灌區(qū)渠道梯形側(cè)堰水力特性研究

劉先何

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 研究方法

該灌區(qū)渠道梯形側(cè)堰結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且為薄壁堰流，測(cè)流精度高，為此，其側(cè)堰流量通過(guò)量綱和諧原理進(jìn)行推導(dǎo)[1]。過(guò)堰流量主要受渠道和側(cè)堰幾何參數(shù)(詳見圖1)、水流物理性質(zhì)、水力要素等的影響，函數(shù)關(guān)系式可表示如下(1)：

Q=f(b，P，B，v，h1，g，μ，σ，ρ，i，θ)

(1)

式中：Q為灌區(qū)渠道過(guò)堰流量，m3/s；b、P為渠道梯形側(cè)堰寬度和高度，m；B為渠道寬度，m；v為斷面流速均值，m/s；h1為渠道梯形側(cè)堰上游水深，m；g為重力加速度，m/s2；μ為動(dòng)力黏度，N·s/m2；σ為渠道梯形側(cè)堰表面張力，N；ρ為密度，kg/m3；i為渠道坡度；θ為渠道梯形側(cè)堰堰頂和水平面夾角，(°)。

在渠道梯形側(cè)堰上游堰上水頭y1>3.0 cm的情況下，渠道過(guò)堰流量受表面張力的影響很小，黏滯效應(yīng)也比重力效應(yīng)小，故雷諾數(shù)在18 256～96 950之間變化，表面張力及動(dòng)力黏度等均忽略不計(jì)。此外，該渠道梯形側(cè)堰寬度、渠道寬度、底坡等均取定值，則式(1)簡(jiǎn)化如式(2)所示。

Q=f1(P，v，h1，g，θ)

(2)

按照量綱分析π定理，在綜合分析渠道梯形側(cè)堰水力要素的基礎(chǔ)上，灌區(qū)渠道梯形側(cè)堰流量公式如式(3)：

(3)

通過(guò)分析灌區(qū)渠道梯形側(cè)堰流量的影響因素，在對(duì)側(cè)堰周圍水流特性展開試驗(yàn)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，得到不同工況下相應(yīng)的斷面水深，進(jìn)而推導(dǎo)出流量系數(shù)表達(dá)式及影響因素，最終得到灌區(qū)渠道梯形側(cè)堰流量計(jì)算公式。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)在已有矩形側(cè)堰水力特性研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合灌區(qū)渠道側(cè)堰運(yùn)行實(shí)際，設(shè)計(jì)出梯形薄壁側(cè)堰試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鋫?cè)堰板頂和水平面呈一定夾角，為展開比較，夾角θ取-9°、-6°、-3°、0°、3°、6°和9°；側(cè)堰一端高度固定為15 cm，另一端高度則根據(jù)角度的變化而定，分別取15.00 cm、12.54 cm、10.06 cm、7.56 cm，側(cè)堰寬度均按照47.00 cm取值。試驗(yàn)過(guò)程中側(cè)堰主要采取正向放置方式(見圖2)，以展開水力特性試驗(yàn)。

圖2 側(cè)堰正向放置方式(單位：cm)

水力學(xué)試驗(yàn)在工程所在的省水利研究院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室展開。該水力試驗(yàn)主要采取水泵供水，水流由控制閥門調(diào)節(jié)，入口水流則通過(guò)穩(wěn)水池進(jìn)行穩(wěn)定；水流流經(jīng)矩形渠道并經(jīng)側(cè)堰泄流，經(jīng)由回水渠最終流入蓄水池內(nèi)。矩形試驗(yàn)渠道尺寸為12.24 m×0.47 m×0.15 m(長(zhǎng)×寬×深)，渠道上游來(lái)水流量在側(cè)堰段便發(fā)生分流，部分流量由側(cè)堰下泄至側(cè)渠道，部分流量則由主渠道下泄。其中，上游來(lái)水流量和由主渠道下泄的流量分別通過(guò)電磁流量計(jì)和三角堰量測(cè)，過(guò)堰流量為兩者之差[2]。試驗(yàn)水深則通過(guò)精度為±0.1 mm的水位測(cè)針測(cè)量。

為展開渠道梯形側(cè)堰段主渠道水流的弗汝德數(shù)、水面形態(tài)等水力特性研究，在側(cè)堰上按照12 cm間隔設(shè)置Ⅲ～Ⅶ水深測(cè)量斷面。考慮到側(cè)堰所處位置，主渠道側(cè)堰和水流流向垂直面無(wú)法保持水平關(guān)系，隨著兩者距離的不同，水深也表現(xiàn)出較大差異。故在側(cè)堰周圍每個(gè)斷面的臨近側(cè)堰邊壁、主渠道中心線、另一邊壁等處設(shè)置測(cè)點(diǎn)，并依次標(biāo)記為(1)側(cè)、(2)側(cè)和(3)側(cè)。斷面Ⅰ和Ⅱ分別位于主渠道與側(cè)堰上游端相距50 cm處以及側(cè)渠道與側(cè)堰相距100 cm處，分別以兩處斷面實(shí)測(cè)水深為側(cè)堰上下游水深(測(cè)點(diǎn)設(shè)置情況詳見圖3)。結(jié)合該灌區(qū)末級(jí)渠道灌溉實(shí)際，將試驗(yàn)流量范圍設(shè)定在10～40 L/s內(nèi)，在16.03 L/s、18.37 L/s、24.35 L/s、25.59 L/s、28.31 L/s、32.79 L/s、38.43 L/s等流量工況下，展開緩流時(shí)渠道梯形側(cè)堰自由出流試驗(yàn)，并對(duì)斷面水深等水力參數(shù)展開量測(cè)分析。

圖3 渠道梯形側(cè)堰測(cè)點(diǎn)設(shè)置情況(單位：cm)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 水面線

一定水流流量通過(guò)明渠時(shí)，因渠道上下游進(jìn)出口處和渠道中建筑物邊界條件不同，渠道內(nèi)水流形成的水面線也并不相同。為展開該灌區(qū)渠道梯形側(cè)堰下渠道水流水力特性的分析，必須先得出不同工況下水面線。

在過(guò)堰流量取38.43 L/s，側(cè)堰正向放置的工況下主渠道側(cè)堰段(1)側(cè)、(2)側(cè)、(3)側(cè)水面線具體見圖4，圖中橫坐標(biāo)為與側(cè)渠道中心線的距離，以主渠道水流流向?yàn)檎?；縱坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)水深。根據(jù)圖中結(jié)果，過(guò)堰流量相同的情況下，不同側(cè)堰水面線全部為壅水曲線；且對(duì)于相同側(cè)堰的不同測(cè)點(diǎn)而言，在相同流量下，水深隨著側(cè)堰角度的增大而增加；在側(cè)堰角度相同時(shí)，側(cè)堰邊壁(1)側(cè)水深比(2)側(cè)和(3)側(cè)小，但波動(dòng)更為劇烈。當(dāng)渠道梯形側(cè)堰堰頂和水平面夾角θ=-6°時(shí)，側(cè)堰邊壁(1)側(cè)Ⅲ～Ⅴ斷面處的水面線較為平穩(wěn)，而Ⅴ～Ⅶ斷面處的水面線快速升高；當(dāng)渠道梯形側(cè)堰堰頂和水平面夾角θ=6°時(shí)，側(cè)堰邊壁(1)側(cè)水面線快速升高。綜合以上結(jié)果可知，水平面傾斜角范圍位于0°～2.3°，與矩形渠道梯形側(cè)堰傾斜角相比，有所減小，表明梯形側(cè)堰堰頂傾斜設(shè)置能降低水面線傾斜程度[3]。

圖4 不同堰高下水面線(過(guò)堰流量=38.43 L/s)

根據(jù)分析結(jié)果，梯形側(cè)堰邊壁(1)側(cè)、(2)側(cè)、(3)側(cè)水面線波動(dòng)均不顯著，且基本呈線性變化趨勢(shì)。由于梯形側(cè)堰段主流水面線最能體現(xiàn)側(cè)堰水力特性，故展開側(cè)堰邊壁(1)側(cè)斷面Ⅲ～Ⅴ水面線分析，限于篇幅，此處僅列示過(guò)堰流量為38.43 L/s的分析結(jié)果。根據(jù)表1結(jié)果，主渠道側(cè)堰邊壁(1)側(cè)水面線計(jì)算值和實(shí)測(cè)值十分接近，相對(duì)誤差在1.85%以內(nèi)。

表1 主渠道側(cè)堰邊壁(1)側(cè)斷面Ⅲ～斷面Ⅶ處水深實(shí)測(cè)值與計(jì)算值(過(guò)堰流量=38.43 L/s)

3.2 流量系數(shù)

流量系數(shù)值主要與灌區(qū)渠道梯形側(cè)堰上游弗汝德數(shù)、灌區(qū)渠道梯形側(cè)堰上游總水頭、渠道梯形側(cè)堰堰頂和水平面夾角、側(cè)堰高度等有關(guān)，流量系數(shù)與主要影響因素的關(guān)系曲線見圖5。從圖中內(nèi)容可以看出，隨著渠道梯形側(cè)堰堰頂和水平面夾角的變化，流量系數(shù)表現(xiàn)出不同的變動(dòng)規(guī)律。具體而言，當(dāng)θ<0°時(shí)，流量系數(shù)隨P1/h1的增大而增大，且夾角越小，增幅越大；而當(dāng)θ>0°時(shí)，流量系數(shù)隨P1/h1的增大而減小，夾角越小，降幅越大。

圖5 流量系數(shù)與主要影響因素的關(guān)系曲線

隨著弗汝德數(shù)的變化，流量系數(shù)也表現(xiàn)出不同的變動(dòng)趨勢(shì)規(guī)律。當(dāng)θ<0°時(shí)，流量系數(shù)隨弗汝德數(shù)的增大而減小，且夾角越小，降幅越大；相反，當(dāng)θ>0°時(shí)，流量系數(shù)隨弗汝德數(shù)的增大而增大，夾角越大，增幅也越大。

應(yīng)用SPSS分析軟件進(jìn)行m與P1/h1、Fr1等主要影響因素關(guān)系曲線的擬合，如式(4)：

m=9.369P1/h1+16.314Fr1+6.123θ-

7.561，R2=0.968

(4)

將式(4)代入式(3)可以得出過(guò)堰流量的計(jì)算公式，如式(5)：

(5)

將該灌區(qū)渠道梯形側(cè)堰相關(guān)參數(shù)取值代入式(5)進(jìn)行過(guò)堰流量計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值展開對(duì)比，具體見表2。根據(jù)表中計(jì)算結(jié)果，過(guò)堰流量計(jì)算值和實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差最大為-8.96%，符合灌區(qū)渠道量水設(shè)施量水精度要求。

表2 過(guò)堰流量計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的比較

3.3 水頭損失

水流在渠道內(nèi)流動(dòng)的過(guò)程中會(huì)因黏滯性的作用而產(chǎn)生能量損失，即為水頭損失，按照水流流動(dòng)邊界形狀沿程變化及主流脫離固體邊界后是否形成漩渦，可將水頭損失分成局部水頭損失和沿程水頭損失兩種。灌區(qū)量水設(shè)施均存在一定程度的水頭損失，水頭損失的存在必然會(huì)增大工程費(fèi)用，故灌區(qū)渠道梯形側(cè)堰水力特性研究時(shí)必須考慮水頭損失[4]。以渠道底部所在平面為側(cè)堰水頭損失分析時(shí)的基準(zhǔn)面，并以主渠道側(cè)堰上、下游端面為控制端面，能量方程列示如式(6)：

(6)

式中：hw灌區(qū)渠道梯形側(cè)堰上下游水頭損失，m；h上側(cè)堰上游端水深，m；h下側(cè)堰上游端水深，m；α1、α2總流與上、下游水平面夾角，(°)；v上、v下側(cè)堰上、下游端斷面流速均值，m/s。

將該灌區(qū)渠道工程相關(guān)參數(shù)取值代入式(6)可以得出總水頭中水頭損失占比隨流量變化的趨勢(shì)關(guān)系。根據(jù)對(duì)關(guān)系曲線的分析，在渠道梯形側(cè)堰堰頂和水平面夾角以及過(guò)堰流量的影響下，水頭損失占比在40%～70%之間變動(dòng)，變幅較大。對(duì)于渠道梯形側(cè)堰堰頂和水平面夾角相同的情況下，水頭損失占比隨流量增大而減小，且當(dāng)過(guò)堰流量<33.0 L/s時(shí)，降幅明顯；而當(dāng)過(guò)堰流量≥33.0 L/s時(shí)，降幅減小，表明當(dāng)渠道水流流量增大到一定程度后，過(guò)堰流量對(duì)水頭損失占比的影響程度較小。

4 結(jié) 論

綜上所述，薄壁堰因體型簡(jiǎn)單，量測(cè)方便，在灌區(qū)渠道中應(yīng)用廣泛。為展開灌區(qū)渠道梯形側(cè)堰水力特征研究，本文應(yīng)用了試驗(yàn)分析方法，對(duì)不同寬度、不同高度梯形側(cè)堰在不同流量工況下自由出流過(guò)程展開試驗(yàn)?zāi)M。通過(guò)繪制不同測(cè)點(diǎn)水面線，分析概括了不同流量下側(cè)堰周圍主渠道近堰邊壁、渠道中心線及另一邊壁水面線差異的原因；流量系數(shù)與主要影響因素之間存在較好的定量關(guān)系和相關(guān)性；所得出的流量公式計(jì)算簡(jiǎn)單，精度高，完全能滿足灌區(qū)量水設(shè)施測(cè)流精度方面的要求。