U形渠道中復合型量水堰結構設計與特性研究

齊佳佳 李永業 孫西歡

摘要：灌渠測流儀器的合理應用是實現灌區節水灌溉的重要工程措施。基于薄壁堰流原理，提出了一種新型的復合型量水堰測流技術，以U50型渠道為例，采用理論分析和模型試驗的方法，對不同流量工況下復合堰上游特征斷面水力特性進行分析，并進一步率定校核了復合堰的測流經驗公式。結果表明：該復合型量水堰測流精度較高，相對誤差在4%以內，誤差均值不超過2.3%；安裝堰板時上游水深呈現逐漸增大的趨勢，且在堰板處水深達到最大值。

關鍵詞：U形渠道；節水灌溉；復合堰；水位

中圖分類號：TV 149.2 文獻標志碼：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.035

U形灌渠是我國重要的農田水利設施，具有流速分布均勻、占地面積較小、抗凍脹能力較強等優點[1]。隨著U形渠道在農田水利工程中的廣泛應用，許多學者對U形灌渠測流問題進行了研究，但目前既能滿足精度要求又方便簡單的測量技術和方法較少[2]。目前我國常見的U形渠道量水堰形式為直臂槽式[3]、U形長喉道式[4]、拋物線型[5]、三角剖面型[6]，國外針對梯形和矩形渠道量水技術的研究較多[7-8]。復合堰作為特殊的量水堰型，其在U形灌渠中的研究和應用較少，尤其是對復合堰上游斷面水力特性的研究相對較少。筆者基于水力學原理，對傳統測流堰板的體型結構進行了優化改進，設計了一種測流量程較大、精度較高、安裝方便、使用簡單的復合型量水堰。以其在U50型渠道中的應用為例，對渠道上游特征斷面水位進行了探討，并率定出精度較高的經驗公式，旨在為復合型量水堰在U形渠道中的推廣應用提供理論依據。

1 試驗設計與方法

1.1 渠道與量水堰參數

試驗采用U50型渠道斷面，與田間常見灌渠尺寸相同，其結構包括底部圓弧及上部梯形兩部分[9]。材料采用不銹鋼，長17m，渠道底部為可調節支座，用于調節渠道坡度，本次試驗采用比降為1：1000，渠道糙率n=0.012[10]，渠道斷面見圖1（a）；試驗設計的復合型堰板采用PVC材質板材加工制造，其具有較高的強度，且耐氣候變化性、耐沖性較好。因試驗需采用堰板率定U形渠道的過流能力，需要保證堰板與U形斷面的密封性來提高其測流精度，故采用添加固化劑的云石膠與渠道粘合固定。堰板分為兩部分，下部為直角三角形，用于小流量測量，當堰上水頭淹沒直角三角形部分時，可采用上下兩部分同時測流。其堰板尺寸見圖1（b）。

1.2 試驗系統

本試驗系統由動力與調節裝置、穩流裝置、試驗渠道、測試裝置4部分組成。水流由離心泵從地下水庫抽人蓄水池，經蓄水池穩流后進入U形渠道，在不銹鋼水槽出水端設有矩形水箱及消能穩流板，用于穩定渠道中流量。矩形水箱后連接矩形明渠，三角堰安裝在矩形明渠上，用于測定渠道流量。水流經三角堰流入地下水庫，形成循環系統。試驗系統布置見圖20復合堰安裝前用水準儀進行高程調平，由于采用特定的量水設施量水時，一般要求明渠水流要有40倍水力半徑的平直上游段[11]，此U形渠道水力半徑為0.18m，因此復合堰安裝在距水槽進水口10m處。

1.3 試驗方案

試驗測量工況為流量0～155m3/h，滿足標準直角三角堰適用條件，故采用直角三角形薄壁堰控制渠道流量，流量按下式進行計算：

Q=C0H5/2式中：Q為流量m3/h； H為堰頂水頭，m；C0為直角三角形薄壁堰的流量系數，因試驗中H<25cm，故C0取1.4[10]。

在堰板上游沿水流方向選取5個特征測試斷面，斷面1#～5#距渠道進水口的距離依次為70、290、510、730、950cm，各測試斷面水位由0.1mm精度測針測得。

2 復合型量水堰上游水位特性

2.1 模型試驗與理論分析

當U形渠道中無堰板測流時，水流為均勻流，流量沿程不變，渠道中無干擾物且渠道長而順直，粗糙系數沿程不變，可按明渠均勻流求解。明渠均勻流公式為式中：Q為流量，m3/s；C為謝才系數；A為渠道過水斷面面積，m2，按式（3）進行計算；X為渠道過水斷面濕周，m，按式（4）進行計算；R為斷面水力半徑，m； n為粗糙系數；i為渠道縱比降。式中：r為渠道半徑，m；H為過水斷面水深，mm。

由式（2）、式（3）、式（4）可反算出當灌溉流量分別為5、15、25、75、105、135m3/h時，水深H分別為3.65、6.15、7.87、13.57、16.14、18.44cm，其水深分布見圖3（a）。當U形渠道中安裝復合堰時，會使渠道上游水位壅高，其各灌溉流量工況下各斷面的測量水深分布見圖3（b）。

由圖3（b）可知，安裝堰板進行測流會對上游水深造成一定的影響：測試斷面距渠道進水口70～950cm時，水深呈現增大趨勢，此增大趨勢在730～950cm斷面處表現最明顯，并在復合堰板處水深達到最大值，此趨勢由堰板測流導致上游水位壅高所致。當流量為5～135m3/h時，隨著流量的增大，各斷面水深均呈增大趨勢，且當流量為135m3/h時，斷面水深達到最大值，此時水面距渠頂約20cm，對渠道過流能力影響較小。

2.2 壅高水位分析

各斷面的壅高水位情況見圖4，水位壅高值為放置堰板前、后的水深差值。當流量為5一75m3/h時，隨著流量的增大，同一斷面水位壅高值均呈增大趨勢，且在75m3/h時為最大值；當流量為75一135m3/h時，隨流量的增大，同一斷面水位壅高值均呈下降趨勢，且水位壅高值趨于11～12cm；在同一流量下，水位壅高值均表現為靠近堰板處最大。

3 復合型量水堰的量水特性

3.1 復合堰量水經驗公式的建立

復合堰安裝在距渠道進水口10m處，用于率定復合堰的流量與堰上水頭的經驗公式，當流量較小時，復合堰直角三角形部分過流；當流量較大時，復合堰與渠道形成的梯形部分和復合堰三角形部分同時過流，故采用分段擬合。

當堰上水頭H≤10cm時，以冪函數進行擬合，所擬合曲線見圖5（a），擬合優度為0.9997，近似于1，說明擬合度較優；當堰上水頭H>10cm時，以冪函數進行擬合，所擬合曲線見圖5（b），擬合優度為0.9872，近似于1，說明擬合度較優。擬合所得流量與堰上水頭經驗公式為

3.2 復合堰量水經驗公式的校核

將校核值H代入式（5），得出流量計算值，以三角堰所測數據為真值，求得其相對誤差。本次試驗選取其他6組不同試驗工況下的數據進行校核，校核結果見表1，相對誤差均在4%以內，誤差均值不超過2.3%，測流精度較高，滿足渠道量水設備測流誤差要求（5%以內）[11]。

4 結論

（1）提出了一種新型的復合堰測流技術，通過模型試驗和理論分析，得出當渠中安裝復合堰時，水深沿水流方向呈逐漸增加的趨勢；當流量一定時，水位壅高值均表現為靠近堰板處最大。

（2）通過在測試斷面測流，得出了流量和堰上水頭的經驗公式，并對經驗公式進行了校核試驗，其相對誤差在4%以內。

（3）此堰板測流方法簡單、設備造價低、易操作，可用于固定式測流，也可以用于便攜式測流，具有較高的實用和推廣價值。

參考文獻：

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