U形渠道便攜式板柱結(jié)合型量水槽水力性能研究

王玉寶 楊 娟 李 鑫 王文娥 何武全

(1.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;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院， 陜西楊凌 712100)

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)用水量占全國(guó)總用水量的60%以上，節(jié)約農(nóng)業(yè)用水有利于緩解我國(guó)水資源緊缺帶來(lái)的壓力[1-4]。我國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力的50%在于管理節(jié)水[5-7]，完善我國(guó)灌區(qū)量水設(shè)施、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)用水的精確計(jì)量是開(kāi)展農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革和實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度等管理措施的基礎(chǔ)[4,8-9]。我國(guó)灌區(qū)小型渠道數(shù)目眾多，量水設(shè)施缺乏，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)用水難以按量計(jì)費(fèi)，仍普遍采用按公頃征收水費(fèi)的方式，不利于提高農(nóng)民節(jié)水積極性，造成灌溉水浪費(fèi)嚴(yán)重[10-11]。小型渠道中U形渠道占地面積小、防滲抗凍性能好，且具有較強(qiáng)的輸水、輸沙能力，在我國(guó)灌區(qū)應(yīng)用廣泛[12-13]。

有關(guān)小型U形渠道量水方面的研究以固定式量水設(shè)備為主，主要有平底拋物線形量水槽[14]、拋物線形喉口式量水槽[15]、直壁槽式量水堰[16]、機(jī)翼形量水槽[17]、U形喉道測(cè)流槽[18]、三角形剖面堰[19]和半圓柱形量水槽[20]等。固定式量水槽在灌溉水泥沙含量低、渠道底坡坡度較大的地區(qū)使用效果較好。若設(shè)置在灌溉水泥沙含量較高、底坡平緩的渠道中，會(huì)使量水槽上游水位長(zhǎng)時(shí)間壅高，流速放緩，造成泥沙不斷淤積，導(dǎo)致測(cè)流精度和渠道過(guò)流能力下降，致使農(nóng)戶對(duì)小型渠道固定式量水設(shè)備的接受程度降低，并常造成對(duì)固定式量水設(shè)施的人為損毀。此外，灌區(qū)末級(jí)渠道需要測(cè)控?cái)嗝娑?，采用固定式量水設(shè)施量水時(shí)建造成本高。

為克服固定式量水設(shè)施的缺陷，學(xué)者們提出了多種移動(dòng)式量水技術(shù)，其中較常用的有流速儀測(cè)流、超聲波測(cè)流和激光測(cè)流[21-23]。也有一些學(xué)者開(kāi)展了移動(dòng)式量水槽的研究。移動(dòng)式量水槽一般通過(guò)在渠道邊壁或渠道中央安裝量水設(shè)施來(lái)縮窄過(guò)水?dāng)嗝妫纬膳R界流進(jìn)行量水。如拋物線形移動(dòng)式量水堰板[24]是一種設(shè)置在邊壁的量水槽，其測(cè)流誤差小于5%，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，利于泥沙及漂浮物通過(guò)。由于U形渠道橫斷面形式多樣，每種裝在邊壁上的量水設(shè)備僅適合特定的一種斷面型式，且滿足收縮比要求時(shí)其斷面收縮程度較大，造成邊壁式量水設(shè)施體型較大；而安裝在中間的移動(dòng)式量水槽，在滿足收縮比(設(shè)置量水設(shè)備后，量水槽喉口面積與渠道斷面面積之比)在適宜范圍內(nèi)的條件下，同一量水設(shè)備經(jīng)率定后可適用于多種斷面型式和結(jié)構(gòu)尺寸的U形渠道[25]。HAGER[26]對(duì)圓柱形量水槽的過(guò)槽水流進(jìn)行了理論分析，根據(jù)臨界流原理推導(dǎo)出圓柱形量水槽分別用于矩形、梯形及U形渠道測(cè)流時(shí)的水深-流量關(guān)系；何武全等[27]在HAGER的研究基礎(chǔ)上，對(duì)U形渠道圓柱體量水槽進(jìn)行了理論和試驗(yàn)研究，提出了測(cè)流公式，相對(duì)誤差為3.78%；劉嘉美等[28]基于圓柱繞流理論，在圓柱體的背水側(cè)增設(shè)V形尾翼，提出了圓頭量水柱；劉英等[29]進(jìn)一步進(jìn)行了U形渠道圓頭量水柱的研究，發(fā)現(xiàn)其水頭損失比長(zhǎng)喉道量水槽小，且小于同收縮比條件下的圓柱體量水槽。

以往研發(fā)的量水槽大多以流線型為參考設(shè)計(jì)，流線型量水槽可以有效減少水流與量水槽壁面分離，使水流更順暢，減小水頭損失和泥沙淤積，但需要一定的順流長(zhǎng)度，其便攜程度還有較大的提升空間。為進(jìn)一步提高量水槽便攜程度，在吸收以往量水槽設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文提出一種體型盡可能小、且滿足測(cè)流要求的板柱結(jié)合型量水槽，并通過(guò)原型試驗(yàn)和數(shù)值模擬對(duì)其水力性能進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與測(cè)流原理

1.1.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

板柱結(jié)合型量水槽通過(guò)局部縮窄渠道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，使過(guò)槽水流加速并產(chǎn)生臨界流，形成穩(wěn)定且單一的水位-流量關(guān)系，利用駐點(diǎn)水深計(jì)算過(guò)槽流量。便攜式量水槽不需要固定在渠道中，測(cè)流時(shí)間短，不會(huì)造成泥沙淤積，因此對(duì)水頭損失、壅水高度等指標(biāo)的要求較低。由于便攜式量水槽需要經(jīng)常進(jìn)行安裝、拆卸和搬運(yùn)，所以對(duì)便攜程度的要求高，除了需要滿足測(cè)流條件外，還要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體型小[30]。HAGER[31]提出了“文丘里量水槽”，該量水槽由兩塊分別安裝在矩形渠道兩側(cè)的薄板構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體型小。水流收縮程度隨著量水槽寬度和量水槽相對(duì)長(zhǎng)度的增大而增大[32]。因此，量水槽需要有足夠的寬度或者順流長(zhǎng)度才能使過(guò)槽水流達(dá)到臨界流狀態(tài)。量水槽的順流長(zhǎng)度對(duì)水流收縮程度的影響程度比其寬度小，增加順流長(zhǎng)度會(huì)造成量水槽體積大幅度增大，嚴(yán)重降低量水槽便攜程度[32]。理論上，滿足測(cè)流條件的體型最小、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的量水槽就是在渠道中央放置一塊與水流方向垂直的薄板。薄板量水槽的缺點(diǎn)是流線差，水頭損失大，不易形成穩(wěn)定的駐點(diǎn)水深，圓柱量水槽、帶尾翼的圓頭量水槽以及橢圓形量水槽(長(zhǎng)軸與水流平行)，在一定程度上避免了薄板量水槽的缺陷。

本研究結(jié)合薄板和圓柱各自的優(yōu)點(diǎn)，提出了板柱結(jié)合型量水槽。該量水槽由一個(gè)圓柱體和分別位于該圓柱兩側(cè)的兩塊薄板(圓柱體和薄板部分可移動(dòng)，量水時(shí)置于渠道中間，減小過(guò)水?dāng)嗝嬉孕纬膳R界流)，以及原U形渠道共同組成。量水槽的薄板部分可以有效地縮小量水槽尺寸，提高便攜度；圓柱體部分可以改善量水槽流線分布情況，形成較穩(wěn)定的駐點(diǎn)水深。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)[33]，受水流脈動(dòng)的影響，駐點(diǎn)水深存在一定的波動(dòng)，且駐點(diǎn)區(qū)域的位置會(huì)隨渠道底坡坡度的變化而改變，影響駐點(diǎn)水深量測(cè)精度，導(dǎo)致測(cè)流精度降低。為了進(jìn)一步優(yōu)化板柱結(jié)合型量水槽的結(jié)構(gòu)，提高測(cè)流精度，本研究改進(jìn)了駐點(diǎn)水深的量測(cè)方法。在量水槽迎水面前端鉆一排小孔，使水流進(jìn)入量水槽的圓柱內(nèi)部，柱內(nèi)水深波動(dòng)極小，可通過(guò)圓柱內(nèi)水深間接測(cè)得駐點(diǎn)水深。板柱結(jié)合型量水槽結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 板柱結(jié)合型量水槽結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematics of plate-column portable flume

1.1.2測(cè)流原理

板柱結(jié)合型量水槽基于臨界流原理測(cè)量過(guò)槽流量。將量水槽安裝在渠道中央，通過(guò)局部縮窄渠道過(guò)流斷面面積，使過(guò)槽水流加速并形成臨界流，產(chǎn)生不受下游水流影響的穩(wěn)定且單一的水深-流量關(guān)系，達(dá)到最佳測(cè)流效果[34-35]。結(jié)合能量守恒原理，通過(guò)駐點(diǎn)水深來(lái)計(jì)算過(guò)槽流量。

臨界流斷面的能量方程為

(1)

式中Hk——臨界流斷面總水頭(總能量)，m

hk——臨界流斷面水深，m

vk——臨界斷面流速，m/s

g——重力加速度，m/s2

α——?jiǎng)幽苄拚禂?shù)，取1.0

臨界流斷面的弗汝德數(shù)Fr等于1，即

(2)

(3)

式中Q——計(jì)算過(guò)槽流量，m3/s

Ak——臨界斷面面積，m2

渠道斷面形狀尺寸及量水槽尺寸一定的情況下可由臨界流斷面水深hk計(jì)算得到Ak。

理論上，在臨界水深已知的情況下，可通過(guò)式(3)計(jì)算出過(guò)槽流量。但由于臨界斷面會(huì)隨著流量、收縮比等因素的變化而發(fā)生改變，實(shí)際測(cè)量臨界水深有一定的難度。因此結(jié)合能量守恒原理，通過(guò)上游總能量計(jì)算過(guò)槽流量。

假定上游斷面至臨界流斷面的能量損失忽略不計(jì)，根據(jù)能量守恒有

(4)

式中H1——量水槽上游總水頭(總能量)，m

由式(2)、(4)可得

(5)

式中Hs——駐點(diǎn)水深，m

式(5)表明上游總能量與臨界水深具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，而臨界水深與流量具有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此可以通過(guò)上游總能量計(jì)算出過(guò)槽流量。板柱結(jié)合型量水槽安裝后會(huì)在量水槽迎水面頂端形成駐點(diǎn)水深，理論上駐點(diǎn)水深與上游總能量相等，故本研究通過(guò)駐點(diǎn)水深來(lái)測(cè)量過(guò)槽流量。

由式(3)、(5)可得

(6)

假設(shè)量水槽過(guò)流面積最小的斷面為臨界流斷面。由于實(shí)際應(yīng)用中該斷面的水深一般大于渠道斷面圓弧段的高度，本研究?jī)H對(duì)水深高于圓弧段的情況加以討論。

(7)

(8)

式中r——U形渠道圓弧段半徑，m

θ——圓弧段中心角，rad

m——U形渠道直線段邊坡系數(shù)

b——量水槽寬度，m

Ab——量水槽在臨界流斷面處截面面積，m2

已知駐點(diǎn)水深Hs的情況下，通過(guò)式(5)～(8)可計(jì)算出過(guò)槽流量。

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

1.2.1試驗(yàn)裝置

圖2 原型試驗(yàn)系統(tǒng)和有機(jī)玻璃U形渠道橫斷面 尺寸示意圖Fig.2 Prototype test system and cross section dimensions of plexiglass U-shaped channel1.供水管道 2.流量調(diào)節(jié)閥門(mén) 3.穩(wěn)水池 4.測(cè)針 5.板柱結(jié)合型量水槽 6.有機(jī)玻璃U形渠道 7.尾門(mén) 8.底坡坡度調(diào)節(jié)裝置 9.尾水池 10.渠首支架

原型試驗(yàn)裝置主要由供水管道、流量調(diào)節(jié)閥門(mén)、穩(wěn)水池、試驗(yàn)渠道、板柱結(jié)合型便攜式量水槽、渠道底坡坡度調(diào)節(jié)裝置、尾門(mén)、尾水池等組成，如圖2a所示。通過(guò)泵房將蓄水池的水抽入供水管道，利用閥門(mén)調(diào)節(jié)試驗(yàn)流量。水流經(jīng)穩(wěn)水池后流入有機(jī)玻璃U形渠道，然后進(jìn)入尾水池，通過(guò)回水渠道流回蓄水池。供水管道段安裝有電磁流量計(jì)、回水渠道段設(shè)置有三角形量水堰，以量測(cè)試驗(yàn)流量。板柱結(jié)合型便攜式量水槽的上、下游各處水位通過(guò)SCM60型水位測(cè)針測(cè)量，精度為0.1 mm。試驗(yàn)渠道為U形有機(jī)玻璃渠道，渠長(zhǎng)12 m，渠道綜合糙率n取0.011，坡度可進(jìn)行調(diào)節(jié)。渠道橫斷面參數(shù)如圖2b所示。

1.2.2試驗(yàn)方法

本研究在5個(gè)渠道底坡坡度(i=1/500、1/1 000、1/2 000、1/5 000、0)、7個(gè)流量(15、20、25、30、35、40、45 L/s)的工況下，分別對(duì)5個(gè)不同收縮比(ε=0.514 2、0.561 1、0.608 5、0.656 4、0.704 8)的板柱結(jié)合型量水槽進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過(guò)調(diào)節(jié)底坡調(diào)節(jié)裝置，將渠道底坡坡度調(diào)整為試驗(yàn)坡度。按照試驗(yàn)裝置圖在渠道適當(dāng)位置處安置好板柱結(jié)合型量水槽后打開(kāi)水泵供水，利用直角三角堰及電磁流量計(jì)監(jiān)測(cè)渠道中的實(shí)時(shí)流量，通過(guò)流量調(diào)節(jié)閥門(mén)調(diào)節(jié)流量至待測(cè)流量，之后調(diào)整渠道尾門(mén)開(kāi)度，使水流處于自由出流狀態(tài)，按照編排好的控制斷面順序依次讀出水位測(cè)針讀數(shù)并記錄讀數(shù)和水流現(xiàn)象。最后減小渠道尾門(mén)開(kāi)度，通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)試使水流處于臨界淹沒(méi)狀態(tài)，記錄上下游斷面水深。

1.2.3模擬方法

為了能夠更加深入地分析安裝量水槽后渠道中的水流狀況，根據(jù)模型試驗(yàn)的條件對(duì)量水槽上游4 m處至其下游5 m處之間的流場(chǎng)進(jìn)行了仿真模擬。通過(guò)AutoCAD軟件建立渠道及量水槽的三維模型，如圖3a所示，并將模型導(dǎo)入Flow 3D軟件對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行模擬。根據(jù)板柱結(jié)合型量水槽的工作原理及特點(diǎn)，采用RNGk-ε三維湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并采用有限差分法將模擬控制方程離散為代數(shù)方程組進(jìn)行求解計(jì)算，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心差分格式，最小步長(zhǎng)設(shè)為10-6。TruVOF計(jì)算方法只計(jì)算含有液體的單元而不考慮只含氣體的單元，很大程度上減少了模型收斂所需的時(shí)間，對(duì)自由液面的描述更加準(zhǔn)確。

圖3 U形渠道板柱結(jié)合型量水槽網(wǎng)格塊及連接處 網(wǎng)格劃分放大圖Fig.3 Schematics of grid division of model of plate-column portable flume in U-shaped channel

共采用3個(gè)網(wǎng)格塊對(duì)整個(gè)流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行劃分，由于量水槽附近的流場(chǎng)中各水力要素變化較劇烈，為了逼真地模擬渠道流態(tài)，同時(shí)減少計(jì)算時(shí)間，劃分該區(qū)域的網(wǎng)格塊采用較小的網(wǎng)格尺寸，如圖3b所示，單元網(wǎng)格長(zhǎng)度為0.5 cm，該網(wǎng)格塊上下游的網(wǎng)格塊的單元網(wǎng)格長(zhǎng)度均設(shè)置為1.0 cm，整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格總數(shù)為430萬(wàn)～550萬(wàn)。

邊界條件：上游進(jìn)口設(shè)置為流量進(jìn)口(Volume flow rate)，根據(jù)試驗(yàn)中的實(shí)際流量給定一系列流量的進(jìn)口流量值，默認(rèn)流體從整個(gè)邊界開(kāi)放區(qū)域流入，流動(dòng)方向與邊界垂直；下游出口設(shè)置為出流邊界(Outflow)；渠道底部與側(cè)壁均選擇固壁邊界(Wall)；渠道頂部空氣入口設(shè)定為對(duì)稱邊界(Symmetry)，即默認(rèn)無(wú)流體穿過(guò)該邊界。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1測(cè)流公式及測(cè)流精度

測(cè)流公式?jīng)Q定量水槽的測(cè)流精度。以往量水槽測(cè)流公式多是基于平坡(i=0)條件得到，但灌區(qū)渠道大多為正坡，且修建的平坡渠道在凍融循環(huán)的影響下其底坡也會(huì)發(fā)生改變。因此，應(yīng)用基于平坡條件得到的流量公式會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)流誤差[36-37]。本研究通過(guò)回歸分析，獲得了適用于不同坡降、不同收縮比條件下的流量公式。影響量水槽過(guò)流條件的物理參數(shù)有：渠道底坡坡度、收縮比、駐點(diǎn)水深、量水槽喉口水面寬度和重力加速度?；诹烤V分析原理，利用SPSS軟件回歸分析得到具有量綱和諧性的測(cè)流公式

(9)

式中Bc——板柱結(jié)合型量水槽喉口處水面寬度，m

圖4 板柱結(jié)合型量水槽的測(cè)流相對(duì)誤差累計(jì)頻率Fig.4 Cumulative frequency of flow measurement relative errors for plate column combined flume

式(9)具有較高的計(jì)算精度(圖4)，平均相對(duì)誤差為2.07%。當(dāng)i>0時(shí)，測(cè)流相對(duì)誤差均小于10%，最大相對(duì)誤差為7.34%，最小相對(duì)誤差為-0.01%，其中95%的相對(duì)誤差不超過(guò)5%，平均相對(duì)誤差僅為0.22%；當(dāng)i=0時(shí)，量水槽相對(duì)誤差均小于5%，最大相對(duì)誤差為4.30%，最小相對(duì)誤差為-0.18%，平均相對(duì)誤差僅為0.15%。表明板柱結(jié)合型量水槽測(cè)流精度高，滿足灌區(qū)測(cè)流要求。

2.1.2壅水高度

過(guò)槽水流流經(jīng)量水槽時(shí)，流線向渠道兩側(cè)彎曲，流速急劇增大、水位明顯降低，在量水槽后方一定距離處匯合并形成水躍。由此產(chǎn)生的上下游水位差定義為量水槽的壅水高度。過(guò)大的上游壅水高度會(huì)增加渠道土方開(kāi)挖量，導(dǎo)致投資加大。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，上游壅水高度最大值為13.69 cm，最小值為1.85 cm，平均值為5.52 cm。渠道底坡坡度、流量和收縮比均是量水槽壅水高度的影響因素。整體上，板柱結(jié)合型量水槽的壅水高度隨量水槽收縮比的減小而增大，隨渠道底坡坡度和流量的增大而增大，如圖5所示(其他坡降或收縮比條件下的壅水高度變化規(guī)律與圖5類似)。底坡較陡的渠道，水流流速較大，動(dòng)能占總能頭的比例較大，能量轉(zhuǎn)化引起的壅水高度較大[38]；收縮比越小，量水槽阻水能力越大，上游壅水越高[38]。因此，渠道底坡坡度較陡時(shí)適合應(yīng)用收縮比較大的量水槽；渠道底坡坡度較緩時(shí)，可以選用收縮比較小的量水槽。以上游壅水高度不超過(guò)10 cm為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)渠道底坡坡度i≤1/1 000時(shí)，應(yīng)采用收縮比ε>0.514 2的量水槽；當(dāng)渠道底坡坡度i≤1/500時(shí)，應(yīng)采用收縮比ε>0.608 5的量水槽。

圖5 上游壅水高度與量水槽收縮比、渠道底坡 坡度和過(guò)水流量的關(guān)系Fig.5 Relationship between upstream backwater height and contraction ratios, slopes of channel and flow rates

2.1.3臨界淹沒(méi)度

臨界淹沒(méi)度是指收縮比、流量和渠道底坡坡度一定的條件下，量水槽下游水深剛好開(kāi)始影響上游水深時(shí)下游水深與上游水深之比。臨界淹沒(méi)度反映了能保證量水槽處于自由出流的下游水深的范圍。試驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)渠道尾門(mén)得到不同的下游水深，對(duì)量水槽的臨界淹沒(méi)度進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，臨界淹沒(méi)度最大值為0.91，最小值為0.70，平均為0.80。臨界淹沒(méi)度與坡度沒(méi)有明顯的關(guān)系，總體上隨收縮比的減小而減小，隨流量的增大而增大，如圖6所示

圖6 渠道底坡坡度i=1/1 000下的臨界淹沒(méi)度Fig.6 Critical submergence under condition of channel bottom slope i=1/1 000

(其他坡降條件下臨界淹沒(méi)度的變化規(guī)律與圖6類似)。

2.1.4駐點(diǎn)水深

根據(jù)能量守恒定理，駐點(diǎn)水深與上游總能量相等，故可以利用駐點(diǎn)水深代替上游總能量來(lái)測(cè)流。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，駐點(diǎn)水深與上游總能量的決定系數(shù)為0.986，二者總體相等，如圖7a所示。為了獲得更加精確的駐點(diǎn)水深，本研究通過(guò)測(cè)量柱內(nèi)水深間接得到駐點(diǎn)水深。理論上，柱內(nèi)水深與駐點(diǎn)水深相等，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)二者決定系數(shù)等于0.991，如圖7b所示。與駐點(diǎn)水深相比，柱內(nèi)水面波動(dòng)極小，水深易測(cè)且受雜草、泥沙等的干擾小。因此，利用柱內(nèi)水深間接測(cè)得駐點(diǎn)水深的方法可行、高效。試驗(yàn)結(jié)果表明柱內(nèi)水深與流量之間具有良好的相關(guān)性。渠道底坡坡度為1/500時(shí)柱內(nèi)水深與流量的決定系數(shù)為0.966，如圖7c所示。

圖7 駐點(diǎn)水深與上游總能量、柱內(nèi)水深、流量的關(guān)系Fig.7 Relationship between water depth of stagnation point and total energy of upstream, water depth in column and flow rates

2.1.5槽前弗汝徳數(shù)

槽前弗汝徳數(shù)Fr是影響量水槽測(cè)流精度的重要因素之一。過(guò)大的槽前Fr可能導(dǎo)致量水槽上游水面產(chǎn)生較大波動(dòng)，影響駐點(diǎn)水深測(cè)量的精確性，導(dǎo)致測(cè)流精度下降。一般要求明渠測(cè)流時(shí)槽前Fr小于0.5。試驗(yàn)結(jié)果表明：量水槽收縮比越大，槽前Fr越大；收縮比相同的情況下，槽前Fr總體隨流量的增大而增大，如圖8a所示。當(dāng)收縮比和流量一定時(shí)，渠道越陡，槽前Fr越大，如圖8b所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，板柱結(jié)合型量水槽的槽前Fr均小于0.5，滿足測(cè)流要求。其他坡降或收縮比條件下的槽前Fr變化規(guī)律與圖8類似。

2.2 模擬結(jié)果

2.2.1水面線

圖8 槽前Fr與渠道底坡坡度、收縮比、流量的關(guān)系Fig.8 Relationship between upstream Froude number and slopes of channel, contraction ratios and flow rates

為驗(yàn)證模擬方法的可靠性，本研究原型試驗(yàn)中測(cè)量了駐點(diǎn)水深及板柱結(jié)合型量水槽上、下游若干斷面處渠道中心線上的水深，并與模擬值進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：當(dāng)水流接近量水槽時(shí)，水深沿水流方向升高，在量水槽迎水面前端達(dá)到最大值，形成駐點(diǎn)水深；渠道中心線上的水深在量水槽下游側(cè)最后端處最低，并沿水流方向不斷增大，在量水槽下游側(cè)一定距離處達(dá)到最大，之后水深基本沿程不變。模擬值和實(shí)測(cè)值吻合程度高，表明可以通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)板柱結(jié)合型量水槽進(jìn)行研究，如圖9所示。

圖9 設(shè)置板柱結(jié)合型量水槽后的渠道水面線

2.2.2流速分布

分析量水槽流場(chǎng)的流速分布對(duì)研究量水槽水力特性和優(yōu)化量水槽結(jié)構(gòu)具有重要意義。板柱結(jié)合型量水槽上游的水流流速較低，流速分布較均勻。在量水槽上游側(cè)靠近量水槽的區(qū)域，隨著水流不斷地接近量水槽，渠道斷面兩側(cè)的水流向渠道邊壁收縮，流速不斷增大，中間的水流流速不斷降低。渠道斷面中間的水流流速在量水槽迎水面最前端降為零；斷面兩側(cè)的水流在量水槽板的外端與量水槽分離，之后繼續(xù)向渠道兩側(cè)收縮，流速繼續(xù)增大，在量水槽后方一定距離處達(dá)到最大。隨后，過(guò)槽水流急劇擴(kuò)散、交匯并形成水躍。經(jīng)過(guò)水躍段水流質(zhì)點(diǎn)不斷混摻、碰撞，水流流速重新分布，最終恢復(fù)均勻，回到緩

流狀態(tài)。圖10為i=1/2 000、Q=35 L/s、ε=0.608 5下板柱結(jié)合型量水槽的沿程流速分布圖。

圖10 板柱結(jié)合型量水槽的沿程流速分布Fig.10 Velocity distribution along channel after setting plate-column portable flume

3 討論

與其他幾種移動(dòng)式量水槽的水力性能進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)：板柱結(jié)合型量水槽精度較高，僅次于帶尾翼的圓柱形量水槽；其水頭損失、上游壅水高度較其他移動(dòng)式量水槽大；臨界淹沒(méi)度相對(duì)較低，便攜度較高(表1)。

表1 不同移動(dòng)式量水槽性能對(duì)比Tab.1 Performance comparison of different mobile flumes

注：“/”表示該文獻(xiàn)中缺少對(duì)量水槽該項(xiàng)性能的研究或無(wú)法從文獻(xiàn)中獲得；*為ε=0.560 0～0.750 0時(shí)的水頭損失。

(1)測(cè)流精度

量水精度是評(píng)價(jià)量水槽性能的決定性指標(biāo)。量水誤差主要來(lái)源于渠槽系統(tǒng)修建過(guò)程中的施工誤差和測(cè)流斷面水位量測(cè)誤差[37,39]。與以往研究成果相比，板柱結(jié)合型量水槽通過(guò)柱內(nèi)水深測(cè)量駐點(diǎn)水深，可有效避免槽前水面波動(dòng)、水尺零點(diǎn)誤差和渠道底坡坡度變化引起的駐點(diǎn)位置改變等帶來(lái)的水位測(cè)流誤差。同時(shí)，板柱結(jié)合型量水槽體型小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝簡(jiǎn)便，很大程度上減少了施工因素對(duì)測(cè)流誤差的影響。板柱結(jié)合型量水槽的平均測(cè)流相對(duì)誤差僅為2.07%，測(cè)流精度高于U形渠道機(jī)翼形量水槽(平均測(cè)流相對(duì)誤差為2.58%)[17]， U形渠道半圓柱形量水槽(平均測(cè)流相對(duì)誤差為3.55%)[20]。劉英等[40]研制的帶尾翼圓柱形量水槽制作和安裝誤差小，測(cè)流精度高，其測(cè)流相對(duì)誤差最大值為6.22%，最小值為-0.01%，平均相對(duì)誤差僅為0.1%。板柱結(jié)合型量水槽在正坡條件下的測(cè)流精度與帶尾翼圓柱形量水槽相差不大，最大相對(duì)誤差為7.34%，最小相對(duì)誤差為-0.01%，平均相對(duì)誤差為0.22%。帶尾翼圓柱形量水槽結(jié)構(gòu)較接近流線型，過(guò)槽水流順暢，駐點(diǎn)處水深穩(wěn)定；板柱結(jié)合型量水槽是非流線型結(jié)構(gòu)，駐點(diǎn)處水深存在一定的波動(dòng)。本研究通過(guò)柱內(nèi)水深間接測(cè)得駐點(diǎn)水深，有效地減小了板柱結(jié)合型量水槽駐點(diǎn)處水深波動(dòng)造成的測(cè)流誤差。圓柱形和橋墩形量水槽不屬于流線型結(jié)構(gòu)，駐點(diǎn)水深存在一定的波動(dòng)，直接測(cè)量駐點(diǎn)水深導(dǎo)致其測(cè)流誤差較大(表1)。

(2)壅水高度、水頭損失、臨界淹沒(méi)度

與其他幾種便攜式量水槽相比，板柱結(jié)合型量水槽阻水能力較強(qiáng)，導(dǎo)致上游壅水高度較大；水流流線彎曲明顯，局部水頭損失較大。移動(dòng)式量水槽只需在測(cè)流時(shí)臨時(shí)安裝在渠道中，測(cè)流時(shí)間一般不超過(guò)5 min，雖壅水高度和水頭損失較大，但不會(huì)出現(xiàn)泥沙淤積，渠道過(guò)水能力降低等問(wèn)題。在流量較大時(shí)可選用收縮比較大的量水槽，以免上游水深超過(guò)渠道安全超高即可。板柱結(jié)合型量水槽的臨界淹沒(méi)度較圓柱形和帶尾翼的圓柱形量水槽低，與橋墩形量水槽相差不大，可在較大范圍內(nèi)保證自由出流。

4 結(jié)論

(1)借鑒薄板和圓柱形量水槽各自的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種U形渠道便攜式板柱結(jié)合型量水槽，并結(jié)合連通器原理，改進(jìn)了駐點(diǎn)水深的量測(cè)方法。該量水槽體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作、安裝和拆卸，便攜程度高，具有良好的水位-流量關(guān)系，駐點(diǎn)水深容易獲得，可臨時(shí)安裝在U形渠道中測(cè)流。測(cè)流精度較高，可滿足灌區(qū)測(cè)流要求。在i>0時(shí)測(cè)流相對(duì)誤差均小于10%，最大相對(duì)誤差為7.34%，其中95%的相對(duì)誤差不超過(guò)5%；當(dāng)i=0時(shí)，量水槽相對(duì)誤差均小于5%。

(2)板柱結(jié)合型量水槽的壅水高度隨收縮比的減小而增大，隨渠道底坡坡度和流量的增大而增大。以上游壅水高度不超過(guò)10 cm為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)渠道底坡坡度i≤1/1 000時(shí)，宜采用收縮比ε大于0.514 2的量水槽；當(dāng)渠道底坡坡度i≤1/500時(shí)，宜采用收縮比ε大于0.608 5的量水槽。能在較大范圍內(nèi)保證自由出流，其臨界淹沒(méi)度總體上隨收縮比的減小而減小，隨流量的增大而增大，與坡度沒(méi)有明顯的關(guān)系。槽前Fr均小于0.5，滿足測(cè)流要求。

(3)板柱結(jié)合型量水槽較現(xiàn)有的圓柱形量水槽、帶尾翼的圓頭量水槽、橋墩形量水槽和橢圓形量水槽體型更小，便攜程度更高。其上游壅水高度稍大，臨界淹沒(méi)度稍低，但均能滿足灌區(qū)測(cè)流要求。