一種測流用圓頭量水柱夾持裝置的設計與實現

牛國旭 鄭煊倫 李俊杰

(溫州市農業科學研究院 浙江 溫州 325006)

一、前言

隨著社會的發展，在水稻和小麥等大面積種植的農作物灌溉方面，管理方便并且投資成本低的U形渠道成為農業灌溉用水的主要輸送形式。U型渠大規模推廣使用的同時，能夠有效確保田間灌溉質量的灌區量水技術儼然成為一個基礎的、關鍵性的問題。它對于搞好灌區的經營治理、提高灌區的經濟效益、實現按量收費、發展節水農業具有重要意義。

據了解，已有的量水設施大多是在矩形渠道、梯形渠道的基礎上開發完成的，由于渠道斷面結構大多不同，這些量水設施在應用于U形斷面渠道量水時往往存在安裝困難、測流誤差大、甚至水流條件不滿足量測要求的現象。隨著農渠及田間工程改造的推進，量水柱由于結構簡單、經濟、便于修建、抗淤堵能力強、自由出流時測流精度較高，成為了與U形渠道相配套的量水設施。

但目前大多學者將研究的重點多放在如何找到一種最優斷面的量水柱，而鮮有人研究如何將已經研制出的量水柱應用在實際中，這也直接影響到量水柱的推廣應用。現急需一種固定裝置，包括支撐結構和設置在上述支撐結構上的夾持裝置，量水柱安裝在所述夾持裝置上，并采用一些手段將整個裝置固定在U形渠兩岸。

二、量水柱固定裝置研制案例

(一)U形渠道圓頭量水柱測流原理

在U形渠道軸線適當位置處垂直安裝圓頭量水柱，柱前上游渠道中水流為緩流，當水流通過柱體時在其喉口處形成局部收縮，受到側收縮的影響，過流斷面形成足夠的水面降落，水流流速增加，勢能與動能發生轉換，并在喉口附近產生臨界流，隨后進入急流狀態，與下游水流銜接。因此，下游水流在相當長的一段水深范圍內不會影響上游水流。故而，流量與上游堰頂水頭可構成穩定單一的關系。根據能量守恒原理，即可得到過槽流量。

(二)前人研究案例

西北農林科技大學王玉寶等人自主研發了一套U形渠道流量測量裝置。該裝置包括內部裝有柱體的測量筒，且在量水柱兩側設置兩板。兩板在保證形成臨界流的同時，還可以有效縮減量水柱體積，使得柱內水深與駐點水深相等，測量柱內水深即可獲得駐點水深。此種方法雖然提高了測量精度，但需要破壞U形渠底進而預埋混凝土固定塊，這也使得此方法固定量水柱效率低下且會造成資源的一定浪費，因此很難實現對此法的推廣。

(三)本人研制固定裝置案例

對于小尺寸U型渠進行量水柱測量比較方便，但對于大尺寸U型渠的測量僅靠人力扶持量水柱測量困難重重。針對此種情況，現研制一種測流用量水柱夾持裝置，如圖1、圖2所示，此裝置包括夾持結構和設置在所述夾持結構上的桿件結構。具體形式如下：

圖1 夾持裝置立體圖

圖2 斜撐桿件局部圖

上圖中，1為U型渠、2為支撐塊、3為斜撐桿外桿、301為斜撐桿內桿、303為緊固螺絲、4為鎖緊螺栓、5為水平支撐粗桿、6為水平支撐粗桿調節器、7為水平支撐細桿、8水平支撐細桿調節器、9為圓頭量水柱、10為卡箍金屬片。

1.固定裝置材料與設計

其中，水平支撐粗(細)桿選用不銹鋼鋼管材料。其中水平支撐細桿選用壁厚為1.5mm、直徑為3cm的鋼管，水平支撐粗桿選用壁厚為3mm、直徑為5cm的鋼管。圓頭量水柱9為聚氯乙烯制作的空心薄壁圓柱體。

2.固定裝置使用方法

使用固定裝置前將圓頭量水柱9緊固在兩個對稱布置的卡箍金屬片10中，預估U型渠的寬度并將其垂直放置在水渠軸線處，根據水渠寬度調整斜撐桿3和水平支撐桿5的長度。其中對斜撐桿而言，因其為不同直徑桿嵌套，所以只需要對內桿301通過伸縮便可調整其長度,待長度確定以后使用彈簧凸起302將外桿3進行固定。對水平支撐桿5和7而言，只可以進行小幅度的調整。分別轉動水平支撐桿5和7外端進而帶動內端在調節器6和8中旋轉，實現水平支撐桿總體長度與U形渠寬的匹配。待所有構件調整完畢以后,放入水渠中，此時只需通過擰緊緊固螺絲303使得整個裝置保持沿水渠軸線對稱放置。待一切就緒以后，只需用腳力下壓夾持裝置便可以實現量水柱的固定。

其中水平支撐桿5和7的局部圖如圖1所示，由圖可知水平桿的端部裝有一段螺紋鋼管，而調節器內部又自帶內螺紋，兩個構件進而可實現螺紋聯接。使用過程中，調節器6和8可通過螺紋配合實現對水平支撐桿長度的調整使得夾持裝置可隨時與U型渠的寬度保持一致。卡箍金屬片10為圓弧形，為了使其和量水柱受力更充分，需將其弧度曲率半徑與圓頭量水柱橫截面圓相當。

(四)優點

具有重量輕、結構簡單的特點，方便調節，堅固耐用，穩定性好，節省時間和資源。零部件安裝、調整、拆卸方便。

三、總結

本文在充分利用U形渠獨有的外觀基礎上研制了此種固定裝置，解決了體型中等以上U形渠量水柱測流難、固定裝置笨重等遺留問題，為量水柱的進一步推廣應用提供了參考。