù)和方法較少[2]。目前我國常見的U形渠道量水堰形式為直臂槽式[3]、U形長喉道式[4]、拋物線型[5]、三角剖面型[6]，國外針對(duì)梯形和矩形渠道量水技術(shù)的研究較多[7-8]。復(fù)合堰作為特殊的量水堰型，其在U形灌渠中的研究和應(yīng)用較少，尤其是對(duì)復(fù)合堰上游斷面水力特性的研究相對(duì)較少。筆者基于水力學(xué)原理，對(duì)傳統(tǒng)測(cè)流堰板的體型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種測(cè)流量程較大、精度較高、安裝方便、使用簡單的復(fù)合型量水堰。以其在U50型渠道中的應(yīng)用為例，對(duì)渠道上游特征斷面水位進(jìn)行了探討，并率定出精度較高的經(jīng)驗(yàn)公式，旨在為復(fù)合型量水堰在U形渠道中的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 渠道與量水堰參數(shù)

試驗(yàn)采用U50型渠道斷面，與田間常見灌渠尺寸相同，其結(jié)構(gòu)包括底部圓弧及上部梯形兩部分[9]。材料采用不銹鋼，長17m，渠道底部為可調(diào)節(jié)支座，用于調(diào)節(jié)渠道坡度，本次試驗(yàn)采用比降為1：1000，渠道糙率n=0.012[10]，渠道斷面見圖1（a）；試驗(yàn)設(shè)計(jì)的復(fù)合型堰板采用PVC材質(zhì)板材加工制造，其具有較高的強(qiáng)度，且耐氣候變化性、耐沖性較好。因試驗(yàn)需采用堰板率定U形渠道的過流能力，需要保證堰板與U形斷面的密封性來提高其測(cè)流精度，故采用添加固化劑的云石膠與渠道粘合固定。堰板分為兩部分，下部為直角三角形，用于小流量測(cè)量，當(dāng)堰上水頭淹沒直角三角形部分時(shí)，可采用上下兩部分同時(shí)測(cè)流。其堰板尺寸見圖1（b）。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)系統(tǒng)由動(dòng)力與調(diào)節(jié)裝置、穩(wěn)流裝置、試驗(yàn)渠道、測(cè)試裝置4部分組成。水流由離心泵從地下水庫抽人蓄水池，經(jīng)蓄水池穩(wěn)流后進(jìn)入U(xiǎn)形渠道，在不銹鋼水槽出水端設(shè)有矩形水箱及消能穩(wěn)流板，用于穩(wěn)定渠道中流量。矩形水箱后連接矩形明渠，三角堰安裝在矩形明渠上，用于測(cè)定渠道流量。水流經(jīng)三角堰流入地下水庫，形成循環(huán)系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)布置見圖20復(fù)合堰安裝前用水準(zhǔn)儀進(jìn)行高程調(diào)平，由于采用特定的量水設(shè)施量水時(shí)，一般要求明渠水流要有40倍水力半徑的平直上游段[11]，此U形渠道水力半徑為0.18m，因此復(fù)合堰安裝在距水槽進(jìn)水口10m處。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)測(cè)量工況為流量0～155m3/h，滿足標(biāo)準(zhǔn)直角三角堰適用條件，故采用直角三角形薄壁堰控制渠道流量，流量按下式進(jìn)行計(jì)算：

Q=C0H5/2式中：Q為流量m3/h； H為堰頂水頭，m；C0為直角三角形薄壁堰的流量系數(shù)，因試驗(yàn)中H<25cm，故C0取1.4[10]。

在堰板上游沿水流方向選取5個(gè)特征測(cè)試斷面，斷面1#～5#距渠道進(jìn)水口的距離依次為70、290、510、730、950cm，各測(cè)試斷面水位由0.1mm精度測(cè)針測(cè)得。

2 復(fù)合型量水堰上游水位特性

2.1 模型試驗(yàn)與理論分析

當(dāng)U形渠道中無堰板測(cè)流時(shí)，水流為均勻流，流量沿程不變，渠道中無干擾物且渠道長而順直，粗糙系數(shù)沿程不變，可按明渠均勻流求解。明渠均勻流公式為式中：Q為流量，m3/s；C為謝才系數(shù)；A為渠道過水?dāng)嗝婷娣e，m2，按式（3）進(jìn)行計(jì)算；X為渠道過水?dāng)嗝鏉裰?，m，按式（4）進(jìn)行計(jì)算；R為斷面水力半徑，m； n為粗糙系數(shù)；i為渠道縱比降。式中：r為渠道半徑，m；H為過水?dāng)嗝嫠睿琺m。

由式（2）、式（3）、式（4）可反算出當(dāng)灌溉流量分別為5、15、25、75、105、135m3/h時(shí)，水深H分別為3.65、6.15、7.87、13.57、16.14、18.44cm，其水深分布見圖3（a）。當(dāng)U形渠道中安裝復(fù)合堰時(shí)，會(huì)使渠道上游水位壅高，其各灌溉流量工況下各斷面的測(cè)量水深分布見圖3（b）。

由圖3（b）可知，安裝堰板進(jìn)行測(cè)流會(huì)對(duì)上游水深造成一定的影響：測(cè)試斷面距渠道進(jìn)水口70～950cm時(shí)，水深呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，此增大趨勢(shì)在730～950cm斷面處表現(xiàn)最明顯，并在復(fù)合堰板處水深達(dá)到最大值，此趨勢(shì)由堰板測(cè)流導(dǎo)致上游水位壅高所致。當(dāng)流量為5～135m3/h時(shí)，隨著流量的增大，各斷面水深均呈增大趨勢(shì)，且當(dāng)流量為135m3/h時(shí)，斷面水深達(dá)到最大值，此時(shí)水面距渠頂約20cm，對(duì)渠道過流能力影響較小。

2.2 壅高水位分析

各斷面的壅高水位情況見圖4，水位壅高值為放置堰板前、后的水深差值。當(dāng)流量為5一75m3/h時(shí)，隨著流量的增大，同一斷面水位壅高值均呈增大趨勢(shì)，且在75m3/h時(shí)為最大值；當(dāng)流量為75一135m3/h時(shí)，隨流量的增大，同一斷面水位壅高值均呈下降趨勢(shì)，且水位壅高值趨于11～12cm；在同一流量下，水位壅高值均表現(xiàn)為靠近堰板處最大。

3 復(fù)合型量水堰的量水特性

3.1 復(fù)合堰量水經(jīng)驗(yàn)公式的建立

復(fù)合堰安裝在距渠道進(jìn)水口10m處，用于率定復(fù)合堰的流量與堰上水頭的經(jīng)驗(yàn)公式，當(dāng)流量較小時(shí)，復(fù)合堰直角三角形部分過流；當(dāng)流量較大時(shí)，復(fù)合堰與渠道形成的梯形部分和復(fù)合堰三角形部分同時(shí)過流，故采用分段擬合。

當(dāng)堰上水頭H≤10cm時(shí)，以冪函數(shù)進(jìn)行擬合，所擬合曲線見圖5（a），擬合優(yōu)度為0.9997，近似于1，說明擬合度較優(yōu)；當(dāng)堰上水頭H>10cm時(shí)，以冪函數(shù)進(jìn)行擬合，所擬合曲線見圖5（b），擬合優(yōu)度為0.9872，近似于1，說明擬合度較優(yōu)。擬合所得流量與堰上水頭經(jīng)驗(yàn)公式為

3.2 復(fù)合堰量水經(jīng)驗(yàn)公式的校核

將校核值H代入式（5），得出流量計(jì)算值，以三角堰所測(cè)數(shù)據(jù)為真值，求得其相對(duì)誤差。本次試驗(yàn)選取其他6組不同試驗(yàn)工況下的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核，校核結(jié)果見表1，相對(duì)誤差均在4%以內(nèi)，誤差均值不超過2.3%，測(cè)流精度較高，滿足渠道量水設(shè)備測(cè)流誤差要求（5%以內(nèi)）[11]。

4 結(jié)論

（1）提出了一種新型的復(fù)合堰測(cè)流技術(shù)，通過模型試驗(yàn)和理論分析，得出當(dāng)渠中安裝復(fù)合堰時(shí)，水深沿水流方向呈逐漸增加的趨勢(shì)；當(dāng)流量一定時(shí)，水位壅高值均表現(xiàn)為靠近堰板處最大。

（2）通過在測(cè)試斷面測(cè)流，得出了流量和堰上水頭的經(jīng)驗(yàn)公式，并對(duì)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了校核試驗(yàn)，其相對(duì)誤差在4%以內(nèi)。

（3）此堰板測(cè)流方法簡單、設(shè)備造價(jià)低、易操作，可用于固定式測(cè)流，也可以用于便攜式測(cè)流，具有較高的實(shí)用和推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋玲，余書超.弧形底梯形渠道受力特征及設(shè)計(jì)方法研究[J].人民黃河，2010，32（8）：126-127.

[2]王紅雨，周斌.小型U形渠道標(biāo)準(zhǔn)斷面量水的簡化方法[J].中國農(nóng)村水利水電，2009（10）：99-102.

[3]張志昌，肖宏武，毛兆民，等.U形渠道直壁式量水槽的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和制作工藝研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，27（4）：417-422.

[4]張志昌，張漫麗，王開民.U形（圓底形）長喉道測(cè)流槽水力特性的研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2000，16（2）：5-11.

[5]朱風(fēng)書，馬孝義，朱曉群，等.U形渠道拋物線形移動(dòng)式量水堰板研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18（3）：36-40.

[6]黃興武，孫芳勝.灌區(qū)U形渠道流量測(cè)算的方法探討：三角型剖面堰在東雷二期抽黃渠道上的應(yīng)用[J].山西水利，2009（增刊2）：150-153.

[7]HAGER W H.Modified Venturi Channel[J].Journal of Irri-gation and Drainage Engineering，1985，111：19-35.

[8] SAMANI Z，MAGALLEMEZ H.Simple Flume for Flow Meas-urement in Open Channel[J].Journal of Irrigation andDrainage Engineering，2000，126：127-129.

[9]戚玉彬，張?jiān)略?，羅江海.小型U形渠道適宜量水設(shè)備淺析[J].中國農(nóng)村水利水電，2007（12）：71-73.

[10]昊持恭.水力學(xué)：下冊(cè)[M].北京：高等教育出版社，1998：298.

[11]孫西歡，馬娟娟，周義仁.灌區(qū)量水技術(shù)及其自動(dòng)化[M].北京：中國水利水電出版社，2014：5.