灌區(qū)渠道梯形側堰水力特性研究

劉先何

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 研究方法

該灌區(qū)渠道梯形側堰結構簡單，且為薄壁堰流，測流精度高，為此，其側堰流量通過量綱和諧原理進行推導[1]。過堰流量主要受渠道和側堰幾何參數(shù)(詳見圖1)、水流物理性質、水力要素等的影響，函數(shù)關系式可表示如下(1)：

Q=f(b，P，B，v，h1，g，μ，σ，ρ，i，θ)

(1)

式中：Q為灌區(qū)渠道過堰流量，m3/s；b、P為渠道梯形側堰寬度和高度，m；B為渠道寬度，m；v為斷面流速均值，m/s；h1為渠道梯形側堰上游水深，m；g為重力加速度，m/s2；μ為動力黏度，N·s/m2；σ為渠道梯形側堰表面張力，N；ρ為密度，kg/m3；i為渠道坡度；θ為渠道梯形側堰堰頂和水平面夾角，(°)。

在渠道梯形側堰上游堰上水頭y1>3.0 cm的情況下，渠道過堰流量受表面張力的影響很小，黏滯效應也比重力效應小，故雷諾數(shù)在18 256～96 950之間變化，表面張力及動力黏度等均忽略不計。此外，該渠道梯形側堰寬度、渠道寬度、底坡等均取定值，則式(1)簡化如式(2)所示。

Q=f1(P，v，h1，g，θ)

(2)

按照量綱分析π定理，在綜合分析渠道梯形側堰水力要素的基礎上，灌區(qū)渠道梯形側堰流量公式如式(3)：

(3)

通過分析灌區(qū)渠道梯形側堰流量的影響因素，在對側堰周圍水流特性展開試驗觀測的基礎上，得到不同工況下相應的斷面水深，進而推導出流量系數(shù)表達式及影響因素，最終得到灌區(qū)渠道梯形側堰流量計算公式。

2 試驗設計

本試驗在已有矩形側堰水力特性研究成果的基礎上，結合灌區(qū)渠道側堰運行實際，設計出梯形薄壁側堰試驗模型，其側堰板頂和水平面呈一定夾角，為展開比較，夾角θ取-9°、-6°、-3°、0°、3°、6°和9°；側堰一端高度固定為15 cm，另一端高度則根據(jù)角度的變化而定，分別取15.00 cm、12.54 cm、10.06 cm、7.56 cm，側堰寬度均按照47.00 cm取值。試驗過程中側堰主要采取正向放置方式(見圖2)，以展開水力特性試驗。

圖2 側堰正向放置方式(單位：cm)

水力學試驗在工程所在的省水利研究院重點實驗室展開。該水力試驗主要采取水泵供水，水流由控制閥門調節(jié)，入口水流則通過穩(wěn)水池進行穩(wěn)定；水流流經(jīng)矩形渠道并經(jīng)側堰泄流，經(jīng)由回水渠最終流入蓄水池內。矩形試驗渠道尺寸為12.24 m×0.47 m×0.15 m(長×寬×深)，渠道上游來水流量在側堰段便發(fā)生分流，部分流量由側堰下泄至側渠道，部分流量則由主渠道下泄。其中，上游來水流量和由主渠道下泄的流量分別通過電磁流量計和三角堰量測，過堰流量為兩者之差[2]。試驗水深則通過精度為±0.1 mm的水位測針測量。

為展開渠道梯形側堰段主渠道水流的弗汝德數(shù)、水面形態(tài)等水力特性研究，在側堰上按照12 cm間隔設置Ⅲ～Ⅶ水深測量斷面。考慮到側堰所處位置，主渠道側堰和水流流向垂直面無法保持水平關系，隨著兩者距離的不同，水深也表現(xiàn)出較大差異。故在側堰周圍每個斷面的臨近側堰邊壁、主渠道中心線、另一邊壁等處設置測點，并依次標記為(1)側、(2)側和(3)側。斷面Ⅰ和Ⅱ分別位于主渠道與側堰上游端相距50 cm處以及側渠道與側堰相距100 cm處，分別以兩處斷面實測水深為側堰上下游水深(測點設置情況詳見圖3)。結合該灌區(qū)末級渠道灌溉實際，將試驗流量范圍設定在10～40 L/s內，在16.03 L/s、18.37 L/s、24.35 L/s、25.59 L/s、28.31 L/s、32.79 L/s、38.43 L/s等流量工況下，展開緩流時渠道梯形側堰自由出流試驗，并對斷面水深等水力參數(shù)展開量測分析。

圖3 渠道梯形側堰測點設置情況(單位：cm)

3 試驗結果分析

3.1 水面線

一定水流流量通過明渠時，因渠道上下游進出口處和渠道中建筑物邊界條件不同，渠道內水流形成的水面線也并不相同。為展開該灌區(qū)渠道梯形側堰下渠道水流水力特性的分析，必須先得出不同工況下水面線。

在過堰流量取38.43 L/s，側堰正向放置的工況下主渠道側堰段(1)側、(2)側、(3)側水面線具體見圖4，圖中橫坐標為與側渠道中心線的距離，以主渠道水流流向為正向；縱坐標為測點水深。根據(jù)圖中結果，過堰流量相同的情況下，不同側堰水面線全部為壅水曲線；且對于相同側堰的不同測點而言，在相同流量下，水深隨著側堰角度的增大而增加；在側堰角度相同時，側堰邊壁(1)側水深比(2)側和(3)側小，但波動更為劇烈。當渠道梯形側堰堰頂和水平面夾角θ=-6°時，側堰邊壁(1)側Ⅲ～Ⅴ斷面處的水面線較為平穩(wěn)，而Ⅴ～Ⅶ斷面處的水面線快速升高；當渠道梯形側堰堰頂和水平面夾角θ=6°時，側堰邊壁(1)側水面線快速升高。綜合以上結果可知，水平面傾斜角范圍位于0°～2.3°，與矩形渠道梯形側堰傾斜角相比，有所減小，表明梯形側堰堰頂傾斜設置能降低水面線傾斜程度[3]。

圖4 不同堰高下水面線(過堰流量=38.43 L/s)

根據(jù)分析結果，梯形側堰邊壁(1)側、(2)側、(3)側水面線波動均不顯著，且基本呈線性變化趨勢。由于梯形側堰段主流水面線最能體現(xiàn)側堰水力特性，故展開側堰邊壁(1)側斷面Ⅲ～Ⅴ水面線分析，限于篇幅，此處僅列示過堰流量為38.43 L/s的分析結果。根據(jù)表1結果，主渠道側堰邊壁(1)側水面線計算值和實測值十分接近，相對誤差在1.85%以內。

表1 主渠道側堰邊壁(1)側斷面Ⅲ～斷面Ⅶ處水深實測值與計算值(過堰流量=38.43 L/s)

3.2 流量系數(shù)

流量系數(shù)值主要與灌區(qū)渠道梯形側堰上游弗汝德數(shù)、灌區(qū)渠道梯形側堰上游總水頭、渠道梯形側堰堰頂和水平面夾角、側堰高度等有關，流量系數(shù)與主要影響因素的關系曲線見圖5。從圖中內容可以看出，隨著渠道梯形側堰堰頂和水平面夾角的變化，流量系數(shù)表現(xiàn)出不同的變動規(guī)律。具體而言，當θ<0°時，流量系數(shù)隨P1/h1的增大而增大，且夾角越小，增幅越大；而當θ>0°時，流量系數(shù)隨P1/h1的增大而減小，夾角越小，降幅越大。

圖5 流量系數(shù)與主要影響因素的關系曲線

隨著弗汝德數(shù)的變化，流量系數(shù)也表現(xiàn)出不同的變動趨勢規(guī)律。當θ<0°時，流量系數(shù)隨弗汝德數(shù)的增大而減小，且夾角越小，降幅越大；相反，當θ>0°時，流量系數(shù)隨弗汝德數(shù)的增大而增大，夾角越大，增幅也越大。

應用SPSS分析軟件進行m與P1/h1、Fr1等主要影響因素關系曲線的擬合，如式(4)：

m=9.369P1/h1+16.314Fr1+6.123θ-

7.561，R2=0.968

(4)

將式(4)代入式(3)可以得出過堰流量的計算公式，如式(5)：

(5)

將該灌區(qū)渠道梯形側堰相關參數(shù)取值代入式(5)進行過堰流量計算，將計算結果和實測值展開對比，具體見表2。根據(jù)表中計算結果，過堰流量計算值和實測值相對誤差最大為-8.96%，符合灌區(qū)渠道量水設施量水精度要求。

表2 過堰流量計算值和實測值的比較

3.3 水頭損失

水流在渠道內流動的過程中會因黏滯性的作用而產生能量損失，即為水頭損失，按照水流流動邊界形狀沿程變化及主流脫離固體邊界后是否形成漩渦，可將水頭損失分成局部水頭損失和沿程水頭損失兩種。灌區(qū)量水設施均存在一定程度的水頭損失，水頭損失的存在必然會增大工程費用，故灌區(qū)渠道梯形側堰水力特性研究時必須考慮水頭損失[4]。以渠道底部所在平面為側堰水頭損失分析時的基準面，并以主渠道側堰上、下游端面為控制端面，能量方程列示如式(6)：

(6)

式中：hw灌區(qū)渠道梯形側堰上下游水頭損失，m；h上側堰上游端水深，m；h下側堰上游端水深，m；α1、α2總流與上、下游水平面夾角，(°)；v上、v下側堰上、下游端斷面流速均值，m/s。

將該灌區(qū)渠道工程相關參數(shù)取值代入式(6)可以得出總水頭中水頭損失占比隨流量變化的趨勢關系。根據(jù)對關系曲線的分析，在渠道梯形側堰堰頂和水平面夾角以及過堰流量的影響下，水頭損失占比在40%～70%之間變動，變幅較大。對于渠道梯形側堰堰頂和水平面夾角相同的情況下，水頭損失占比隨流量增大而減小，且當過堰流量<33.0 L/s時，降幅明顯；而當過堰流量≥33.0 L/s時，降幅減小，表明當渠道水流流量增大到一定程度后，過堰流量對水頭損失占比的影響程度較小。

4 結 論

綜上所述，薄壁堰因體型簡單，量測方便，在灌區(qū)渠道中應用廣泛。為展開灌區(qū)渠道梯形側堰水力特征研究，本文應用了試驗分析方法，對不同寬度、不同高度梯形側堰在不同流量工況下自由出流過程展開試驗模擬。通過繪制不同測點水面線，分析概括了不同流量下側堰周圍主渠道近堰邊壁、渠道中心線及另一邊壁水面線差異的原因；流量系數(shù)與主要影響因素之間存在較好的定量關系和相關性；所得出的流量公式計算簡單，精度高，完全能滿足灌區(qū)量水設施測流精度方面的要求。