灌區梯形量水堰板開孔形狀對測流的影響分析

張勝東，楊 升

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002)

1 概述

新疆獨特的氣候及地緣特征形成了“綠洲經濟、灌溉農業”的格局，目前農業用水比重高達90%以上，造成新疆“三產”用水結構極不合理，嚴重制約新疆經濟的可持續發展。因此，做好灌溉節水工作是提高水資源利用效率的必由之路。新疆灌區目前存在的主要問題有：管理水平低、量水設施匱乏、技術落后，導致量水粗放、水費分攤、用水者節水意識差、灌區水利用率低、水資源浪費嚴重。灌區用水量缺乏有效測量和監控，導致用水、節水出現一系列問題。可見，農業灌溉的精確量水是實現新疆農業節水和科學管理水資源的最基本環節。

隨著新疆按用水量收費、多用水多收費的水費制度的推進，這就要求灌區量水尤其是斗、農渠量水必須全面實施。那么大力研究和配套結構簡單、操作便捷、水頭損失小、量水精度高、能夠滿足灌區相應實際需求的渠道量水設施已經成為了十分迫切的任務，對灌區發展也具有重要的意義。

梯形量水堰作為一種用于明渠水流的量水設備具有結構簡單、造價低廉、易于制造、測計方便等優點，成為在斗、農渠量水應用最為廣泛的量水設施。而在新疆，由于灌區渠道水流都具有一定的含沙量，在很大程度上限制了梯形量水堰的應用和推廣。在渠道上設置梯形堰后，將造成上游壅水，由于有一定的堰高，泥沙沒有輸送的通道，將會淤積在堰前，導致堰高減少，H/P值增大(標準梯形堰要求H/P≤2)，將對堰體流量系數的穩定性造成干擾，使得量測精讀大為下降。泥沙淤積問題本身就是梯形量水堰的短板，因此相關規范和量水手冊對量水設施進行推薦時規定了梯形量水堰的適用性，即適于安設在含沙量較小的田間渠道上進行水的量測。那么在新疆灌區應用梯形量水堰就必須解決泥沙淤積對量測水量的影響。

2 梯形量水堰的選取及排沙孔擬定

2.1 梯形堰幾何尺寸選取

根據SL 537—2011《水工建筑物與堰槽測流規范》中的規定，梯形薄壁堰的常見結構尺寸見表1。

本文對照室內實際試驗模型，擬定的梯形量水堰結構尺寸見表1中加粗字體所示，堰檻寬為0.75m，測流范圍為30～178(10-3m3·s-1)。

表1 梯形量水堰結構尺寸表 單位：m

量水堰安裝過程中保持堰檻水平，堰身直立，堰身中線應與水流軸線相吻合；堰口傾斜面朝向下游；過堰水深≤1/3或<1/10堰檻寬，上游平直蕖段長度≥10倍堰檻寬，下游平直蕖段長度≥4倍堰檻寬；欲使過堰水流為自由流，在能保持通過計劃流量的前提下，安裝時應使堰檻高出下游水面2cm。根據本文所選的梯形量水堰尺寸，可以得出：上游平直段長度為7.5m，下游平直段長度為3.0m，渠道總長度10.5m，底坡i=1/500，糙率n=0.015。根據規范SL 537—2011，其規定斷面邊坡特定為1∶0.25(垂直:水平)，各幾何尺寸關系及各符號代表意義如圖1所示。

圖1 梯形薄壁堰幾何尺寸關系圖

梯形薄壁堰的自由出流公式如(1)式所示，

Q=1.855bh3/2

(1)

式中，Q—過堰流量，m3/s；b—堰檻寬度，m；h—堰上水深，m。

2.2 排沙孔形狀及布置

在堰高底部設置排沙孔，減免堰前淤沙，量測時不關閉排沙孔，按照排水孔(有壓流)和堰頂同時過流工況進行水量量測。本文所選用的排沙孔形狀分別為矩形和三角形，如圖2所示。其中矩形孔和三角形孔按照孔寸大小的不同又分為：矩形孔(A—D)和三角形孔(A—D)各4種形狀從小到大如圖3所示，以便更好的分析不同形狀的排沙孔對測流的影響。

圖2 兩種排沙孔的形狀及布置

圖3 兩種排沙孔的4種形狀及尺寸(單位：cm)

根據《水力學計算手冊》(第二版)規定，排沙孔的過流流量可按照孔流計算，分自由出流和淹沒出流兩種出流情況，其相應計算公式如式(2)—(3)所示：

孔口自由出流時，孔口流量計算如下式(2)：

(2)

式中，q—自由出流時的孔口流量，m3/s；μ—流量系數，范圍為0.60～0.62；A為孔口面積，m2；g—重力加速度，大小為9.81g/m3；H為作用水頭，即上下游水頭差，m。

孔口出流為淹沒出流時，孔口流量計算如下式(3)：

(3)

淹沒出流的流量系數μv又可表示為(4)式：

(4)

式中，qv—自由出流時的孔口流量，m3/s；μ—流量系數，φ—淹沒孔口的流速系數；ξ1—孔口的局部阻力系數，通常取0.06；ε—斷面的收縮系數，范圍為0.62～0.64；A—孔口面積，m2；g—重力加速度，大小為9.81g/m3；H—作用水頭，即上下游水位差，m。

本文孔口出流中自由出流的流量系數最終取0.62，淹沒出流的流量系數經計算最終為0.6022。

3 梯形堰排沙孔流量數據分析

3.1 不同形狀的排沙孔流量統計(矩形孔)

本文在堰上水深h分別為0.1、0.15、0.2、0.25m 4種情況下，按照自由出流和淹沒出流兩種工況進行流量計算并分析，將不同形狀的矩形排沙孔的過流流量進行統計見表2—3。

不同工況下的4種矩形孔在不同水頭下的流量占比影響如圖4—5所示。

通過表2、表3結合圖4—5可以看出，自由出流與淹沒出流2種工況下的堰流和孔流相差并不明顯，矩形孔的開孔大小對孔流占比影響較大，矩形孔面積大小關系為：矩形孔A<矩形孔B<矩形孔C<矩形孔D，當排沙孔由矩形孔A增大到矩形孔C時，隨著矩形孔的開孔面積的增大，同一水頭下的孔流流量也逐漸增大，孔流流量占比由19.78%增大到了28.29%，另外，可以看出排沙孔面積由矩形孔C增大到矩形孔D時，孔流對堰流的占比發生了較為明顯的突變，孔流流量占比由28.29%增大到了44.11%，可知，開孔高度影響孔流對堰流的占比較為明顯，開孔高度的增加對孔流占比的影響比開孔寬度的增加更為顯著，可以將矩形孔C的尺寸確定為影響堰上測流的矩形孔臨界尺寸。

表2 梯形堰矩形孔自由出流

表3 梯形堰矩形孔淹沒出流

圖4 兩種工況下矩形孔大小對堰流量的影響

由圖5可以看出，對于同一形狀的矩形孔，隨著上游水頭的增大，其孔流流量也逐漸增大，淹沒出流與自由出流二者的變化并不明顯，矩形孔D的孔流流量最大。

圖5 兩種工況下4種矩形孔流量關系

3.2 不同形狀的排沙孔流量統計(三角形孔)

自由出流與淹沒出流兩種工況下的堰流和孔流相差并不明顯，三角孔的開孔大小對孔流占比影響較大，見表4—5，如圖6—7所示，。三角孔面積大小關系為：三角孔A<三角孔B<三角孔C<三角孔D，當排沙孔由三角孔A增大到三角孔C時，隨著三角孔的開孔面積的增大，同一水頭下的孔流流量也逐漸增大，孔流流量占比由10.98%增大到了16.48%，另外，可以看出排沙孔面積由三角孔C增大到三角孔D時，孔流對堰流的占比發生了較為明顯的突變，孔流流量占比由16.48%增大到了28.29%，可知，開孔高度影響孔流對堰流的占比較為明顯，開孔高度的增加對孔流占比的影響比開孔寬度的增加更為顯著，可以將三角孔C的尺寸確定為影響堰上測流的三角孔臨界尺寸。

表4 梯形堰三角形孔自由出流

表5 梯形堰三角形孔淹沒出流

圖6 兩種工況下三角孔大小對堰流量的影響

由圖7可以看出，對于同一形狀的三角孔，隨著上游水頭的增大，其孔流流量也逐漸增大，淹沒出流與自由出流二者的變化并不明顯，三角孔D的孔流流量最大。

圖7 兩種工況下4種三角孔流量關系

4 結論

通過梯形量水堰尺寸的選取，排沙孔形狀的布置及梯形堰排沙孔的流量數據分析，在自由出流與淹沒出流兩種工況下的流量計算，發現堰流和孔流相差并不明顯，矩形孔、三角孔的開孔大小對孔流占比影響較大，開孔高度影響孔流對堰流的占比較為明顯，開孔高度的增加對孔流占比的影響比開孔寬度的增加更為顯著。