U形渠道斜坎量水堰水力性能試驗研究

蘇 怡，胡笑濤，王文娥，劉海強，薛 城

(西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

灌區量水是實現灌區現代化的重要手段，經過長期研究開發，我國在平原灌區底坡較平緩的渠道量水設施領域取得了大量成果[1,2]。隨著經濟發展和灌區改造的推進，U形渠道因其水力條件優越、輸水輸沙能力強、節省耕地等優點[3-6]被廣泛應用于斗渠及其以下渠道，其量水設施研發也得到了發展，如U形渠道拋物線形喉口式量水槽[7]、圓頭量水柱[8,9]、U形渠道直壁式量水槽以及U形(圓底形)喉道測流槽[10]等，這些量水設施主要適用于底坡小于1/2 000的緩坡渠道。甘肅河西走廊地區綠洲主要位于祁連山山前坳陷帶，地面坡度大，引祁連山雪山融水灌溉，灌溉渠道底坡大，當地小型渠道多為U形斷面，底坡一般為1/150～1/200，目前對于底坡較大的U形渠道量水設施研究非常匱乏。因此，本文根據U形渠道斷面特點，針對渠道底坡較大時的測流要求，設計了9種尺寸的斜坎量水堰，在U形渠道進行了過流試驗，探索其水力性能及影響因素，為灌區量水設施應用提供參考。

1 試驗設計

1.1 斜坎量水堰設計

渠道底坡較大時，渠道內水流流速較大，不易造成淤積，可以通過抬高局部渠道底部高程形成斜坎量水堰，進行渠道流量測量。水流在量水堰上游時因堰的頂托作用水位壅高，由于堰頂與渠道底部存在一定高差，水流通過堰頂后，在重力作用下自然下泄，水面線下降，在此過程中，在量水堰堰頂附近將形成臨界流，可通過臨界流水位與流量關系穩定進行渠道流量測量。該斜坎量水堰體型參數包括堰高P和量水堰相對于渠道底部的坡度tanθ，由這兩個參數可計算得到堰長L，如圖1。

圖1 斜坎量水堰測流示意圖(Ⅰ～Ⅷ為測流斷面)Fig.1 Sketch map of flow measurement for the simple measuring weir(Ⅰ～Ⅷ are the gaging sections)

渠道斷面在設置量水堰的局部位置變小，即發生垂向收縮，其收縮量直接影響到水面線的變化，可以使用收縮比反映該值。斜坎量水堰收縮比ε定義為最大堰高處斷面面積Ac與渠道襯砌斷面面積A0之比，即ε=Ac/A0。根據臨界流原理設計的量水槽試驗表明，在底坡較緩的渠道上收縮比在0.5～0.75范圍內[8,11,12]時精度較高，因試驗所用渠道坡度為1/200，本文將收縮比適當增大。試驗采用3種不同的量水堰坡度，每個坡度設計3個收縮比(即3個堰高)，共9種體型斜坎量水堰，渠道尺寸及量水堰基本體型參數見表1及表2。

表1 U形渠道斷面參數Tab.1 Section parameters of the U-shaped channel

1.2 試驗裝置與方法

試驗在陜西楊凌西北農林科技大學北校區水工廳進行，試驗系統主要包括泵房、高位水池、穩水池、調節閥門、供水管道、U形渠道(渠道比降可調節)、斜坎量水堰、尾門、地下回水渠道等。本試驗流量范圍為12～26 L/s，渠道底坡調為1/200。回水渠道段設三角形量水堰，以量測過槽流量。斜坎量水堰上下游各測點水位通過SCM60型水位測針測量，精度為0.1 mm。試驗渠道為有機玻璃U形渠道，渠道綜合糙率n取0.011。

本次試驗在8種不同流量工況(25.78、23.82、21.98、19.66、16.90、15.60、14.27、12.55 L/s)下進行9種不同體型斜坎量水堰的量水試驗，在試驗中共取了10個過水斷面來測量相關水力性能參數，距離渠道首斷面3 m和9 m處分別設置上游斷面(Ⅸ斷面)、下游斷面(Ⅹ斷面)測點，以量水堰最大堰高處的斷面為基準，按距該斷面的距離(負數表示測點位于最大堰高的上游，正數表示測定位于最大堰高下游，0表示最大堰高所在斷面)從上游到下游依次編號Ⅰ-Ⅷ斷面，見圖1。各測點斷面具體位置見表3。

表2 斜坎量水堰的基本參數Tab.2 Basic parameters of the simple measuring weir

試驗中采用直角三角形薄壁堰測量實際流量，經驗實際流量計算公式為式[6](1)。

Q=1 343H2.47

(1)

式中：Q為流量，L/s；H為直角三角形薄壁堰的堰上水頭，m。

2 試驗結果與分析

2.1 水面線

水面線能直觀的反映水流沿程變化情況，是判別水流是否平穩的重要依據。試驗過程中可以看出，當水流趨近U形渠道斜坎量水堰堰頂時，水面逐漸下降，流線收縮、流速增大，經過量水堰時，溢流水面不受任何約束，水面明顯降落。8種流量條件下不同體型斜坎量水堰的過堰水面線變化趨勢一致，以Q=25.78 L/s和Q=16.90 L/s為例繪制安裝不同體型斜坎量水堰時的水面線(見圖2)。

表3 各控制斷面距量水堰最大堰高處的距離

由圖2可以看出，過堰流量Q一定時，隨著堰高和上游堰坡的增大，水深增加；斜坎量水堰上游堰坡坡度相同時，水深在斜坎量水堰最高斷面上游段隨量水堰堰高的增加而增大，堰高相同時上游堰坡越大水深越大。從圖中也可以看出，堰高對水深的影響較量水堰坡度大。水流在最大堰高斷面上游1 cm處(斷面Ⅲ)時由平穩變為緩慢下降，在最大堰高斷面下游1 cm(斷面Ⅳ)～5 cm(斷面Ⅴ)之間水面迅速下降，由緩流流態變為急流，其過渡段出現臨界流，經過量水堰后水面線繼續下降，通過水躍與下游水面銜接。在陡坡條件下水流紊動明顯，水頭損失較大。

圖2 不同流量下不同體型斜坎量水堰的水面線對比Fig.2 Comparison of water surface profiles on different shapes of the simple measuring weir and different discharges

2.2 水深流量關系

斜坎量水堰的水力要素及流體物理性質等因素對過堰流量會有影響，函數關系式為:

f1(B,v,g,μ,σ,ε,tanθ,h,ρ)=0

(2)

式中：Q為流量，L/s；B為水面寬度，m；g為重力加速度，m/s2；μ為動力黏度，N·s/m2；σ為表面張力系數，N/m；ε為量水堰收縮比；tanθ為量水堰逆坡坡度；h為控制點水深，m；ρ為密度，kg/m3。

運用π定理根據量綱分析原理得：

(3)

式中：Fr為佛汝德數；Re為雷諾數；We為韋伯數。因表面張力在h>30 mm時對流量的影響很小，故韋伯數We在本實驗條件下的分析中可以忽略。本實驗中水流紊動較為顯著，黏滯效應相對于重力效應較小，分析中也可以忽略不計。令式(3)右邊為流量系數m，得流量公式：

Q=mh2.5g0.5

(4)

根據式(4)可以看出斜坎量水堰的流量與上游水深有一定關系，通過分析試驗所得不同流量下，上游各斷面的水深與流量的關系，確定其中水深交穩定，與流量關系良好的斷面作為該量水堰流量的測流斷面。通過對9種體型斜坎量水堰的水深-流量關系的乘冪關系進行擬合，圖3給出了高10 cm、tanθ為1/8的量水堰8個斷面水深與流量的關系，經過分析發現斷面Ⅲ(斜坎量水堰最高斷面上游1 cm處)最為穩定，因此以斷面Ⅲ的水深作為量水堰測流水深。繪制不同體型的斜坎量水堰斷面Ⅲ水深-流量關系，如圖4，可以看出水深和流量的相關系數較高，最高達到0.992，且量水堰堰高對水深影響較為明顯。

圖3 斜坎量水堰(h=10 cm tanθ=1/8)水深與流量關系Fig.3 Relations of depth of control section and discharges of the simple measuring weir(h=10 cm，tanθ=1/8)

圖4 不同體型斜坎量水堰水深(斷面Ⅲ)與流量關系Fig.4 Relation of depth of control section (section 3)and discharge of different shapes of simple measuring weirs

2.3 流量計算公式

根據量綱分析結果可知流量系數m與h/B、簡易量水堰收縮比ε以及量水堰相對坡度tanθ有關，通過spss擬合試驗數據可得坡度為1/200的U型渠道自由出流的時簡易量水堰測流公式：

(5)

R2=0.954

式中：Q為流量，L/s；h為量水堰斷面Ⅲ處的水深，m；R為復相關系數。將計算流量與直角三角形薄壁堰所得實測流量比較，見表4，可以看出量水堰堰高為10、15、20 cm時計算流量與實際流量值基本相符，誤差基本分布在±8%以內；量水堰堰高h=5 cm時，因形成淹沒出流計算誤差較大，最大誤差為21.74%，故實際應用中量水堰堰高應大于5 cm。根據灌區量水精度要求特設量水設施誤差不超過10%，本研究所建立的斜坎量水堰流量公式可以滿足小流量測流的精度要求，且形式簡單，方便基層工作者使用。

表4 計算流量與實測流量對比Tab.4 Comparison of calculated and measured discharge

2.4 上游壅水高度

壅水是指因水流受阻而產生的水位升高的現象，渠道斷面經斜坎量水堰收縮后會造成上游壅水，在渠道過流量較大時壅水過高可能會導致水流溢出渠道，故壅水高度也是影響量水堰量水精度的重要因素之一。圖5為不同體型斜坎量水堰在不同流量下的壅水高度，由圖可以看出量水堰越高，壅水越高，壅水高度均在20 cm以下。因斜坎量水堰堰高對上游壅水的影響較大，通過對上游壅水水深和流量以及量水堰收縮比進行擬合得到以下關系式：

h′=0.460Q0.103ε0.512R2= 0.961

(6)

以上游壅水高度小于10 cm且保證自由出流為標準[13]，得到在底坡為1/200的渠道上，斜坎量水堰適宜收縮比為0.867～0.951，堰長L為堰高P的10～12倍。

圖5 不同流量下不同體型斜坎量水堰壅水高度 Fig.5Upstreambackwaterofthesimplemeasuringweirunderdifferent shapesanddifferentdischarges

3 結果與討論

本文針對底坡較陡的U形渠道量水設施缺乏，設計了U形渠道斜坎量水堰，通過對9種不同體型的斜坎量水堰在4種不同流量工況下的自由出流試驗，結合理論分析對試驗數據進行研究，得到以下結果：

(1)水流趨近U形渠道斜坎量水堰堰頂時，水面逐漸下降，流線收縮、流速增大，經過量水堰時，水面明顯降落。過堰流量Q一定時，隨著堰高和上游堰坡的增大，沿程水深均增加；斜坎量水堰上游堰坡坡度相同時，水深在斜坎量水堰最高斷面上游段隨量水堰堰高的增加而增大，堰高相同時上游堰坡越大水深越大；堰高對水深的影響較量水堰坡度大；

(2)斜坎量水堰收縮比在0.645～0.951范圍時，收縮比對上游壅水高度的影響大于量水堰坡度對壅高的影響，收縮比相同時坡度越大壅水越高；上游壅水高度不超過10 cm時，斜坎量水堰適宜收縮比為0.867～0.951，堰長L為堰高P的10～12倍；

(3)各個體型下水深和流量都有相關性較好的乘冪關系，選取距離斜坎量水堰最高斷面上游1 cm處的Ⅲ斷面為測流水深，用量綱分析法和spss擬合結合得到的測流公式在量水堰堰高大于5 cm時誤差基本分布在±8%以內，滿足小型的U形灌排渠道測流要求。

U形渠道斜坎量水堰結構簡單、量測方便，且精度較高，適宜在灌區底坡大于1/200的末級渠道中推廣使用。

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[1] 郝樹榮，任瑞英，郝樹剛.灌區量水技術的發展與展望[J].人民黃河，2003，5(11)：41-43.

[2] 蔡 勇，李同春.灌區量水設施分析研究[J].中國農村水利水電，2005，(2)：13-15.

[3] 王長德.量水技術與設施[M].北京:中國水利水電出版社，2005.

[4] 張志昌. U形渠道量水設施綜述[J]. 西安理工大學學報, 1995,(3):214-219.

[5] 吳景社, 朱風書, 康紹忠,等. U形渠道適宜量水設施及標準化研究[J]. 灌溉排水學報, 2004,23(2):38-41.

[6] 戚玉彬, 張月云, 羅江海. 小型U形渠道適宜量水設備淺析[J]. 中國農村水利水電, 2007,(12):71-73.

[7] 呂宏興, 朱曉群, 張春娟,等. U形渠道拋物線形喉口式量水槽選型與設計[J]. 灌溉排水學報, 2001,20(2):55-57.

[8] 劉嘉美, 王文娥, 胡笑濤,等. 梯形渠道圓柱形(帶尾翼)量水槽試驗研究[J]. 灌溉排水學報, 2013,32(6):23-26.

[9] 劉 英, 王文娥, 胡笑濤,等. U形渠道圓頭量水柱測流影響因素試驗及模擬[J]. 農業工程學報, 2014,30(19):97-106.

[10] 呂宏興，裴國霞，楊玲霞. 水力學[M].北京：中國農業出版社，2002:239.

[11] 張志昌, 張宗孝, 劉亞菲. U形渠道直壁槽式量水堰的試驗研究與應用[J]. 陜西水利, 1992,(1):27-32.

[12] 楊珮珮, 馬孝義, 鐘新銘. 弧底梯形渠道無喉道量水槽水力性能影響因素研究[J]. 中國農村水利水電, 2016,(3):74-79.

[13] 劉嘉美, 王文娥, 胡笑濤. U形渠道圓頭量水柱試驗研究[J]. 中國農村水利水電, 2014,(11):98-100.