劉鴻濤， 趙瑞娟，宋一夢，牛 炎， 于明舟， 韓 宇， 屈忠義

(1.長春工程學(xué)院 水利與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130012；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018； 3.吉林省水工程安全與災(zāi)害防治工程實(shí)驗(yàn)室，長春；130012；4.松遼水利委員會，長春 130012； 5.長春市水利勘測設(shè)計(jì)研究院，長春 130012；6.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，北京 100083)

灌區(qū)作為農(nóng)業(yè)用水大戶，其用水計(jì)量與管理尤為重要，與灌溉渠道相配套的量水設(shè)施研發(fā)具有重要意義。研究表明，堰槽類量水設(shè)施經(jīng)濟(jì)實(shí)用且穩(wěn)定可靠，適合在灌區(qū)大規(guī)模推廣應(yīng)用[1-3]。隨著灌區(qū)量水技術(shù)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出了一大批量水槽形式，如長喉道、短喉道和無喉道量水槽[4,5]，以及拋物線形、半圓柱形等新型量水槽[6,7]。呂宏興于2003年提出了仿真機(jī)翼形狀的機(jī)翼形量水槽[8]。但是針對不同的量水槽形式，其適用的渠道形式和收縮比范圍不同，而且在部分高含沙、緩坡降的灌區(qū)，現(xiàn)有量水建筑物存在淹沒度高、測量精度不夠、水頭損失大的問題。

翼柱型量水槽是剖面為對稱翼形沿渠道中心線修砌，其具有結(jié)構(gòu)簡單，便于修建，省工省料，水頭損失小，用于灌溉渠道量水精度較高的特點(diǎn)。其過流表面為減緩曲線，幾乎無水流突變現(xiàn)象，水流條件好且不易產(chǎn)生淤積。

本文針對翼柱型量水槽在梯形渠道采用4種收縮比進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析其測流精度、水頭損失、佛汝德數(shù)、臨界淹沒度等水力性能參數(shù)，為翼柱型量水槽在灌區(qū)最為常用的梯形渠道應(yīng)用選型提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測流原理

1.1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)系統(tǒng)由地下水庫、供水管道、水泵、穩(wěn)水池、梯形渠道及排水池組成。梯形渠道底寬0.60 m，渠深0.36 m，渠道邊坡系數(shù)為1。梯形渠道翼柱型量水槽結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 翼柱型量水槽平剖面圖

翼柱型量水槽基本參數(shù)見表1。

表1 量水槽基本參數(shù)

收縮比計(jì)算公式如下：

(1)

式中：ε為收縮比；Mc為喉口斷面面積，m2；M為渠道斷面面積，m2。

梯形渠道翼柱型量水槽試驗(yàn)分別在0.583、0.542、0.500、0.458四種不同收縮比情況下進(jìn)行，試驗(yàn)流量由水泵變頻機(jī)組供給，調(diào)節(jié)幅度為10～80 L/s。

試驗(yàn)中需要測量數(shù)據(jù)有渠道流量、量水槽上下游水深、量水槽喉口斷面水深等。流量數(shù)據(jù)由DN200～B2C1D3法蘭連接型管道電磁流量計(jì)(測量精度為0.1 %)量測，水深數(shù)據(jù)采用SCM60型數(shù)顯水位測針(測量精度為±0.18 mm)讀取。

1.2 測流原理

翼柱型量水槽是一種根據(jù)文丘里原理設(shè)計(jì)的量水槽，水流流經(jīng)渠道兩側(cè)的束窄斷面，發(fā)生能量交換，使上游水深與流量之間形成穩(wěn)定的線性相關(guān)關(guān)系。量水槽實(shí)物見圖2。

圖2 翼柱型量水槽模型試驗(yàn)照片

2 結(jié)果與分析

2.1 流量公式與測流精度

文丘里槽過槽流量理論上一般與上游穩(wěn)定水位H3/2成正比，不同收縮比情況下，翼柱型量水槽H3/2與流量關(guān)系見圖3，由圖3可知，不同收縮比條件下，試驗(yàn)流量Q與量水槽上游水位H3/2幾乎位于一條直線上，具有很好的線性相關(guān)性。R2均大于0.997 1。

圖3 模型試驗(yàn)流量Q與H3/2關(guān)系圖

通過擬合得到4種不同收縮比的梯形渠道翼柱型量水槽流量計(jì)算公式，見表2。

圖4為試驗(yàn)實(shí)測流量與公式計(jì)算流量的對比圖，由圖4可知，二者相關(guān)關(guān)系極好，R2高達(dá)0.998 6。

梯形渠道翼柱型量水槽測流相對誤差計(jì)算公式如下：

表2 梯形渠道翼柱型量水槽流量公式

圖4 實(shí)測流量與計(jì)算流量比較

(2)

式中：e為測流相對誤差；Qc為表2公式計(jì)算流量，m3/s；Qm為試驗(yàn)實(shí)測流量，m3/s。

通過上式計(jì)算得到梯形渠道翼柱型量水槽測流相對誤差范圍為0.41%～3.55%，平均相對誤差可達(dá)2.41%，滿足我國《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》(GB/T 21303-2017)[11]要求。

2.2 臨界淹沒度

梯形渠道翼柱型量水槽臨界淹沒度最大可達(dá)0.899。說明在梯形渠道，翼柱型量水槽具有較大的自由出流范圍。圖5為不同收縮比翼柱型量水槽臨界淹沒度與過槽流量之間的關(guān)系。

圖5 流量Q與臨界淹沒度關(guān)系

2.3 量水槽上游佛汝德數(shù)

佛汝德數(shù)Fr作為明渠水流流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)，是衡量量水槽量水性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

(3)

式中：v為渠道斷面平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；h為斷面平均水深，m。

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算，得到不同收縮比條件下流量與佛汝德數(shù)的關(guān)系，如圖6所示。由圖6可知，4種不同收縮比情況下，翼柱型量水槽佛汝德數(shù)均小于0.4，滿足《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》(GB/T 21303-2017)中Fr<0.5的量水要求[11]。同理可發(fā)現(xiàn)，梯形渠道翼柱型量水槽上游佛汝德數(shù)與收縮比有關(guān)，與二者均成正比關(guān)系。

圖6 不同收縮比ε條件下流量Q與佛汝德數(shù)Fr關(guān)系

2.4 壅水高度

由于量水槽修筑于渠道中間，勢必會產(chǎn)生壅水，壅水過高不但會影響測流精度，也會造成水源浪費(fèi)。壅水高度為量水槽上游穩(wěn)定水位與下游穩(wěn)定水位之間的差值。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，發(fā)現(xiàn)渠道壅水高度呈現(xiàn)與量水槽收縮比成反比，與過槽流量成正比的關(guān)系。經(jīng)過計(jì)算可知，梯形渠道翼柱型量水槽最大壅水高度占渠道正常水深的29.7 %，平均壅水高度占渠道正常水深的20.6 %。渠道設(shè)計(jì)超高的計(jì)算公式如下：

H0=0.25h0+ha

(4)

式中：H0為渠道設(shè)計(jì)超高，m；h0為渠道壅水后的加大水深，m；ha為渠道安全量，可取0.2 m。

梯形渠道翼柱型量水槽上游壅水高度均小于渠道設(shè)計(jì)超高，可以滿足灌區(qū)既成渠道的應(yīng)用要求。

2.5 水頭損失

根據(jù)能量方程，可推知量水槽水頭損失公式如下：

(5)

式中：hj為水頭損失，m；h1量水槽上游斷面水深，m；h2為量水槽下游某斷面水深，m；v1為量水槽上游某斷面流速，m/s；v2為量水槽下游某斷面流速，m/s；α為動能修正系數(shù)，取1；g為重力加速度，m/s2。

表3為不同流量條件下，梯形渠道翼柱型量水槽水頭損失與上游總水頭的對比情況，以百分?jǐn)?shù)形式呈現(xiàn)。由表3可知，水流流經(jīng)梯形渠道翼柱型量水槽產(chǎn)生的水頭損失范圍為7.12%～29.51%，同一流量條件下，水頭損失隨量水槽收縮比的增大而減小，同一收縮比條件下，水頭損失隨渠道流量的增大而增大。

3 結(jié) 語

(1)梯形渠道翼柱型量水槽流量公式測流平均誤差為2.41%，滿足《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》(GB/T 21303-2017)[11]的要求。

(2)梯形渠道翼柱型量水槽上游佛汝德數(shù)Fr均小于0.4，滿足規(guī)范要求，上游佛汝德數(shù)隨收縮比和流量的增大而增大。

表3 不同流量水頭損失計(jì)算表

(3)梯形渠道翼柱型量水槽臨界淹沒度高達(dá)0.899，在梯形渠道具有較大的應(yīng)用范圍。

(4)水流經(jīng)過量水槽產(chǎn)生的水頭損失范圍為7.12%～29.51%，且收縮比越大，水頭損失越小。

(5)梯形渠道翼柱型量水槽測流精度較高，各項(xiàng)量水性能較好。適合在灌區(qū)末級渠道推廣應(yīng)用。