Sothearith Seak，胡笑濤，王文娥

(西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

隨著中國灌區(qū)改造的推進，U形渠道以其水力條件優(yōu)越、節(jié)省土地等優(yōu)點[1]，在斗渠及其以下渠道的建設中得到大量推廣。根據(jù)灌區(qū)現(xiàn)代化管理的需要，為了實現(xiàn)按量收費，我國在量水設施領域進行了大量研究，也取得了很多成果，其中包括多種針對U形渠道研發(fā)的量水設施[2]，如拋物線形喉口式量水槽、圓頭量水柱、直壁式量水槽等，這些量水設施多基于平原灌區(qū)底坡較平緩(多數(shù)小于1/1 000)的渠道設計；目前對于渠道底坡較陡時還缺乏適宜的簡易量水設施，如甘肅河西走廊綠洲區(qū)主要位于祁連山山前拗陷帶，引祁連山雪山融水灌溉，渠道底坡較陡；當?shù)匦⌒颓蓝酁閁形斷面，底坡一般為1/150～1/500，缺乏適宜的量水設施研究。

對于地勢較陡的灌區(qū)，為了防止灌溉渠道底坡較大時引起的沖刷，多設置跌水作為落差建筑物。跌水可直接用于流量量測，具有不需要新增建筑物、只需測量水深即可得到流量、操作簡單的優(yōu)點，如楊永森等[3,4]采用臨界流原理研究了二元自由跌水的水力特性，建立了水位流量理論公式；胡君杰等[5]、李建雄[6]等提出在梯形渠道的跌坎處修建矩形跌水口進行測流、柳洪學[7]介紹了跌水式弧形量水堰、盧艷娜等[8]進行了矩形渠道自由跌水量水堰試驗，均建立了水位流量擬合關系式；陳小攀等[9]對矩形及U形渠道跌水測流進行了試驗研究，將U形渠道跌水看成是堰高為零的薄壁堰進行流量公式推演，但跌水水流流動特性并不符合薄壁堰的定義。U形渠道斷面的弧形底部與矩形及梯形渠道形狀特征差異大，其水流運動具有明顯的三維特征，已有研究成果不能直接用于U形渠道跌水的水力性能研究[10]，因此本文根據(jù)U形渠道斷面特點，針對渠道底坡較大時的測流要求，對U形渠道跌水進行了水力性能試驗，分析各水力要素與流量的關系，確定流量計算方法，為灌區(qū)量水設施應用提供技術支撐。

1 試驗設計

試驗在西北農(nóng)林科技大學北校區(qū)水工廳進行，試驗系統(tǒng)主要包括：泵房、高位水池、穩(wěn)水池、調(diào)節(jié)閥門、輸水管道、有機玻璃U形渠道(渠道底坡可調(diào)節(jié))、三角堰、地下回水渠道等。試驗流量范圍為7～50 L/s，每7L/s左右設置一個流量，每種底坡6種流量，底坡設置為1/200、1/400、1/600、1/800?；厮蓝卧O三角形量水堰，量測過槽流量。跌水口上游共設22個測流斷面，斷面水深通過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。試驗布置示意圖見圖1，試驗U形渠道底弧直徑40 cm、長度12 m，相關參數(shù)見表1。由于水流通過跌水口時，水深連續(xù)變化，因此從跌水口斷面開始向上游800 cm范圍內(nèi)設置了22個測流斷面，測定跌水上游水深沿程變化。

圖1 試驗布置示意圖

渠道類型渠頂寬/m渠深/m渠長/m底弧直徑/m中心角/(°)外傾角/(°)U形0.530.45120.415214

試驗中采用直角三角形薄壁堰測量實際流量，其流量計算公式為：

Q=1.343H2.47

(1)

式中：Q為流量，m3/s；H為直角三角形薄壁堰的堰上水頭，m。

2 跌水測流原理分析

灌區(qū)輸水渠道為了防止渠道沖刷，渠道底坡不宜設置過陡，所以水流多為緩流，通過跌水口時，明渠對水流的阻力減小，水流在重力作用下自由跌落，水深小，為急流，從跌坎上游的緩流發(fā)展為急流，必然經(jīng)過臨界流，U形渠道跌水測流原理分析示意圖如圖2所示。從圖2可以看到，跌坎上游均勻流水深為h0，跌坎處水流流線很彎曲，水流為急流，跌水口(跌坎末端斷面)水深he(end-depth)，臨界水深多出現(xiàn)在跌水口斷面上游(3～4)hc處。目前量水槽水力性能的研究中均采用臨界流原理，通過渠道斷面收縮后產(chǎn)生臨界流，明渠臨界流的水深與流量具有穩(wěn)定關系，可用于流量測量，因此可以利用U形渠道跌水上游存在的臨界流測量流量。根據(jù)臨界流方程可以得到以下流量公式：

(2)

式中：Q為流量；g為重力加速度；A為過水斷面面積；B為水面寬度；角標c為臨界流斷面。

U形渠道斷面形狀復雜，過水斷面面積A及水面寬度B計算公式為：

(3)

(4)

式中：r為底弧半徑，m；h為斷面水深，m；β=2arcos(1-h/r)≤θ；m=cotθ。

在U形渠道跌坎上游的臨界流斷面測得臨界水深hc，根據(jù)公式(2)～(4)即可計算得到流量。

圖2 U形渠道跌水測流原理示意圖

但流量不同時，U形渠道產(chǎn)生臨界流的斷面位置不相同，即臨界流斷面位置不固定。在流量測量的實際應用中需要采用固定的測流斷面，所以無法直接使用某一流量對應的臨界流斷面作為測流斷面；根據(jù)明渠水流流動特性及能量方程可知，可以通過與臨界流斷面水深具有穩(wěn)定關系固定位置斷面，通過試驗建立兩斷面水深的關系，進一步得到通過跌水的流量。

3 試驗結果與分析

3.1 水面線

水面線能直觀的反映水流沿程變化情況，渠道水面線繪制、計算和研究是量水設施設計和選擇一個主要依據(jù)。試驗中發(fā)現(xiàn)4種底坡條件下水面線變化趨勢一致，圖3給出了底坡為1/200和1/800時不同流量條件下的水面曲線，另外兩種底坡的水面曲線類似。

圖3 U形渠道跌水上游水面曲線

從圖3可以看出不同底坡、不同流量條件下，水流接近跌水口時，均出現(xiàn)流線收縮、水深減小的現(xiàn)象，經(jīng)過跌坎時，水面不受任何約束，水面明顯降落；某一底坡條件下，同一斷面的水深隨流量的增大而增大；流量相近時，同一斷面的水深隨著底坡增加而增加，但越接近跌坎這種差異越小。

3.2 跌水口處水深he與臨界水深hc的關系

根據(jù)試驗所測水面線及臨界流斷面佛汝德數(shù)Fr為1，推算臨界流斷面位置及臨界水深hc；從圖3可以看出各流量下水面線均為單一降落曲線，跌水口位置特殊且水深隨流量的增加增加；已有研究表明矩形渠道及梯形渠道矩形跌水口處水深he與臨界水深hc的具有良好的相關關系[5-7]，若U形渠道跌水口處水深he與臨界水深hc的也具有良好的相關關系，即可將跌水口所在斷面作為測流斷面。

為了使研究結果具有普遍意義，將跌水口斷面水深he及臨界流水深hc均除以渠道底弧半徑，得到跌水口相對水深he/r及相對臨界水深hc/r兩個無量綱物理量，將這兩個量的試驗值繪入圖4，從圖4可以看出不同底坡條件下，跌水口斷面水深he及臨界流水深hc關系密切且規(guī)律一致，通過擬合得到關系式(5)，該式?jīng)Q定系數(shù)為0.982 9，相關性高，可以利用跌水口斷面的水深計算通過跌水的流量。

(5)

式中：r為底弧半徑，m；hc為臨界水深，m；he為跌水口處水深，m。

(6)

式中：s為渠道底坡；n為粗糙系數(shù)。

圖4 不同底坡he及臨界流水深hc的關系

圖5 與he/hc關系圖

圖6 兩種公式計算流量與實測流量對比圖

3.3 流量計算及誤差分析

分別采用使用式(5)和式(6)代入式(2)計算流量，并與實測流量進行對比，圖6給出了兩個公式計算流量與實測流量的對比圖，從圖6可以看出兩式計算得到的流量值與實測流量非常接近，誤差均在10%以內(nèi)，達到了測流精度。小于0.015 m3/s時，式(6)所得計算流量更接近實測流量；流量大于0.015 m3/s時，式(5)計算所得流量誤差均小于5%，式(6)所得計算流量誤差較式(5)大一些。在實際應用中，輸水渠道多在正常水深附近，小流量運行時間較短，可采用式(5)計算跌水通過的流量。

利用明渠上的落差建筑物跌水進行流量測量，不改變明渠原有的斷面形狀、結構，保持原有水流條件，只需要在跌水口處設立水尺或安裝水深測定裝置測定水深，就可以得到通過跌水的流量，試驗結果表明采用該方法測流精度較高，滿足測流要求，是一種簡單、經(jīng)濟的量水設施。

4 結 論

本文通過對U形渠道在4種底坡、6種不同流量工況下的跌水口水力性能試驗研究，得到以下主要結論：

(1)分析了U形渠道跌水進行流量測量的臨界流原理及流量計算公式。

(2)測量了跌水口上游各斷面水深，對水面線進行分析，發(fā)現(xiàn)某一底坡條件下，同一斷面的水深隨流量的增大而增大；流量相近時，同一斷面的水深隨著底坡增加而增加。

(3)根據(jù)建立的臨界水深和跌水口水深關系式，計算所得跌水流量與實測值非常接近，誤差均小于10%，說明可以利用U形渠道跌水進行流量測量，是一種簡單、經(jīng)濟的量水設施。