賀 城，廖 娜

(1.中工國(guó)際工程股份有限公司，北京 100080；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083)

平移式噴灌機(jī)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)械化的重要裝備之一。平移式噴灌機(jī)的供水方式有封閉式供水和開放式供水2種。封閉式供水是指將供水軟管直接接在平移式噴灌機(jī)的中心塔架車上，通過(guò)供水軟管為平移式噴灌機(jī)供水。開放式供水是指通過(guò)天然河道或修建人工明渠為平移式噴灌機(jī)供水。當(dāng)有條件使用天然河道取水時(shí)，由于天然河道的水深遠(yuǎn)大于平移式噴灌機(jī)進(jìn)水口取水最低水位要求，因而可采用浮動(dòng)式進(jìn)水口。然而，由于平移式噴灌機(jī)一般要求直線行走，天然河道很難具備平移式噴灌機(jī)的取水條件，更多情況是需要修建人工明渠進(jìn)行取水。采用人工明渠對(duì)平移式噴灌機(jī)進(jìn)行供水時(shí)，平移式噴灌機(jī)一般使用滾輪行走式進(jìn)水口進(jìn)行取水，進(jìn)水口安裝在滾輪上，滾輪沿著明渠渠底隨平移式噴灌機(jī)一起行走。當(dāng)明渠水位高于平移式噴灌機(jī)進(jìn)水口頂部時(shí)，啟動(dòng)平移式噴灌機(jī)的真空泵對(duì)進(jìn)水管道抽空氣，使進(jìn)水管道達(dá)到負(fù)壓狀態(tài)，明渠里的水在外界氣壓的作用下會(huì)自動(dòng)進(jìn)入噴灌機(jī)進(jìn)水管道內(nèi)，再啟動(dòng)平移式噴灌機(jī)的離心泵將進(jìn)水管道內(nèi)的水輸送至噴灌機(jī)各個(gè)噴頭噴出。

明渠底坡設(shè)計(jì)是明渠設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。明渠底坡有順坡、平坡和逆坡3種。順坡和平坡明渠在一般的給排水工程中被廣泛使用。平移式噴灌機(jī)供水明渠對(duì)其水面線有一定的要求，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)中予以考慮：明渠全程水面線應(yīng)高于平移式噴灌機(jī)進(jìn)水口頂部，以保證噴灌機(jī)的取水要求；明渠渠高設(shè)計(jì)不應(yīng)過(guò)大，以確保明渠修建的經(jīng)濟(jì)性；明渠渠高設(shè)計(jì)不應(yīng)過(guò)小，應(yīng)避免水漫渠頂事故；應(yīng)將灌渠的時(shí)間控制在合理范圍；應(yīng)根據(jù)噴灌機(jī)的流量設(shè)計(jì)明渠流量。

本文提供平移式噴灌機(jī)供水明渠常見的流量和渠長(zhǎng)范圍，在確定了渠底寬度、粗糙系數(shù)、邊坡系數(shù)的情況下，比較明渠底坡采用順坡和平坡設(shè)計(jì)對(duì)明渠水面線的影響，并給出結(jié)論，為工程應(yīng)用提供參考。

1 理論與方法

1.1 平移式噴灌機(jī)相關(guān)參數(shù)

水渠流量取決于噴灌機(jī)需水量，而噴灌機(jī)的需水量由噴灌機(jī)跨數(shù)、單跨噴頭個(gè)數(shù)和單個(gè)噴頭流量決定，因而可根據(jù)常用平移式噴灌機(jī)流量界定平移式噴灌機(jī)供水明渠的流量范圍。本文以配有非旋轉(zhuǎn)低壓噴頭的平移式噴灌機(jī)為例，經(jīng)計(jì)算可知單跨流量約為0.01 m3/s。據(jù)此計(jì)算，當(dāng)明渠流量為0.1 m3/s時(shí)，可給總計(jì)10跨的平移式噴灌機(jī)供水，以此類推，當(dāng)明渠流量為0.3 m3/s時(shí)，可給總計(jì)30跨的平移式噴灌機(jī)供水，噴灌機(jī)各跨體可根據(jù)地形情況，以每5至20跨的方式組裝成單臺(tái)噴灌機(jī)，在一條長(zhǎng)直明渠上可布置一臺(tái)或多臺(tái)噴灌機(jī)。從流量上看，平移式噴灌機(jī)供水人工明渠在規(guī)模上均為小型渠道。本文考察明渠流量分別為0.10、0.15、0.20、0.25和0.30 m3/s時(shí)的水面線。

1.2 明渠相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)

對(duì)于使用人工明渠供水的平移式噴灌機(jī)，其取水裝置一般為在渠底使用滾輪行走的方式，明渠和平移式噴灌機(jī)進(jìn)水口示意圖如圖1所示。

圖1 明渠和平移式噴灌機(jī)進(jìn)水口示意圖Fig.1 Schematic drawing of open channel and water inlet of lateral irrigation machine

對(duì)明渠的設(shè)計(jì)，一方面要保證明渠水面線要高于平移式噴灌機(jī)進(jìn)水口的頂部，保證取水裝置在水渠的任何位置以及任何時(shí)間都能順利地抽水；另一方面要對(duì)明渠的斷面形式、渠高、底坡進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使修筑明渠的工程量達(dá)到最少，以減少建設(shè)成本。由于平移式噴灌機(jī)進(jìn)水口頂部以下的水需要快速壅高，以減少明渠的灌水時(shí)間，因此明渠斷面宜采用梯形斷面，本文明渠邊坡系數(shù)m取1；明渠底寬應(yīng)根據(jù)平移式噴灌機(jī)進(jìn)水口尺寸以及明渠流量要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文渠底寬b為0.35 m；本文假設(shè)平移式噴灌機(jī)供水明渠全部為混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑或混凝土襯砌，且為斷面形狀及尺寸沿程不變的棱柱形順直平整人工明渠，粗糙系數(shù)n取0.014[1]；平移式噴灌機(jī)進(jìn)水口高0.60 m，定義明渠工作時(shí)最低水位為0.62 m。假設(shè)渠高為0.90 m，渠高的設(shè)置僅作觀察水面線的相對(duì)位置，并不參與明渠水面線及灌水時(shí)間的計(jì)算。

平移式噴灌機(jī)的最大移動(dòng)速度一般設(shè)計(jì)得很低，且在最大移動(dòng)速度范圍內(nèi)根據(jù)百分比計(jì)時(shí)器來(lái)控制其移動(dòng)速度。本文所述平移式噴灌機(jī)的最大移動(dòng)速度約為4.1 m/min，假設(shè)單臺(tái)平移式噴灌機(jī)的灌溉區(qū)域長(zhǎng)度為1.5 km，則走完單程至少耗時(shí)6.1 h，這意味著單臺(tái)噴灌機(jī)的行走距離不宜太長(zhǎng)。一條明渠可給一臺(tái)或多臺(tái)平移式噴灌機(jī)供水，明渠設(shè)計(jì)過(guò)短，影響噴灌機(jī)和明渠的使用效率；明渠設(shè)計(jì)過(guò)長(zhǎng)，對(duì)明渠水面線影響很大，從而影響了噴灌機(jī)的使用。本文對(duì)明渠長(zhǎng)度分別為3.0和4.5 km時(shí)的水面線進(jìn)行研究，這個(gè)長(zhǎng)度范圍適宜布置2至4臺(tái)平移式噴灌機(jī)。

本文考察明渠流量分別為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 m3/s，明渠底坡分別為順坡(i=0.000 1)和平坡(i=0)，渠長(zhǎng)分別為3.0 和4.5 km時(shí)的水面線。

1.3 水面線計(jì)算方法

順坡明渠采用下式計(jì)算正常水深h0：

(1)

式中：Q為流量；A為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e；C為謝才系數(shù)，C= 1/nR；R為水力半徑；i為底坡；n為粗糙系數(shù)。

順坡和平坡明渠采用下式計(jì)算臨界水深hk：

(2)

式中：B為水面寬；g為重力加速度；α為動(dòng)能修正系數(shù)，其值為1。

為了使明渠達(dá)到平移噴灌機(jī)進(jìn)水口的水位要求，明渠末端需要設(shè)置擋水坎，對(duì)明渠水位進(jìn)行壅高。經(jīng)計(jì)算可知，底坡采用順坡設(shè)計(jì)且水位達(dá)到工作狀態(tài)時(shí)，明渠水面線為壅水曲線；采用平底坡方案且水位達(dá)到工作狀態(tài)時(shí)，明渠水面線為降水曲線。

按照明渠恒定非均勻流、采用分段試算法計(jì)算明渠水面線，計(jì)算公式為：

(3)

在工程應(yīng)用中，平移式噴灌機(jī)使用真空泵和離心泵從水渠中取水，因此在平移式噴灌機(jī)抽水工作之前，水渠的水面必須完全淹沒平移式噴灌機(jī)的入水口。從水渠開始灌水到水渠水面線滿足平移式噴灌機(jī)工作要求的這段時(shí)間為水渠灌水時(shí)間T，其計(jì)算公式為：

(4)

2 結(jié)果與討論

圖2為當(dāng)明渠流量為0.10 m3/s時(shí)的水面線。圖2(a)所示當(dāng)?shù)灼聻?.000 1、 渠長(zhǎng)為3.0 km時(shí)，渠首水深為0.62 m、渠末水深為0.89 m，此時(shí)若采用渠高0.9 m的設(shè)計(jì)，則明渠末端水漫渠頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)增大。若降低整體水面線高度，則會(huì)導(dǎo)致明渠渠首段達(dá)不到平移噴灌機(jī)最低水位要求。從圖2(b)可以看出，當(dāng)采用平底坡設(shè)計(jì)時(shí)，水渠全程都能保持較為水平的理想水面線，且渠頂與水面線之間有一定的高差。繼續(xù)增大明渠長(zhǎng)度，當(dāng)明渠長(zhǎng)度為4.5 km時(shí)[見圖2(c)和圖2(d)]，圖2(c)渠末的水一定會(huì)漫過(guò)渠頂，當(dāng)采用渠高為0.9 m的設(shè)計(jì)時(shí)，渠首無(wú)法達(dá)到平移噴灌機(jī)的最低水位要求，渠首的一段距離內(nèi)噴灌機(jī)無(wú)法取水灌溉。在采用底坡為0.000 1的設(shè)計(jì)時(shí)，為了達(dá)到噴灌機(jī)的使用要求，需要增加渠高，則增大了明渠的施工成本。由圖2(d)可以看出即使當(dāng)水渠長(zhǎng)度增加至4.5 km，平底坡設(shè)計(jì)仍然能產(chǎn)生符合平移式噴灌機(jī)使用要求的水面線。從圖2可以看到，由于明渠流量小、水渠較長(zhǎng)，水渠灌水時(shí)間都很長(zhǎng)，水渠灌水的最短時(shí)間為6.2 h。如果是采用水泵給明渠灌水，則在灌水時(shí)應(yīng)考慮增開泵的數(shù)量，以縮短水渠灌水時(shí)間，待明渠水面線達(dá)到要求時(shí)再將增開的泵關(guān)閉，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)泵的流量應(yīng)與平移式噴灌機(jī)的需水量保持一致。圖2渠長(zhǎng)相同但水渠灌水時(shí)間不一樣，是因?yàn)樗婢€高度不同所致。

圖3為當(dāng)明渠流量為0.15 m3/s時(shí)的水面線。圖3(a)所示當(dāng)?shù)灼聻?.000 1、 渠長(zhǎng)為3.0 km時(shí)，渠首水深為0.63 m、渠末水深為0.83 m，此時(shí)水面線能夠滿足噴灌機(jī)使用要求。圖3(b)所示，當(dāng)采用平底坡設(shè)計(jì)時(shí)，水渠全程能保持較為水平的水面線，渠首水深為0.67 m、渠尾水深為0.77 m，此時(shí)水面線也能夠滿足噴灌機(jī)使用要求，且其水面線比圖3(a)更佳。繼續(xù)增大明渠長(zhǎng)度，當(dāng)明渠長(zhǎng)度為4.5 km時(shí)[見圖3(c)和圖3(d)]，圖3(c)渠首和渠末水深分別為0.61和0.90 m，此時(shí)明渠渠末水漫渠頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)很大。圖3(d)可以看出即使當(dāng)水渠長(zhǎng)度增加至4.5 km，平底坡設(shè)計(jì)仍然能產(chǎn)生符合平移式噴灌機(jī)使用要求的水面線。從圖3可以看到，由于明渠流量較小、水渠較長(zhǎng)，水渠灌水時(shí)間都較長(zhǎng)，水渠灌水最短時(shí)間達(dá)到了4.3 h。如果在使用時(shí)需要縮短灌水時(shí)間，同樣需要在灌水時(shí)考慮增開泵的數(shù)量，以縮短水渠灌水時(shí)間，待明渠水面線達(dá)到使用要求時(shí)再將增開的泵關(guān)閉，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)泵的流量與平移式噴灌機(jī)的需水量保持一致。

圖2 明渠流量為0.10 m3/s時(shí)的水面線Fig.2 Charts of water surface line when the open channel flow is 0.10 m3/s

圖3 明渠流量為0.15 m3/s時(shí)的水面線Fig.3 Charts of water surface line when the open channel flow is 0.15 m3/s

圖4為當(dāng)明渠流量為0.20 m3/s時(shí)的水面線。圖4(a)所示當(dāng)?shù)灼聻?.000 1、 渠長(zhǎng)為3.0 km時(shí)，渠首水深為0.67 m、渠末水深為0.80 m，此時(shí)水面線能夠滿足噴灌機(jī)使用要求。圖4(b)所示，當(dāng)采用平底坡設(shè)計(jì)時(shí)，渠首水深為0.83 m、渠末水深為0.69 m，此時(shí)水面線也能夠滿足噴灌機(jī)使用要求。繼續(xù)增大明渠長(zhǎng)度，當(dāng)明渠長(zhǎng)度為4.5 km時(shí)[見圖4(c)和圖4(d)]，圖4(c)渠首和渠末水深分別為0.67和0.88 m，圖4(d)渠首和渠末水深分別為0.86和0.65 m，這兩種情況下的水面線都能夠滿足噴灌機(jī)使用要求，但水漫渠頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)都增加了。

從水面線的情況看，在明渠不斷地有水被灌入、噴灌機(jī)不斷地從明渠抽水時(shí)，底坡設(shè)計(jì)為0.000 1和采用平底坡設(shè)計(jì)時(shí)水面線效果沒有明顯差異。但當(dāng)水泵和噴灌機(jī)同時(shí)停止時(shí)，由于水渠的水面會(huì)在重力作用下自行恢復(fù)到水平狀態(tài)，圖4(c)所示情況下，渠末端有可能會(huì)出現(xiàn)水漫渠頂事故。圖4(b)和圖4(d)采用平坡設(shè)計(jì)的水渠則不會(huì)有渠末水漫渠頂?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。因此在當(dāng)流量為0.20 m3/s時(shí)，平坡方案更優(yōu)。

圖5為當(dāng)明渠流量為0.25 m3/s時(shí)的水面線。圖5(a)所示當(dāng)?shù)灼聻?.000 1、 渠長(zhǎng)為3.0 km時(shí)，渠首水深為0.73 m、渠末水深為0.80 m，此時(shí)水面線能夠滿足噴灌機(jī)使用要求。圖5(b)所示，當(dāng)采用平底坡設(shè)計(jì)時(shí)，渠首水深為0.86 m、渠末水深為0.64 m，此時(shí)水面線也能夠滿足噴灌機(jī)使用要求，但渠首段渠頂與水面線之間的高差很小，水漫渠頂風(fēng)險(xiǎn)較大。繼續(xù)增大明渠長(zhǎng)度，當(dāng)明渠長(zhǎng)度為4.5 km時(shí)[見圖5(c)和圖5(d)]，圖5(c)渠首和渠末水深分別為0.80和0.72 m，水面線能夠滿足噴灌機(jī)的使用要求。但圖5(d)渠首和渠末水深分別為0.92和0.62 m，在渠首會(huì)產(chǎn)生水漫渠頂事故。綜合4種條件下的水面線表現(xiàn)，當(dāng)明渠流量為0.25 m3/s時(shí)，采用底坡為0.000 1的方案較優(yōu)。

圖4 明渠流量為0.20 m3/s時(shí)的水面線Fig.4 Charts of water surface line when the open channel flow is 0.20 m3/s

圖5 明渠流量為0.25 m3/s時(shí)的水面線Fig.5 Charts of water surface line when the open channel flow is 0.25 m3/s

圖6為當(dāng)明渠流量為0.30 m3/s時(shí)的水面線。當(dāng)?shù)灼聻?.000 1、 渠長(zhǎng)為3.0 km時(shí)，渠首和渠末水深分別為0.77和0.79 m[見圖6(a)]；當(dāng)?shù)灼聻?.000 1、 渠長(zhǎng)為4.5 km時(shí)，渠首和渠末水深分別為0.78和0.84 m[見圖6(c)]，兩種條件下的水面線均能夠滿足噴灌機(jī)使用要求。當(dāng)采用平底坡、渠長(zhǎng)為3.0 km時(shí)，渠首和渠末水深分別為0.91和0.62 m[見圖6(b)]；當(dāng)采用平坡、渠長(zhǎng)為4.5 km時(shí)，渠首和渠末水深分別為0.97和0.62 m[見圖6(d)]，2種條件下水渠渠首均會(huì)產(chǎn)生水漫渠頂事故。從結(jié)果可以看出當(dāng)明渠流量為0.30 m3/s時(shí)，采用底坡為0.000 1的方案較優(yōu)。

圖6 明渠流量為0.30 m3/s時(shí)的水面線Fig.6 Charts of water surface line when the open channel flow is 0.30 m3/s

3 結(jié) 語(yǔ)

水面線是明渠設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。本文依據(jù)平移式噴灌機(jī)供水明渠的常用流量和渠長(zhǎng)范圍，結(jié)合平移式噴灌機(jī)對(duì)其供水明渠水面線的具體要求，研究了當(dāng)明渠底坡為0.000 1和采用平底坡設(shè)計(jì)時(shí)的水面線變化規(guī)律。結(jié)果顯示在本文的設(shè)計(jì)參數(shù)下，當(dāng)明渠流量不大于0.20 m3/s、渠長(zhǎng)不大于4.5 km時(shí)明渠宜采用平底坡設(shè)計(jì)。當(dāng)明渠流量大于0.20 m3/s時(shí)，還應(yīng)根據(jù)具體的流量、渠長(zhǎng)和粗糙系數(shù)對(duì)渠高和底坡進(jìn)行設(shè)計(jì)。粗糙系數(shù)對(duì)明渠水面線有重要影響，明渠施工時(shí)應(yīng)注意渠道施工質(zhì)量會(huì)對(duì)粗糙系數(shù)產(chǎn)生影響。明渠使用過(guò)程中過(guò)多的泥沙和垃圾沉積會(huì)增大明渠粗糙系數(shù)，亦會(huì)影響平移式噴灌機(jī)的吸水性能，在明渠管理中注意及時(shí)清理明渠中的泥沙和垃圾。

[1] 王 開，魏加華，王光謙．大型渠道糙率系數(shù)設(shè)計(jì)取值的不確定性及影響分析[J]. 應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2008，16(6)：870-878．

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