U形渠道平板閘門過流能力試驗(yàn)研究

胡明宇，王文娥，胡笑濤，王世隆，樊 凱，劉渡坤

?灌溉水源與輸配水系統(tǒng)?

U形渠道平板閘門過流能力試驗(yàn)研究

胡明宇，王文娥*，胡笑濤，王世隆，樊 凱，劉渡坤

(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)

【目的】實(shí)現(xiàn)U形渠道閘門測(cè)流，設(shè)計(jì)U形渠道平板閘門并進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析其水力性能，建立流量公式?！痉椒ā苛髁糠秶?0～50 L/s內(nèi)，控制閘門開度，進(jìn)行U形渠道平板閘門過流能力試驗(yàn)，根據(jù)沿程水深、佛汝德數(shù)、水頭損失等水力參數(shù)分析了U形平板閘門孔流與堰流分界點(diǎn)的判定依據(jù)及過流能力，建立了不同流態(tài)的閘孔出流公式?！窘Y(jié)果】U形平板閘門孔堰流判定依據(jù)相對(duì)開度（為閘前穩(wěn)定水頭）接近1，沿程分布規(guī)律較統(tǒng)一，平均相對(duì)水頭損失達(dá)7%，流量公式誤差小于3.5%，不易出現(xiàn)自由出流?！窘Y(jié)論】U形平板閘門水頭損失較小，水力性能較優(yōu)，流量公式的測(cè)流精度較高，可為灌區(qū)U形渠道流量測(cè)量提供依據(jù)。

U形渠道；閘門；水力性能；閘孔出流；量水

0 引言

【研究意義】灌區(qū)量水是灌溉用水合理配置、按方計(jì)收水費(fèi)制度實(shí)施和灌區(qū)現(xiàn)代化管理的重要保障，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的重要手段[1]。隨著U形渠道在灌區(qū)小型渠道中的廣泛應(yīng)用，研究人員設(shè)計(jì)研發(fā)了適用于U形渠道的拋物線形量水槽[2]、圓柱體量水槽[3-4]、機(jī)翼形量水槽[5]、量水平板[6]等量水設(shè)施。在各種量水設(shè)施中，閘門是利用已有水工建筑物測(cè)流的設(shè)施，可以避免修建特設(shè)量水設(shè)施引起的二次水頭損失，具有操作簡(jiǎn)單、投資低等優(yōu)點(diǎn)[7-9]，也可實(shí)現(xiàn)測(cè)控一體化，在小型渠道中有廣泛的應(yīng)用前景?！狙芯窟M(jìn)展】工程應(yīng)用中主要有平板閘門、弧形閘門和人字閘門3種閘門形式，平板閘門結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、結(jié)實(shí)耐用[10-12]，在灌區(qū)較為常見。目前在平板閘門水力計(jì)算方面已進(jìn)行大量研究，并建立了流量基本公式[13]。管光華等[14]針對(duì)平板閘門的率定問題，提出一種形式簡(jiǎn)單、精度較高的率定模型，可對(duì)自由出流、淹沒出流和堰流3種流態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一率定。Kubrak等[15]驗(yàn)證了淹沒出流條件下閘門測(cè)流的可行性，其流量公式經(jīng)過修正后測(cè)流精度較高。葉云濤等[16]針對(duì)寬頂堰平板閘門，基于經(jīng)驗(yàn)公式回歸分析得出了閘孔出流的流量公式。Silva等[17]運(yùn)用多種平板閘門流量公式，對(duì)比評(píng)價(jià)了不同方法對(duì)閘孔出流不同流態(tài)的計(jì)算效果，認(rèn)為基于能量和動(dòng)量方程的方法更優(yōu)。Ferro[18]建立了從寬頂閘門頂部和底部同時(shí)泄流的水位流量關(guān)系，Vaheddoost等[19]通過隱式方程推導(dǎo)出收縮系數(shù)和能量損失系數(shù)，提高了淹沒出流下的閘門測(cè)流精度?！厩腥朦c(diǎn)】這些研究主要針對(duì)矩形渠道矩形閘門建立流量公式，由于U形渠道底部有圓弧段，與矩形渠道水力特性差異較大，目前對(duì)于灌區(qū)U形渠道U形平板閘門過流能力還缺少深入系統(tǒng)的研究及適用的流量公式。

【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究從北方灌區(qū)末級(jí)渠道輸配水的實(shí)際情況出發(fā)，根據(jù)U形渠道結(jié)構(gòu)和尺寸，設(shè)計(jì)了一種U形平板閘門，通過閘孔出流水力性能試驗(yàn)，分析不同流態(tài)下的沿程水面線、佛汝德數(shù)的變化規(guī)律及孔流與堰流分界點(diǎn)的判定依據(jù)。在閘孔出流基本公式[20]的基礎(chǔ)上，建立U形平板閘門自由出流和淹沒出流的流量公式，為灌區(qū)末級(jí)渠道量水設(shè)備的選擇提供理論參考。

1 材料與方法

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)布置見圖1（a）。試驗(yàn)系統(tǒng)由泵房、調(diào)節(jié)閥門、穩(wěn)水池、尾門、有機(jī)玻璃U形渠道、U形平板閘門、薄壁三角堰、回水渠道等組成。U形渠道體形參數(shù)見圖1（a），長(zhǎng)1 200 cm，渠頂寬53 cm，深45 cm，底弧直徑40 cm，中心角152o，外傾角14o，渠道底坡1/1 000，綜合糙率0.011。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)點(diǎn)布置

U形平板閘門分為閘板和兩側(cè)擋水板，閘板底部設(shè)計(jì)為弓形，與渠底弧形段形狀相同。閘板長(zhǎng)39 cm，高45 cm，U形平板閘門總長(zhǎng)53 cm。兩側(cè)擋水板與渠邊固定，使水流只能從閘板底部過流，過流斷面接近弓形。

U形平板閘門設(shè)在距進(jìn)水口700 cm處，閘門前后共布置22個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖1（b）和表1所示。水位采用SCM60型水位測(cè)針測(cè)量，精度為0.1 mm。流量范圍10～50 L/s，每隔5 L/s左右1個(gè)工況，如表2。實(shí)際流量采用回水渠段的薄壁三角堰測(cè)量，計(jì)算式為：

式中：為流量（m3/s）；為堰上水頭或閘前水位（m）。

表1 渠內(nèi)測(cè)點(diǎn)位置

表2 試驗(yàn)工況

2 結(jié)果與分析

2.1 水面線

水面線的變化可以直觀地反映出渠道內(nèi)的流態(tài)變化過程。圖2和圖3分別給出了不同開度和不同流量情況下淹沒出流水面線分布，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：閘門上游水流較為平穩(wěn)，水位變化不大，靠近閘門處水位因閘門阻水水深增加（水位壅高），該水深與上游穩(wěn)定水位處的水深增加的水深稱為相對(duì)壅高，隨著來流量的增大和開度的降低，閘門阻水作用越明顯，閘前的水位壅高幅度隨之變大。水流過閘時(shí)，靠近邊壁處水流繞閘門兩側(cè)噴射而出，與閘底流出的水流匯合于閘后中心區(qū)域，形成2處旋渦擾動(dòng)表層水流，波及下游兩側(cè)，形成2塊回流區(qū)域，使得收縮斷面附近水流紊動(dòng)劇烈，水位最低。遠(yuǎn)離回流區(qū)后水位迅速升高，水流逐漸平緩，同一流量時(shí)開度減小，下游水位漲幅極小，開度不變時(shí)上下游水位受流量影響較大。

圖2 淹沒出流不同開度水面線

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)大流量、小開度時(shí)會(huì)出現(xiàn)自由出流（圖4、圖5），由圖4、圖5可知，自由出流時(shí)，隨著流量的增大和閘門開度的降低，緊貼閘門處上游水位的壅高逐漸消退。這是因?yàn)殚l前水位的壅高影響范圍逐漸向上游蔓延，使得上游水位的整體漲幅偏大。閘后水流經(jīng)過收縮斷面后起伏不定，在下游逐漸平緩，若不控制下游水位，閘后會(huì)形成明顯的水翅現(xiàn)象，即水流沖擊兩側(cè)邊壁后產(chǎn)生的折沖水流，匯聚于渠道中心出現(xiàn)水流的明顯壅起，交叉水流兩側(cè)出現(xiàn)回流區(qū)，這種現(xiàn)象甚至一直延續(xù)到渠尾。

圖3 淹沒出流不同流量水面線

圖4 自由出流不同開度水面線

圖5 自由出流不同流量閘前水面線

2.2 佛汝德數(shù)

佛汝德數(shù)（）是判別明渠流態(tài)的重要參數(shù)，可根據(jù)佛汝德數(shù)沿程分布了解U形渠道閘孔出流的流場(chǎng)變化。采用式（3）計(jì)算佛汝德數(shù)，計(jì)算式為：

流量為32 L/s和40 L/s時(shí)淹沒出流的佛汝德數(shù)沿程分布，如圖6所示，淹沒出流時(shí)，同一流量下上游水流的基本不變，臨近閘前降低，下降幅度隨開度減小而增大，上游水流都是緩流，隨著流量的增大（圖7），上游水流變得平緩，呈減小的趨勢(shì)。流量不變時(shí)，上游水流的隨開度的減小而減小，且降幅也在增大；開度不變時(shí)，隨流量的增大逐漸減小，變幅在減小。水流過閘后，收縮斷面附近出現(xiàn)max，多為緩流，最大不超過2，閘后50 cm以內(nèi)的有隨流量的增大和開度的減小逐漸變大的趨勢(shì)。隨后急劇減小，跌落到0.5左右，遠(yuǎn)離旋渦后水流逐漸平緩，緩緩降低然后基本保持不變。同一流量時(shí)隨開度變化，下游的變幅極小，同一開度下，不同流量的下游變化稍大一些，整體來看，流量越大，開度越小，下游的越小。

圖8反映了流量32 L/s和40 L/s時(shí)自由出流下不同開度的佛汝德數(shù)沿程分布情況。由圖8可知，自由出流的沿程分布規(guī)律較統(tǒng)一，閘前分布情況與淹沒出流時(shí)相似，緊貼閘門處降低，開度越小，閘前的相對(duì)壅高越不明顯，下降幅度越小，相比淹沒出流，自由出流的閘前水流更平順，略小。水流流出閘底后，在收縮斷面有最大值，max隨流量的增大和開度的降低而增大，峰值可達(dá)到6，遠(yuǎn)高于淹沒出流的max。閘后少有臨界式水躍，遠(yuǎn)驅(qū)式水躍更常見，發(fā)生臨界式水躍時(shí)，收縮斷面后的水流波動(dòng)不大，略有起伏，而后水流迅速恢復(fù)平順，基本保持不變，如圖8所示。發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍時(shí)，水躍前出現(xiàn)明顯的水翅現(xiàn)象，同一斷面內(nèi)的水深分布極不均勻，難以測(cè)定。

圖6 淹沒出流不同開度下佛汝德數(shù)沿程分布

圖7 淹沒出流不同流量佛汝德數(shù)沿程分布

圖8 自由出流不同開度下佛汝德數(shù)沿程分布

2.3 堰流與孔流判別閾值

孔堰流分界點(diǎn)流態(tài)如圖9所示，水面剛接觸到閘門弧底，閘門尚未起到擋水作用。自分界點(diǎn)緩緩減小閘門開度，因閘門底部為弓形，此時(shí)開度較大，僅閘門弧底擋水，閘門兩側(cè)為堰流，渠道出現(xiàn)孔堰流并存的狀態(tài)。當(dāng)閘門弧形段完全浸入水面時(shí)，堰流消失，此時(shí)流態(tài)為閘孔出流（圖10）。本試驗(yàn)的臨界相對(duì)開度隨流量的變化如圖11所示，圖11中/隨流量的增大變化極小，可認(rèn)為等于1，這是因?yàn)樵囼?yàn)平板閘門下部為弓形，水流剛好脫離閘門下緣時(shí)為點(diǎn)接觸（平板閘門弓矢），橫斷面的水面接近水平，基本沒有側(cè)收縮影響，閘前水位與閘后水位基本相等。

圖9 孔堰流分界點(diǎn)流態(tài)

圖10 閘孔出流流態(tài)

圖11 臨界相對(duì)開度隨流量變化

2.4 水頭損失

選取水流平穩(wěn)的上游斷面1和下游斷面2，分別是圖1（b）中測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)22所在斷面，以下游出水口渠底水平面為基準(zhǔn)面，列出能量方程，得出水頭損失占上游總水頭的百分比。

式中：1和2分別為斷面1和斷面2單位質(zhì)量水體的壓能（m）；1和2分別為斷面1和斷面2的平均流速（m/s）；1和2分別為斷面1和斷面2單位質(zhì)量水體的位能（m）；f1～2為斷面1和斷面2之間的水頭損失。

圖12反映了8種流量下淹沒出流的水頭損失情況，可以看出，同一開度下相對(duì)水頭損失隨流量的增大而增大，同一流量下開度越小水流紊動(dòng)越劇烈，相對(duì)水頭損失越大。8種流量下淹沒出流的相對(duì)水頭損失比在2%～16%以內(nèi)，最小為2.35%，平均相對(duì)水頭損失為6.89%。

圖12 淹沒出流不同開度下相對(duì)水頭損失比較

2.5 流量公式與測(cè)流精度

2.5.1 自由出流

通過分析閘孔出流的水力現(xiàn)象，確定影響U形平板閘門自由出流過流條件的物理參數(shù)為閘門開度、上游水深、過閘水面寬度和重力加速度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式回歸分析得到流量公式：

式中：為過流寬度（m）；為閘門開度（m）。

圖13為計(jì)算流量值與實(shí)測(cè)值對(duì)比。研究發(fā)現(xiàn)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的最大相對(duì)誤差為6.27%，最小相對(duì)誤差為0.30%，平均相對(duì)誤差為3.37%。結(jié)果表明，自由出流狀態(tài)的流量公式基本滿足小型渠道的測(cè)流精度要求。

2.5.2 淹沒出流

相比自由出流過流條件，淹沒出流狀態(tài)下增加一個(gè)物理參數(shù)：下游水深，回歸分析得到淹沒出流條件下流量公式：

式中：為上下游水深差（m）。

式（6）的流量系數(shù)包含了淹沒出流中淹沒度的影響，代入得到淹沒出流下計(jì)算值，流量實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比后（圖13），可得最小相對(duì)誤差為0.13%，平均相對(duì)誤差為3.27%，測(cè)流精度滿足灌區(qū)量水設(shè)施要求。

圖13 計(jì)算流量與實(shí)測(cè)流量對(duì)比

2.6 臨界淹沒度

U形渠道的臨界淹沒度的定義為下游水位即將影響上游水位時(shí)閘門上下游水位之比。試驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)下游尾門產(chǎn)生不同的淹沒水位，從而得到U形平板閘門的臨界淹沒度。

式中：為臨界淹沒度；1和2分別為臨界狀態(tài)下U形平板閘門上下游水位（m）。

表3 不同試驗(yàn)流量下不同開度渠道的臨界淹沒度

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得U形渠道U形平板閘門的臨界淹沒度在0.63～0.86之間，平均值為0.75。試驗(yàn)中小流量下不易出現(xiàn)自由出流，只有流量較大時(shí)將閘門調(diào)至小開度才會(huì)出現(xiàn)自由出流，且同一開度下臨界淹沒度隨著流量增大而減小，流量不變時(shí)開度越小臨界淹沒度越小。該結(jié)果表明U形平板閘門有較大的淹沒出流范圍，不易產(chǎn)生自由出流。

3 討論

本文根據(jù)U形渠道的橫截面特征設(shè)計(jì)了U形平板閘門，在不同開度的閘孔出流試驗(yàn)中探索其過流能力。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)閘后水流紊亂，水流與空氣交互，脈動(dòng)劇烈，形成旋滾，波動(dòng)延伸至下游渠道兩側(cè)，形成2個(gè)側(cè)向回流區(qū)，這一水流現(xiàn)象與Hager[21]的研究結(jié)果一致。淹沒出流時(shí)，閘后的在收縮斷面有最大值，小開度下流態(tài)屬于部分淹沒出流，此時(shí)水頭損失較大，max接近1.8，這一結(jié)論與郭永鑫等[22]研究結(jié)論一致。量水設(shè)施的水頭損失是評(píng)價(jià)其過流能力的重要指標(biāo)，水頭損失越小，量水設(shè)備的水力性能越優(yōu)。U形平板閘門的平均相對(duì)水頭損失為6.89%，小于圓頭量水柱、拋物線形量水槽[23-25]，僅用弧形段過水時(shí)，閘門兩側(cè)出現(xiàn)堰流，避免了部分局部水頭損失，且閘門一體多用，與閘門加專用量水設(shè)備的組合相比，沒有增加水頭損失。臨界淹沒度是流態(tài)判別的重要標(biāo)準(zhǔn)，臨界淹沒度較小，說明量水設(shè)備有較大的淹沒出流范圍，U形平板閘門的臨界淹沒度隨流量和閘門開度的變化而變化，平均值為0.75，小于圓頭量水柱[23-24]。本研究的流量公式計(jì)算誤差小于3.5%，與多種流量公式相比[17-22]，測(cè)流精度較高，側(cè)面驗(yàn)證了U形平板閘門的實(shí)用性。

判別水流過閘時(shí)是堰流還是孔流，以過閘水流是否受到閘門控制來區(qū)分，傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為平底坎上平板閘門的孔堰流分界點(diǎn)為=0.65[26]，有研究表明孔堰流分界點(diǎn)與流量系數(shù)有關(guān)，因而影響因素包括堰型、閘門形式和位置、變換方式等[26-27]。對(duì)于閘底坎為平底時(shí)，孔堰流的臨界值實(shí)際上有一定的變化范圍，崔巍等[28]基于嚴(yán)陵河閘實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)孔堰流分界點(diǎn)變化范圍極大，最小值接近0.1，最大值達(dá)到0.991。本研究的臨界相對(duì)開度為1，此時(shí)水流剛好脫離閘門下緣，為點(diǎn)接觸，橫斷面的水面接近水平，孔堰流分界點(diǎn)區(qū)別于已有的研究成果，這與U形平板閘門的體形、閘底坎等因素有關(guān)。

此外，本研究的U形平板閘門根據(jù)試驗(yàn)渠道橫截面特征設(shè)計(jì)而成，其他規(guī)模尺寸的U形渠道可參照本文設(shè)計(jì)原則，制作相應(yīng)的平板弓形閘門。U形平板閘門水頭損失較低，投資較小，可實(shí)現(xiàn)測(cè)控一體，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，配備電氣設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)灌區(qū)流量測(cè)量控制一體化，對(duì)U形渠道進(jìn)行智能管理，避免人工粗放管理模式帶來的人力投入大、用水量測(cè)精度誤差大、管理混亂、數(shù)據(jù)無法共享等問題，應(yīng)用前景廣泛。此外，底坡也是影響渠道水流運(yùn)動(dòng)的重要因素[24]，對(duì)U形平板閘門不同底坡、斷面尺寸和收縮比的過流特性尚需要進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1）淹沒出流的佛汝德數(shù)沿程分布規(guī)律較一致，上游較穩(wěn)定，臨近閘前降低，在閘后收縮斷面有max，且隨流量增大和開度減小而增大，隨后急劇減小，隨著水流逐漸平順而基本保持不變。

2）U形平板閘門孔堰流分界點(diǎn)不同于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)判定依據(jù)相對(duì)開度/=0.65，臨界相對(duì)開度隨流量的增大變化極小，接近1，此時(shí)閘前水位與閘后水位基本相等。

3）根據(jù)水力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式回歸分析得到了自由出流和淹沒出流的流量公式，測(cè)流范圍10～50 L/s內(nèi)，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差小于10%，平均誤差約為3%，滿足灌區(qū)量水的精度要求。

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Experimental Study of Flow Characteristics Through Sluice Gates in U-Shaped Channels

HU Mingyu, WANG Wen’e*, HU Xiaotao, WANG Shilong, FAN Kai, LIU Dukun

(Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas, Ministry of Education, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)

【Objective】Flow measurement through sluice gates in U-Shaped channels depends on a range of factors. We experimentally measured the characteristics of flow through the gates under different designs and working conditions, and then derived a formula using these data to estimate flow rates based on hydraulic characteristics of the gate and channel, as well as the working conditions.【Method】The experiments were conducted by controlling the flow rates from 10 to 50 L/s. The critical ratio of orifice flow to weir flow, as well as the flow capacity were analyzed utilizing hydraulic parameters, including water surface line, Froude number, and water head loss across the gate. These parameters were used in the orifice flow formula to calculate the flow rate.【Result】The critical ratio of orifice flow to weir flow was close to 1, the Froude number was uniformly distributed along the flow path, and the average relative head loss across the gate was 7%. Compared to the measured data, the error of the derived formula was less than 3.5%.【Conclusion】The sluice gate for the U-Shaped channel works well, and water head loss across it is minor. The derived formula for calculating flow rate is accurate. These results are helpful for designing U-shaped channels in irrigation areas and calculating flow rates through them.

U-shaped channel; sluice gate; hydraulic characteristics; orifice flow; flow measurement

1672 - 3317（2023）04 - 0116 - 07

TV135.3

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022326

胡明宇, 王文娥, 胡笑濤, 等. U形渠道平板閘門過流能力試驗(yàn)研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(4): 116-122.

HU Mingyu, WANG Wen’e, HU Xiaotao, et al. Experimental Study of Flow Characteristics Through Sluice Gates in U-Shaped Channels[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(4): 116-122.

2022-06-15

陜西省水利科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2021slkj-8）；西北農(nóng)林科技大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃國(guó)家級(jí)項(xiàng)目（202110712116）

胡明宇（1998-），男。碩士研究生，主要從事水力學(xué)與水工建筑物研究。E-mail: 915323507@qq.com

王文娥（1975-），女。教授，博士，主要從事流體機(jī)械與流體動(dòng)力學(xué)、節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail: wangwene@nwsuaf.edu.cn

責(zé)任編輯：趙宇龍