U形渠道跌水口量水試驗(yàn)研究

Sothearith Seak，胡笑濤，王文娥

(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)

隨著中國(guó)灌區(qū)改造的推進(jìn)，U形渠道以其水力條件優(yōu)越、節(jié)省土地等優(yōu)點(diǎn)[1]，在斗渠及其以下渠道的建設(shè)中得到大量推廣。根據(jù)灌區(qū)現(xiàn)代化管理的需要，為了實(shí)現(xiàn)按量收費(fèi)，我國(guó)在量水設(shè)施領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，也取得了很多成果，其中包括多種針對(duì)U形渠道研發(fā)的量水設(shè)施[2]，如拋物線形喉口式量水槽、圓頭量水柱、直壁式量水槽等，這些量水設(shè)施多基于平原灌區(qū)底坡較平緩(多數(shù)小于1/1 000)的渠道設(shè)計(jì)；目前對(duì)于渠道底坡較陡時(shí)還缺乏適宜的簡(jiǎn)易量水設(shè)施，如甘肅河西走廊綠洲區(qū)主要位于祁連山山前拗陷帶，引祁連山雪山融水灌溉，渠道底坡較陡；當(dāng)?shù)匦⌒颓蓝酁閁形斷面，底坡一般為1/150～1/500，缺乏適宜的量水設(shè)施研究。

對(duì)于地勢(shì)較陡的灌區(qū)，為了防止灌溉渠道底坡較大時(shí)引起的沖刷，多設(shè)置跌水作為落差建筑物。跌水可直接用于流量量測(cè)，具有不需要新增建筑物、只需測(cè)量水深即可得到流量、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，如楊永森等[3,4]采用臨界流原理研究了二元自由跌水的水力特性，建立了水位流量理論公式；胡君杰等[5]、李建雄[6]等提出在梯形渠道的跌坎處修建矩形跌水口進(jìn)行測(cè)流、柳洪學(xué)[7]介紹了跌水式弧形量水堰、盧艷娜等[8]進(jìn)行了矩形渠道自由跌水量水堰試驗(yàn)，均建立了水位流量擬合關(guān)系式；陳小攀等[9]對(duì)矩形及U形渠道跌水測(cè)流進(jìn)行了試驗(yàn)研究，將U形渠道跌水看成是堰高為零的薄壁堰進(jìn)行流量公式推演，但跌水水流流動(dòng)特性并不符合薄壁堰的定義。U形渠道斷面的弧形底部與矩形及梯形渠道形狀特征差異大，其水流運(yùn)動(dòng)具有明顯的三維特征，已有研究成果不能直接用于U形渠道跌水的水力性能研究[10]，因此本文根據(jù)U形渠道斷面特點(diǎn)，針對(duì)渠道底坡較大時(shí)的測(cè)流要求，對(duì)U形渠道跌水進(jìn)行了水力性能試驗(yàn)，分析各水力要素與流量的關(guān)系，確定流量計(jì)算方法，為灌區(qū)量水設(shè)施應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)北校區(qū)水工廳進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括：泵房、高位水池、穩(wěn)水池、調(diào)節(jié)閥門、輸水管道、有機(jī)玻璃U形渠道(渠道底坡可調(diào)節(jié))、三角堰、地下回水渠道等。試驗(yàn)流量范圍為7～50 L/s，每7L/s左右設(shè)置一個(gè)流量，每種底坡6種流量，底坡設(shè)置為1/200、1/400、1/600、1/800。回水渠道段設(shè)三角形量水堰，量測(cè)過(guò)槽流量。跌水口上游共設(shè)22個(gè)測(cè)流斷面，斷面水深通過(guò)SCM60型水位測(cè)針測(cè)量，精度為0.1 mm；試驗(yàn)渠道為有機(jī)玻璃U形渠道，渠道綜合糙率n取0.011。試驗(yàn)布置示意圖見圖1，試驗(yàn)U形渠道底弧直徑40 cm、長(zhǎng)度12 m，相關(guān)參數(shù)見表1。由于水流通過(guò)跌水口時(shí)，水深連續(xù)變化，因此從跌水口斷面開始向上游800 cm范圍內(nèi)設(shè)置了22個(gè)測(cè)流斷面，測(cè)定跌水上游水深沿程變化。

圖1 試驗(yàn)布置示意圖

渠道類型渠頂寬/m渠深/m渠長(zhǎng)/m底弧直徑/m中心角/(°)外傾角/(°)U形0.530.45120.415214

試驗(yàn)中采用直角三角形薄壁堰測(cè)量實(shí)際流量，其流量計(jì)算公式為：

Q=1.343H2.47

(1)

式中：Q為流量，m3/s；H為直角三角形薄壁堰的堰上水頭，m。

2 跌水測(cè)流原理分析

灌區(qū)輸水渠道為了防止渠道沖刷，渠道底坡不宜設(shè)置過(guò)陡，所以水流多為緩流，通過(guò)跌水口時(shí)，明渠對(duì)水流的阻力減小，水流在重力作用下自由跌落，水深小，為急流，從跌坎上游的緩流發(fā)展為急流，必然經(jīng)過(guò)臨界流，U形渠道跌水測(cè)流原理分析示意圖如圖2所示。從圖2可以看到，跌坎上游均勻流水深為h0，跌坎處水流流線很彎曲，水流為急流，跌水口(跌坎末端斷面)水深he(end-depth)，臨界水深多出現(xiàn)在跌水口斷面上游(3～4)hc處。目前量水槽水力性能的研究中均采用臨界流原理，通過(guò)渠道斷面收縮后產(chǎn)生臨界流，明渠臨界流的水深與流量具有穩(wěn)定關(guān)系，可用于流量測(cè)量，因此可以利用U形渠道跌水上游存在的臨界流測(cè)量流量。根據(jù)臨界流方程可以得到以下流量公式：

(2)

式中：Q為流量；g為重力加速度；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；B為水面寬度；角標(biāo)c為臨界流斷面。

U形渠道斷面形狀復(fù)雜，過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA及水面寬度B計(jì)算公式為：

(3)

(4)

式中：r為底弧半徑，m；h為斷面水深，m；β=2arcos(1-h/r)≤θ；m=cotθ。

在U形渠道跌坎上游的臨界流斷面測(cè)得臨界水深hc，根據(jù)公式(2)～(4)即可計(jì)算得到流量。

圖2 U形渠道跌水測(cè)流原理示意圖

但流量不同時(shí)，U形渠道產(chǎn)生臨界流的斷面位置不相同，即臨界流斷面位置不固定。在流量測(cè)量的實(shí)際應(yīng)用中需要采用固定的測(cè)流斷面，所以無(wú)法直接使用某一流量對(duì)應(yīng)的臨界流斷面作為測(cè)流斷面；根據(jù)明渠水流流動(dòng)特性及能量方程可知，可以通過(guò)與臨界流斷面水深具有穩(wěn)定關(guān)系固定位置斷面，通過(guò)試驗(yàn)建立兩斷面水深的關(guān)系，進(jìn)一步得到通過(guò)跌水的流量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 水面線

水面線能直觀的反映水流沿程變化情況，渠道水面線繪制、計(jì)算和研究是量水設(shè)施設(shè)計(jì)和選擇一個(gè)主要依據(jù)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)4種底坡條件下水面線變化趨勢(shì)一致，圖3給出了底坡為1/200和1/800時(shí)不同流量條件下的水面曲線，另外兩種底坡的水面曲線類似。

圖3 U形渠道跌水上游水面曲線

從圖3可以看出不同底坡、不同流量條件下，水流接近跌水口時(shí)，均出現(xiàn)流線收縮、水深減小的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)跌坎時(shí)，水面不受任何約束，水面明顯降落；某一底坡條件下，同一斷面的水深隨流量的增大而增大；流量相近時(shí)，同一斷面的水深隨著底坡增加而增加，但越接近跌坎這種差異越小。

3.2 跌水口處水深he與臨界水深hc的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)水面線及臨界流斷面佛汝德數(shù)Fr為1，推算臨界流斷面位置及臨界水深hc；從圖3可以看出各流量下水面線均為單一降落曲線，跌水口位置特殊且水深隨流量的增加增加；已有研究表明矩形渠道及梯形渠道矩形跌水口處水深he與臨界水深hc的具有良好的相關(guān)關(guān)系[5-7]，若U形渠道跌水口處水深he與臨界水深hc的也具有良好的相關(guān)關(guān)系，即可將跌水口所在斷面作為測(cè)流斷面。

為了使研究結(jié)果具有普遍意義，將跌水口斷面水深he及臨界流水深hc均除以渠道底弧半徑，得到跌水口相對(duì)水深he/r及相對(duì)臨界水深hc/r兩個(gè)無(wú)量綱物理量，將這兩個(gè)量的試驗(yàn)值繪入圖4，從圖4可以看出不同底坡條件下，跌水口斷面水深he及臨界流水深hc關(guān)系密切且規(guī)律一致，通過(guò)擬合得到關(guān)系式(5)，該式?jīng)Q定系數(shù)為0.982 9，相關(guān)性高，可以利用跌水口斷面的水深計(jì)算通過(guò)跌水的流量。

(5)

式中：r為底弧半徑，m；hc為臨界水深，m；he為跌水口處水深，m。

(6)

式中：s為渠道底坡；n為粗糙系數(shù)。

圖4 不同底坡he及臨界流水深hc的關(guān)系

圖5 與he/hc關(guān)系圖

圖6 兩種公式計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)比圖

3.3 流量計(jì)算及誤差分析

分別采用使用式(5)和式(6)代入式(2)計(jì)算流量，并與實(shí)測(cè)流量進(jìn)行對(duì)比，圖6給出了兩個(gè)公式計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量的對(duì)比圖，從圖6可以看出兩式計(jì)算得到的流量值與實(shí)測(cè)流量非常接近，誤差均在10%以內(nèi)，達(dá)到了測(cè)流精度。小于0.015 m3/s時(shí)，式(6)所得計(jì)算流量更接近實(shí)測(cè)流量；流量大于0.015 m3/s時(shí)，式(5)計(jì)算所得流量誤差均小于5%，式(6)所得計(jì)算流量誤差較式(5)大一些。在實(shí)際應(yīng)用中，輸水渠道多在正常水深附近，小流量運(yùn)行時(shí)間較短，可采用式(5)計(jì)算跌水通過(guò)的流量。

利用明渠上的落差建筑物跌水進(jìn)行流量測(cè)量，不改變明渠原有的斷面形狀、結(jié)構(gòu)，保持原有水流條件，只需要在跌水口處設(shè)立水尺或安裝水深測(cè)定裝置測(cè)定水深，就可以得到通過(guò)跌水的流量，試驗(yàn)結(jié)果表明采用該方法測(cè)流精度較高，滿足測(cè)流要求，是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的量水設(shè)施。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)U形渠道在4種底坡、6種不同流量工況下的跌水口水力性能試驗(yàn)研究，得到以下主要結(jié)論：

(1)分析了U形渠道跌水進(jìn)行流量測(cè)量的臨界流原理及流量計(jì)算公式。

(2)測(cè)量了跌水口上游各斷面水深，對(duì)水面線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)某一底坡條件下，同一斷面的水深隨流量的增大而增大；流量相近時(shí)，同一斷面的水深隨著底坡增加而增加。

(3)根據(jù)建立的臨界水深和跌水口水深關(guān)系式，計(jì)算所得跌水流量與實(shí)測(cè)值非常接近，誤差均小于10%，說(shuō)明可以利用U形渠道跌水進(jìn)行流量測(cè)量，是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的量水設(shè)施。