翼柱型量水槽應用于梯形渠道性能試驗研究

劉鴻濤， 趙瑞娟，宋一夢，牛 炎， 于明舟， 韓 宇， 屈忠義

(1.長春工程學院 水利與環境工程學院，長春 130012；2.內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018； 3.吉林省水工程安全與災害防治工程實驗室，長春；130012；4.松遼水利委員會，長春 130012； 5.長春市水利勘測設計研究院，長春 130012；6.中國農業大學水利與土木工程學院，北京 100083)

灌區作為農業用水大戶，其用水計量與管理尤為重要，與灌溉渠道相配套的量水設施研發具有重要意義。研究表明，堰槽類量水設施經濟實用且穩定可靠，適合在灌區大規模推廣應用[1-3]。隨著灌區量水技術的不斷發展，涌現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年提出了仿真機翼形狀的機翼形量水槽[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，現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，其具有結構簡單，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。其過流表面為減緩曲線，幾乎無水流突變現象，水流條件好且不易產生淤積。

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

1 試驗設計及測流原理

1.1 模型試驗設計

試驗系統由地下水庫、供水管道、水泵、穩水池、梯形渠道及排水池組成。梯形渠道底寬0.60 m，渠深0.36 m，渠道邊坡系數為1。梯形渠道翼柱型量水槽結構見圖1。

圖1 翼柱型量水槽平剖面圖

翼柱型量水槽基本參數見表1。

表1 量水槽基本參數

收縮比計算公式如下：

(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分別在0.583、0.542、0.500、0.458四種不同收縮比情況下進行，試驗流量由水泵變頻機組供給，調節幅度為10～80 L/s。

試驗中需要測量數據有渠道流量、量水槽上下游水深、量水槽喉口斷面水深等。流量數據由DN200～B2C1D3法蘭連接型管道電磁流量計(測量精度為0.1 %)量測，水深數據采用SCM60型數顯水位測針(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文丘里原理設計的量水槽，水流流經渠道兩側的束窄斷面，發生能量交換，使上游水深與流量之間形成穩定的線性相關關系。量水槽實物見圖2。

圖2 翼柱型量水槽模型試驗照片

2 結果與分析

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與流量關系見圖3，由圖3可知，不同收縮比條件下，試驗流量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性。R2均大于0.997 1。

圖3 模型試驗流量Q與H3/2關系圖

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算公式，見表2。

圖4為試驗實測流量與公式計算流量的對比圖，由圖4可知，二者相關關系極好，R2高達0.998 6。

梯形渠道翼柱型量水槽測流相對誤差計算公式如下：

表2 梯形渠道翼柱型量水槽流量公式

圖4 實測流量與計算流量比較

(2)

式中：e為測流相對誤差；Qc為表2公式計算流量，m3/s；Qm為試驗實測流量，m3/s。

通過上式計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2.41%，滿足我國《灌溉渠道系統量水規范》(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系。

圖5 流量Q與臨界淹沒度關系

2.3 量水槽上游佛汝德數

佛汝德數Fr作為明渠水流流態的判別標準，是衡量量水槽量水性能優劣的重要指標，其計算公式如下：

(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。

通過對試驗數據進行整理計算，得到不同收縮比條件下流量與佛汝德數的關系，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均小于0.4，滿足《灌溉渠道系統量水規范》(GB/T 21303-2017)中Fr<0.5的量水要求[11]。同理可發現，梯形渠道翼柱型量水槽上游佛汝德數與收縮比有關，與二者均成正比關系。

圖6 不同收縮比ε條件下流量Q與佛汝德數Fr關系

2.4 壅水高度

由于量水槽修筑于渠道中間，勢必會產生壅水，壅水過高不但會影響測流精度，也會造成水源浪費。壅水高度為量水槽上游穩定水位與下游穩定水位之間的差值。對試驗數據進行初步分析，發現渠道壅水高度呈現與量水槽收縮比成反比，與過槽流量成正比的關系。經過計算可知，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 %。渠道設計超高的計算公式如下：

H0=0.25h0+ha

(4)

式中：H0為渠道設計超高，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計超高，可以滿足灌區既成渠道的應用要求。

2.5 水頭損失

根據能量方程，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，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，以百分數形式呈現。由表3可知，水流流經梯形渠道翼柱型量水槽產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 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《灌溉渠道系統量水規范》(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Fr均小于0.4，滿足規范要求，上游佛汝德數隨收縮比和流量的增大而增大。

表3 不同流量水頭損失計算表

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

(4)水流經過量水槽產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，各項量水性能較好。適合在灌區末級渠道推廣應用。