巴歇爾量水槽選型安裝存在問題及建議

田志剛 ，李延開 ，李 浩

（1.山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014；2.山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250014）

農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、水肥一體化及農(nóng)業(yè)水價改革等工作正在展開，除了要有切實可行的政策指導外，水的準確計量是保證這些工作順利進行的基礎，也是其技術保證。在用水計量工作中，很多地方都使用了巴歇爾槽進行量水，這是因為該量水設備具有水頭損失相對較小，抗淤堵性能好、精度高等優(yōu)點。但在實際使用過程中存在著一些問題，本文就這個問題進行初步討論，供使用者參考。

1 巴歇爾槽簡介及其水力特性

1.1 巴歇爾槽結構簡介

巴歇爾槽是巴歇爾先生改進并定型的，其原理是文丘里效應，基本結構如圖1和圖2所示。

巴歇爾槽結構復雜，參數(shù)多，制造要求高。沿水流方向由進口收縮段、喉道段、出口擴散段組成。進口收縮段過水斷面寬度逐漸減小至喉道寬度，底坡為平坡；喉道段過水斷面寬度不變，底坡為陡坡；出口擴散段過水斷面寬度逐漸增加，底坡為反坡。通過收縮段、喉道、擴散段結構，形成文丘里效應，在喉道附近形成臨界流，使得流量和水位形成單一的相關關系，只要測量出水位，就可以計算出相應的流量。其優(yōu)點是計量準確、水頭損失小、不易淤堵、測量方便，缺點是結構復雜、要求精度高，安裝費用高。近年來中小型量水槽大部分使用定型產(chǎn)品，各部分尺寸可以精確控制，解決了制造精度問題。

1.2 水力特性

水流在進入到巴歇爾槽前渠道中，一般是均勻緩流，佛汝德數(shù)Fr<1；在進入渠道和巴歇爾槽連接段后，底坡為負坡i<0，在邊界約束下，過流斷面、水深和流速都逐漸減小，水位逐漸增高；在進入到進口收縮段后，底坡為平坡i=0，過流斷面迅速減小，水位繼續(xù)升高，流速減小；水流進入喉道后，過水斷面基本不變，平坡變?yōu)檎钙拢╥>ik），水流在重力作用下加速，變?yōu)榕R界流或急流，F(xiàn)r逐漸增加而大于1；出口擴散段過水斷面逐漸加大，底坡為負坡，流速減小，水位逐漸抬高，F(xiàn)r逐漸變小而小于1，連接下游渠道后漸成為明渠均勻流。

水流在巴歇爾槽內(nèi)的流動是不穩(wěn)定的，流速、流向隨時間、空間位置發(fā)生變化。由于水流受到進口收縮段邊墻的反射作用，槽內(nèi)的流速分布不均，存在橫向流速，水位在橫斷面上呈現(xiàn)出中間高、兩側低的狀態(tài)，紊流強度較高。在喉道段及出口擴散段，由于受底坡及側邊界急劇變化的影響，水流在重力作用下迅速加速、減速，造成了槽內(nèi)水流流態(tài)紊亂，使得整個槽內(nèi)水流流速及流向分布在空間和時間上不穩(wěn)定，形成非恒定流。

1.3 自由出流、淹沒出流

當上下游水位差逐漸減小，淹沒度就逐漸增加，當上下游水位相等時，就會形成完全淹沒出流。室內(nèi)模型試驗和實際觀測都表明，在巴歇爾量水槽淹沒出流時，其測量精度較差，因此建議在選擇使用該量水槽時，在參數(shù)的選擇上要進行精確的計算和慎重的選擇，最好是保證自由出流。

若要保證自由出流，經(jīng)室內(nèi)試驗，槽內(nèi)上游水位Ha與槽內(nèi)下游水位Hb的比值要小于0.7，即滿足Hb/Ha<0.7的條件。

2 巴歇爾量水槽選型可能存在的問題

2.1 流量選擇不匹配

在選型過程中，大多容易出現(xiàn)的問題是只按照渠道設計流量進行選擇，然后確定巴歇爾量水槽的喉道寬度，計算量水槽最大過流能力，作為選型的依據(jù)。而渠道的過流能力是隨著使用時間而變化的。首先是糙率會發(fā)生變化，設計糙率、竣工時糙率及正常使用糙率是有變化的；其次渠道底坡會由于淤積、沖刷等原因被改變；邊坡會因沉降、變形等原因發(fā)生形狀的變化，而這些方面對渠道輸水能力是有較大影響的。因此只按照設計資料的流量選擇巴歇爾槽，容易出現(xiàn)不匹配的問題，造成過流能力不足或者工程量過大等問題。

2.2 槽底高設計不合理

槽底高P的定義在各種資料中不統(tǒng)一，本文參考各種資料，定義為：進口收縮段水平底板起始點，到原渠底延長線的鉛垂線距離，見圖1。

槽底高P是選型過程中最重要的參數(shù)，大多數(shù)問題是由該參數(shù)設置不合適引起的。合理的設置是：該參數(shù)的設置應該使得量水槽安裝后，水位壅高后低于上游渠道邊坡高程，且要有一定的超高；量水槽下游水位大于下游渠道正常水位，以滿足自由出流條件。這兩個條件是矛盾的，需要進行精心設計。

3 選型方法

3.1 喉道寬度

在巴歇爾槽選型時，盡量選擇喉道寬度W小的量水槽，這意味著制造成本和土建費用的降低，前提要滿足過流能力和自由出流的條件。

喉道寬度初選喉道寬度的經(jīng)驗值為：

式中：B為水面寬度，m；該公式只是經(jīng)驗公式，對于縱坡較大、邊坡系數(shù)較小者取小值，反之取大值。對一些矩形渠道，可突破該界限。

根據(jù)渠道的最大流量、最大設計水深、初選的喉道寬度，用巴歇爾槽流量計算經(jīng)驗公式進行試算，確定喉道寬度，據(jù)此選擇標準巴歇爾槽型號，計算公式為：

其中：Q為渠道最大流量，m3/s；W為巴歇爾槽喉道寬度，m；Ha為巴歇爾槽上游水位，m。

3.2 槽底高

槽底高P應滿足下列兩個條件：

1）槽底高加槽內(nèi)上游水深小于原渠道最大深度，也就是加設了巴歇爾槽后，水不能溢出渠道，即：

式中：P為槽底高，m；Ha為巴歇爾槽上游水深，m；H0為原渠道設計水深，m；f為允許壅高，m。

2）槽底高加槽內(nèi)下游水深大于渠道正常設計水深，即滿足下游自由出流條件：

式中：Hb為巴歇爾槽下游水深，m。

4 實例應用

4.1 現(xiàn)狀校核計算

某漿砌塊石梯形渠道須加設巴歇爾槽計量。原渠道設計參數(shù)為：底寬b=1.00 m，坡比m=1，渠底縱坡 i=1∶4 000，n=0.0225，正常水深 h0=0.75 m，流量Q=0.70 m3/s。用明渠均勻流公式校核，經(jīng)計算，Q=0.73 m3/s，滿足設計要求。

在進行實地勘察時，發(fā)現(xiàn)該渠道施工質量較差，砂漿有溶蝕、脫落，有些部位變形，部分石縫及伸縮縫中有雜草。根據(jù)工程經(jīng)驗及規(guī)范規(guī)定，該現(xiàn)狀渠道糙率取值應為0.025，Q=0.66 m3/s，這是渠道現(xiàn)狀可通過的流量。綜合各工況，基本條件為：h0=0.75 m，Q=0.66 m3/s，n=0.022 5，允許壅高0.20 m。須按照現(xiàn)狀條件設計，否則會出現(xiàn)流量不匹配等問題。

4.2 喉道寬選擇

標準巴歇爾槽喉道寬度決定了型號，其他尺寸也隨之確定。在本算例中，按照式（1）的條件，在正常水深為0.75 m時，水面寬度B=2.50 m，初步選擇喉道寬W分別為0.75 m、0.90 m、1.00 m、1.20 m，選擇這4個值是因為這是標準巴歇爾槽的喉道寬度。滿足自由出流的條件，分別計算流量Q=0.66 m3/s時的各參數(shù)，經(jīng)計算，壅水高度均滿足要求。選擇經(jīng)濟的喉道寬度W=0.75 m，也就相應確定了標準巴歇爾槽的型號。

4.3 計算槽底高

槽內(nèi)上游水深Ha加上槽底高P等于槽前水深 HC，經(jīng)計算，P=0.38 m。滿足（3）（4）式。

5 安裝時應注意問題

1）認證過的廠家生產(chǎn)的標準巴歇爾槽一般都符合要求，但在安裝后需要嚴格進行尺寸檢驗，因為回填后在土壓力的作用下，槽身會向內(nèi)側變形（向內(nèi)凸出）。

2）巴歇爾量水槽的軸線要和渠道的軸線準確重合，否則由偏流引起的絕對誤差會很大。

3）上、下游水尺的零點高程應等于進口收縮段水平底板的高程。該水尺的安裝高程要求精確，因為流量與水位的關系式指數(shù)對應。

4）下游建筑物會壅水，以至于使得巴歇爾槽下游形成淹沒流、流態(tài)不穩(wěn)定，根據(jù)經(jīng)驗，應該盡量避免在小于10倍渠寬長度內(nèi)設建筑物。

5）縱坡過大或者過小的渠道不適用巴歇爾槽，推薦采用其他設備例如長喉槽進行測流。

6）安裝巴歇爾槽后改變了原渠道設計運行條件，試運行非常重要，可逐漸加大流量試運行，以免出現(xiàn)事故。