U型渠道中直角三角形量水槽體型設(shè)計(jì)

戚玉彬

摘要：量水槽體型設(shè)計(jì)是量水槽應(yīng)用于灌區(qū)的重要環(huán)節(jié)，目前尚無(wú)完善的體型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)可依。為解決直角三角形量水槽實(shí)際應(yīng)用中的體型設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出以淹沒(méi)度、壅水高度和上游弗勞德數(shù)的限制條件為標(biāo)準(zhǔn)的量水槽體型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在2種型號(hào)、3種坡度的U型渠道上，利用鋼模板修建5座直角三角形量水槽進(jìn)行灌區(qū)試驗(yàn)；建立了包含渠道坡度的流量公式，擬合了淹沒(méi)閾值、壅水高度和上游弗勞德數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。研究表明：含有坡度的流量公式精度較高，平均相對(duì)誤差僅為1.88%，相對(duì)誤差的最大值為5.56%，相對(duì)誤差在±5%范圍以?xún)?nèi)的數(shù)據(jù)比例為98%；擬合得到的3個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式描述了淹沒(méi)閾值、壅水高度和上游弗勞德數(shù)與量水槽喉口寬度之間的定量關(guān)系，可用于量水槽體型設(shè)計(jì)?；隗w型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和經(jīng)驗(yàn)公式，建立了最大流量和最小流量下淹沒(méi)度小于相應(yīng)淹沒(méi)閾值、最大流量下壅水高度小于渠道岸頂超高、最小流量下上游弗勞德數(shù)小于0.5的直角三角形量水槽體型設(shè)計(jì)方法。研究成果可為類(lèi)似量水槽體型設(shè)計(jì)提供參考。

摘要：直角三角形量水槽； U型渠道； 喉口寬度； 淹沒(méi)閾值； 壅水高度； 弗勞德數(shù)

中圖法分類(lèi)號(hào)： S274.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.01.023

0 引 言

量水槽是在渠道上設(shè)置收縮以形成臨界流的測(cè)流建筑物，這類(lèi)量水設(shè)施因操作簡(jiǎn)單、不易淤積以及量水精度合理等優(yōu)點(diǎn)，在灌區(qū)渠道測(cè)流中得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)量水槽進(jìn)行了大量研究。王時(shí)龍等［1］對(duì)U型渠道中半圓柱形量水槽的水力特性進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)半圓柱形量水槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且測(cè)流精度高。王玉寶等［2］借鑒薄板和圓柱的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了便攜式板柱結(jié)合型量水槽，其體型小、便攜度高。Vatankhah［3］、Aminpour［4］等對(duì)半圓柱形量水槽的流量公式進(jìn)行簡(jiǎn)化，推導(dǎo)出區(qū)分自由出流和淹沒(méi)出流的方程。Carollo等［5］提出包含渠道坡度因素的半圓柱形量水槽流量公式，獲得了可靠的測(cè)流精度，尤其是當(dāng)收縮比小于0.48時(shí)，測(cè)流精度較高。Yarahmadi等［6］對(duì)無(wú)喉道量水槽的研究表明，渠道坡度對(duì)量水槽的流量公式有影響。Lotfi［7］、Bijankhan［8-9］等對(duì)中心導(dǎo)流槽的研究發(fā)現(xiàn)，基于量綱分析法得到的流量公式更準(zhǔn)確，同時(shí)得到了描述淹沒(méi)閾值條件的最佳模型。劉鴻濤等［10］在3種渠道上對(duì)翼柱形量水槽的應(yīng)用性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，認(rèn)為矩形渠道與U型渠道銜接位置應(yīng)用翼柱形量水槽效果最佳。劉鴻濤等［11］還通過(guò)仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)了新型仿賽鴿翼截面曲線形量水槽，其綜合量水性能指標(biāo)優(yōu)良。賀夢(mèng)楊［12］、王蒙［13］等研究發(fā)現(xiàn)仿翼形便攜式量水槽的水力性能良好，測(cè)流精度高且曲線形式簡(jiǎn)單。李偉等［14］研究了4種流線型量水槽的水力性能，得出卡克斯仿舵型量水槽水力性能最優(yōu)。

以上量水槽大都從水力特性的角度進(jìn)行研究，著眼于灌區(qū)實(shí)際應(yīng)用，針對(duì)量水槽應(yīng)該如何進(jìn)行體型設(shè)計(jì)的研究較少。對(duì)巴歇爾量水槽等傳統(tǒng)量水槽進(jìn)行體型設(shè)計(jì)時(shí)，一般根據(jù)渠道的實(shí)際情況及水流條件，選擇與測(cè)流要求最接近的固定槽型。近年來(lái)研究的新型量水槽往往沒(méi)有提供標(biāo)準(zhǔn)尺寸的固定槽型，也缺少明確的量水槽體型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而量水槽的體型設(shè)計(jì)是量水槽應(yīng)用于灌區(qū)的重要環(huán)節(jié)。

吳景社等［15］提出了U型渠道中平底拋物線形無(wú)喉段量水槽的設(shè)計(jì)方法，依據(jù)U型渠道參數(shù)選取適宜的收縮比，并對(duì)淹沒(méi)閾值進(jìn)行校核。張志昌等［16］研究了U型渠道中直壁式量水槽的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，包括過(guò)渡段曲面的設(shè)計(jì)、喉道寬度的選擇以及喉道長(zhǎng)度的確定等內(nèi)容。呂宏興等［17］根據(jù)所選渠道的斷面尺寸先確定收縮比，再利用渠道尺寸的幾何關(guān)系得到機(jī)翼形曲線控制方程。

以上針對(duì)U型渠道量水槽體型設(shè)計(jì)的研究存在的問(wèn)題是，用固定不變的淹沒(méi)閾值校核量水槽的自由出流狀態(tài)，以及缺少對(duì)弗勞德數(shù)和壅水高度的校核。

淹沒(méi)閾值、弗勞德數(shù)和壅水高度等是表征量水槽性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，這些指標(biāo)都有應(yīng)用的限制條件，以量水性能指標(biāo)的限制條件為標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到量水槽體型設(shè)計(jì)的目的。本文以直角三角形量水槽的灌區(qū)試驗(yàn)為例，探索具有普遍意義的體型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，擬合可用于體型設(shè)計(jì)的量水性能指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式?；隗w型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和經(jīng)驗(yàn)公式，建立直角三角形量水槽的體型設(shè)計(jì)方法。

1 槽體結(jié)構(gòu)與灌區(qū)試驗(yàn)

1.1 直角三角形量水槽結(jié)構(gòu)

直角三角形量水槽由收縮段和擴(kuò)散段組成，兩段交角為90°，進(jìn)口收縮比和出口擴(kuò)散比均為1∶1。槽寬是確定量水槽尺寸的重要參數(shù)，槽長(zhǎng)一般取槽寬的倍數(shù)。當(dāng)量水槽的槽長(zhǎng)較小時(shí)，量水槽建造成本低。因此，為了便于灌區(qū)實(shí)際應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，將槽長(zhǎng)設(shè)定為槽寬的2倍。如圖1所示，L代表槽長(zhǎng)，W代表槽寬，bc代表喉口寬度，h代表上游水深，以水尺處渠底為零點(diǎn)，Δz代表位置水頭差，i代表渠道坡度，l代表上游水尺斷面至喉口斷面的水平距離。

在灌區(qū)建造直角三角形量水槽時(shí)，直接將制作好的鋼模板對(duì)稱(chēng)放置于U型渠道內(nèi)。用支撐桿將鋼模板支撐牢固，防止出現(xiàn)上下和前后的偏移，現(xiàn)澆混凝土即可完成施工，如圖2所示。

1.2 灌區(qū)試驗(yàn)

試驗(yàn)在灌區(qū)的兩種U型渠道（D50型和D60型）上進(jìn)行，即渠道底弧直徑分別為50 cm和60 cm。D50型U型渠道的坡度為1/300和1/1 500，D60型U型渠道的坡度為1/100。進(jìn)入U(xiǎn)型渠道的水流由長(zhǎng)度為16 m的矩形渠道輸送，矩形渠道的進(jìn)、出口分別與灌區(qū)干渠、U型渠道相連。流量通過(guò)矩形渠道內(nèi)定期校核的標(biāo)準(zhǔn)巴歇爾量水槽測(cè)量，流量大小由矩形渠道進(jìn)口的閘門(mén)調(diào)節(jié)。根據(jù)U型渠道的流量變化范圍，試驗(yàn)流量設(shè)置為0.090～0.210 m3/s，流量調(diào)節(jié)變幅為0.010 m3/s左右。

在直角三角形量水槽的槽前1 m和槽后1 m處分別設(shè)置靜水井，水位通過(guò)靜水井內(nèi)的水尺讀取，水尺的精度均為1 mm。為獲得直角三角形量水槽的淹沒(méi)閾值，在下游設(shè)置組裝式便攜擋水柵，用于測(cè)定自由出流時(shí)不影響上游水深的最大下游水深。槽寬是設(shè)計(jì)直角三角形量水槽的重要物理參數(shù)，試驗(yàn)采用4種槽寬（17，18，25和26 cm）的槽型，對(duì)應(yīng)4種收縮比（0.60，0.57，0.55 和0.52）。收縮比ε為喉口斷面與渠道橫斷面的面積之比。直角三角形量水槽及渠道參數(shù)見(jiàn)表1。

2 經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)

2.1 流量公式

研究表明，渠道坡度對(duì)量水槽測(cè)流有影響［2，5-6，18］，因此將渠道坡度納入量水槽流量公式中。通過(guò)理論分析可知，渠道坡度對(duì)流量公式的影響主要是由上游水尺處渠底高程和喉口處渠底高程之間的高差Δz引起的。令H=h+Δz=h+il，其中H為上游水位。則直角三角形量水槽自由出流時(shí)的流量可用式（1）表達(dá)：

f（Q，H，bc，D，g，μ）=0（1）

式中：Q為流量；bc為喉口寬度；D為U型渠道底弧直徑；g為重力加速度；μ為動(dòng)力黏滯系數(shù)。以bc、μ和g為參考變量，得到下列無(wú)量綱組：

Π1=Q/（bc2.5g0.5）（2）

Π2=H/bc（3）

Π3=D/bc（4）

將無(wú)量綱組代入式（1），得到以下無(wú)量綱公式：

Q/（bc2.5g0.5）= f1（H/bc，D/bc）（5）

根據(jù)白金漢定理得到的無(wú)量綱組，可以用不同的數(shù)學(xué)模型來(lái)表達(dá)，首先考慮冪函數(shù)形式［3］：

Q/（bc2.5g0.5）=（H/bc）n（D/bc）a（6）

對(duì)131組試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析發(fā)現(xiàn)，D/bc在此數(shù)學(xué)模型中不具有顯著性，故可假定為常數(shù)m，那么式（6）變成：

Q/（bc2.5g0.5）=m（H/bc）n（7）

將H/bc和Q/（bc2.5g0.5）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制于坐標(biāo)系中，不同收縮比對(duì)應(yīng)的H/bc與Q/（bc2.5g0.5）在一條曲線上坍縮，表現(xiàn)出極好的相關(guān)性，決定系數(shù)R2為0.989。通過(guò)擬合得到m=0.577，n=1.689。故直角三角形量水槽自由出流時(shí)的流量公式為

Q/（bc2.5g0.5）=0.577［（h+il）/bc］1.689（8）

此公式應(yīng)用條件為：0.52≤ε≤0.60，1/1 500≤i≤1/100，0.090 m3/s≤Q≤0.210 m3/s，1 m

將式（8）的計(jì)算流量和巴歇爾槽的實(shí)測(cè)流量繪于圖中，兩者的平均相對(duì)誤差僅為1.88%，相對(duì)誤差的最大值為5.56%，相對(duì)誤差在±5%范圍以?xún)?nèi)的數(shù)據(jù)比例為98%（見(jiàn)圖3）。

2.2 淹沒(méi)閾值經(jīng)驗(yàn)公式

淹沒(méi)閾值定義為自由出流轉(zhuǎn)變?yōu)檠蜎](méi)出流這一臨界狀態(tài)時(shí)下游水深與上游水深的比值。對(duì)于給定的量水槽，淹沒(méi)閾值隨著渠道流量的變化而變化，識(shí)別量水槽在不同流量時(shí)的流態(tài)非常重要。因?yàn)榱克鄣牧髁抗揭话阍谧杂沙隽鲿r(shí)有效，當(dāng)下游水深增加導(dǎo)致淹沒(méi)出流時(shí)，流量公式的量水精度會(huì)下降。量水槽必須保證在整個(gè)流量變化范圍內(nèi)自由出流，因此全流程的淹沒(méi)度均小于淹沒(méi)閾值是量水槽最重要的體型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。在大多數(shù)情況下，如果流態(tài)在最大流量和最小流量這兩種極端條件下是自由出流，那么在中間任意流量對(duì)應(yīng)的也是自由出流［19］，故需要校核最大流量和最小流量時(shí)的淹沒(méi)度是否小于相應(yīng)的淹沒(méi)閾值。圖4為淹沒(méi)閾值與其影響因素之間的關(guān)系。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，淹沒(méi)閾值隨著流量的增大而減??；當(dāng)流量和坡度不變時(shí)，淹沒(méi)閾值隨著收縮比的增大而增大；當(dāng)流量和收縮比不變時(shí)，淹沒(méi)閾值隨著坡度的增大而略微增大，但這種影響不明顯。

由圖4還可知，渠道流量和收縮比是影響淹沒(méi)閾值的主要物理量?；贐ijankhan和Ferro對(duì)量水槽淹沒(méi)閾值的研究，運(yùn)用量綱分析法推求淹沒(méi)閾值的函數(shù)關(guān)系式，得到淹沒(méi)閾值Sth是相對(duì)流量Q/（bc2.5g0.5）和相對(duì)底弧直徑D/bc的函數(shù)。以?xún)绾瘮?shù)形式的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行回歸分析，決定系數(shù)R2為0.93，得到淹沒(méi)閾值Sth的經(jīng)驗(yàn)公式為

Sth=0.915Qb2.5cg0.5-0.074Dbc-0.113（9）

式（9）的應(yīng)用條件是：ε≤0.55，i≤1/300，0.090 m3/s≤Q≤0.210 m3/s。

2.3 壅水高度經(jīng)驗(yàn)公式

為了保證量水槽的自由出流狀態(tài)，往往需要加大對(duì)渠道斷面的收縮，這樣會(huì)導(dǎo)致量水槽的上游水位壅高，因此需要對(duì)滿(mǎn)足自由出流時(shí)的上游水位壅高進(jìn)行校核。壅水高度為量水槽上游水尺處的水深與沒(méi)有量水槽時(shí)該處的渠道水深之差。壅水高度過(guò)大，會(huì)影響渠道的安全運(yùn)行，極端情況會(huì)造成上游渠水漫頂，這就要求對(duì)壅水高度進(jìn)行限制，可將壅水高度不超過(guò)渠道岸頂超高作為量水槽的體型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一。渠道岸頂超高可依據(jù)灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的公式計(jì)算確定。為了確定影響壅水高度的因素，將壅水高度與流量、坡度和收縮比的關(guān)系繪制成圖5。由圖5可以發(fā)現(xiàn)：壅水高度隨著流量的增大而增大；當(dāng)流量和坡度不變時(shí)，淹沒(méi)閾值隨著收縮比的增大而減??；當(dāng)流量和收縮比不變時(shí)，淹沒(méi)閾值隨著坡度的增大而增大。

同時(shí)由圖5可知，渠道流量、渠道坡度和收縮比是影響壅水高度的主要物理量。運(yùn)用量綱分析法推求壅水高度的函數(shù)關(guān)系式，得到壅水高度hw是相對(duì)流量Q/（bc2.5g0.5）、相對(duì)底弧直徑D/bc和渠道坡度i的函數(shù)。以?xún)绾瘮?shù)形式的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行回歸分析，得到壅水高度hw的經(jīng)驗(yàn)公式為

hw=5.878Qb2.5cg0.51.241Dbc0.544i0.534bc（10）

式（10）的平均絕對(duì)誤差為0.5 cm，最大絕對(duì)誤差為2.3 cm，決定系數(shù)R2為0.99。絕對(duì)誤差在±1 cm以?xún)?nèi)的數(shù)據(jù)比例為78.6%，絕對(duì)誤差在±2 cm以?xún)?nèi)的數(shù)據(jù)比例為96.9%。該式的適用范圍與式（8）相同。

2.4 上游弗勞德數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式

在滿(mǎn)足自由出流和壅水高度限制條件的前提下，還需要對(duì)上游弗勞德數(shù)是否小于0.5進(jìn)行校核。量水槽的設(shè)計(jì)應(yīng)使上游水流保持穩(wěn)定，不產(chǎn)生駐波或較大的水面波動(dòng)，以便于讀取上游水位，從而獲得準(zhǔn)確的水位流量關(guān)系，因此上游弗勞德數(shù)應(yīng)盡可能小。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)上游弗勞德數(shù)為0.5或更小時(shí)，上游水位更容易精確測(cè)量，可以將此限制條件作為量水槽的體型設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一。弗勞德數(shù)一般根據(jù)上游平均流速和平均水深計(jì)算獲得，現(xiàn)有的計(jì)算公式無(wú)法對(duì)不同渠道坡度和不同槽型的量水槽上游弗勞德數(shù)做出預(yù)測(cè)。為了確定影響上游弗勞德數(shù)的因素，將上游弗勞德數(shù)與流量、坡度和收縮比的關(guān)系繪制成圖6。由圖6可以發(fā)現(xiàn)：上游弗勞德數(shù)隨著流量的增大而減??；當(dāng)流量和坡度不變時(shí)，上游弗勞德數(shù)隨著收縮比的增大而增大；當(dāng)流量和收縮比不變時(shí)，上游弗勞德數(shù)隨著坡度的增大而增大。

由圖6還可知，渠道流量、渠道坡度和收縮比是影響上游弗勞德數(shù)的主要物理量。運(yùn)用量綱分析法推求上游弗勞德數(shù)的函數(shù)關(guān)系式，得到上游弗勞德數(shù)Fr是相對(duì)流量Q/（bc2.5g0.5）、相對(duì)底弧直徑D/bc和渠道坡度i的函數(shù)。選擇適宜的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行回歸分析，得到上游弗勞德數(shù)Fr的經(jīng)驗(yàn)公式為

Fr=1+Qb2.5cg0.52.491Qb2.5cg0.5+2.118Dbc-17.001i-1.651（11）

式（11）的平均相對(duì)誤差為1.40%，最大相對(duì)誤差為5.58%，決定系數(shù)R2為0.98。式（11）回歸系數(shù)的正負(fù)號(hào)與上游弗勞德數(shù)隨著渠道流量、渠道坡度和收縮比的變化情況相一致。該式的適用范圍與式（8）相同。

3 體型設(shè)計(jì)方法

3.1 確定U型渠道參數(shù)

在量水槽體型設(shè)計(jì)前，應(yīng)先確定U型渠道的基本參數(shù)。底弧直徑D、襯砌深度H、直線段外傾角α、渠口寬度B、渠道坡度i需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。最大流量Qmax、最大流量對(duì)應(yīng)的水深hmax、最小流量Qmin和最小流量對(duì)應(yīng)的水深hmin直接收集資料即可。

3.2 直角三角形量水槽尺寸初選

根據(jù)U型渠道的基本參數(shù)，初選一個(gè)喉口寬度bc。利用渠道斷面的幾何尺寸關(guān)系，計(jì)算得到直角三角形量水槽的槽寬W和槽長(zhǎng)L。

3.3 校核淹沒(méi)度

將最大流量Qmax代入式（8），得到與最大流量Qmax對(duì)應(yīng)的量水槽上游水深h1，計(jì)算最大流量時(shí)的淹沒(méi)度S1，S1=hmax/h1。將最大流量Qmax、底弧直徑D和初選的喉口寬度bc代入式（9），得到最大流量時(shí)的淹沒(méi)閾值Sth，max。對(duì)Sth，max進(jìn)行校核，校核條件為S1

將最小流量Qmin代入式（8），得到與最小流量Qmin對(duì)應(yīng)的量水槽上游水深h2，計(jì)算最小流量時(shí)的淹沒(méi)度S2，S2=hmin/h2。將最小流量Qmin、底弧直徑D和初選的喉口寬度bc代入式（9），得到最小流量時(shí)的淹沒(méi)閾值Sth，min。對(duì)Sth，min進(jìn)行校核，校核條件為S2

如果S1和S2不能同時(shí)滿(mǎn)足校核條件，說(shuō)明量水槽在整個(gè)流量變化范圍內(nèi)不能保證自由出流，此時(shí)可以通過(guò)減小喉口寬度bc的方式來(lái)減小淹沒(méi)度［20］，直至淹沒(méi)度滿(mǎn)足要求為止。

3.4 校核壅水高度

因直角三角形量水槽的壅水高度隨著流量的增大而增大，故只須校核最大流量時(shí)的壅水高度即可。將渠道最大流量Qmax、底弧直徑D、渠道坡度i和滿(mǎn)足淹沒(méi)度要求的喉口寬度bc代入式（10），校核壅水高度是否小于渠道岸頂超高。如果壅水高度大于渠道岸頂超高，應(yīng)增大喉口寬度bc重新校核，直至壅水高度滿(mǎn)足要求為止。此后應(yīng)重新校核淹沒(méi)度是否滿(mǎn)足要求，直至所選的喉口寬度bc同時(shí)滿(mǎn)足淹沒(méi)度和壅水高度的要求為止。

3.5 校核弗勞德數(shù)

因直角三角形量水槽的弗勞德數(shù)隨著流量的減小而增大，故只須校核最小流量時(shí)的弗勞德數(shù)即可。將渠道最小流量Qmin、底弧直徑D、渠道坡度i以及同時(shí)滿(mǎn)足淹沒(méi)度和壅水高度的的喉口寬度bc代入式（11），校核弗勞德數(shù)是否小于0.5。若弗勞德數(shù)大于0.5，應(yīng)減小喉口寬度bc重新校核，直至弗勞德數(shù)滿(mǎn)足要求為止。此后應(yīng)重新校核淹沒(méi)度和壅水高度是否滿(mǎn)足要求，直至所選的喉口寬度bc同時(shí)滿(mǎn)足淹沒(méi)度、壅水高度和弗勞德數(shù)的要求為止。

4 結(jié) 論

（1） 量水槽體型設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的問(wèn)題是設(shè)計(jì)適宜的喉口寬度使量水槽出現(xiàn)臨界流，并讓量水槽始終處于自由出流狀態(tài)，這是確定量水槽喉口寬度的重要約束條件。因此，淹沒(méi)度小于淹沒(méi)閾值是量水槽體型設(shè)計(jì)的首要準(zhǔn)則。淹沒(méi)閾值隨著流量和收縮比的變化而變化，以固定不變的淹沒(méi)閾值去識(shí)別流態(tài)的方法并不合理，它無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別不同渠道直徑、不同渠道流量和不同喉口寬度時(shí)的水流流態(tài)。直角三角形量水槽的灌區(qū)試驗(yàn)表明，渠道流量和收縮比是影響淹沒(méi)閾值的主要因素，由此擬合了包含渠道流量、渠道直徑和喉口寬度的淹沒(méi)閾值經(jīng)驗(yàn)公式。該經(jīng)驗(yàn)公式可以預(yù)測(cè)不同渠道直徑、不同渠道流量和不同喉口寬度時(shí)的淹沒(méi)閾值，從而為精準(zhǔn)識(shí)別水流流態(tài)和直角三角形量水槽的體型設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵依據(jù)。

（2） 水位壅高不影響上游渠段的正常運(yùn)行和行進(jìn)渠內(nèi)水流的弗勞德數(shù)小于0.5是量水槽的一般規(guī)定。在量水槽已經(jīng)滿(mǎn)足自由出流的前提下，通過(guò)校核壅水高度小于渠道岸頂超高和上游弗勞德數(shù)小于0.5，可以確保量水槽的正常工作。因此壅水高度小于渠道岸頂超高和上游弗勞德數(shù)小于0.5是量水槽體型設(shè)計(jì)的次要準(zhǔn)則。本文擬合的壅水高度和弗勞德數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，將對(duì)壅水高度和弗勞德數(shù)的一般規(guī)定轉(zhuǎn)化為壅水高度、弗勞德數(shù)與渠道流量、渠道直徑、渠道坡度和喉口寬度之間的定量關(guān)系，從而為直角三角形量水槽的體型設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

直角三角形量水槽通過(guò)上述3個(gè)準(zhǔn)則進(jìn)行體型設(shè)計(jì)，即淹沒(méi)度小于淹沒(méi)閾值、壅水高度小于渠道岸頂超高和上游弗勞德數(shù)小于0.5。淹沒(méi)度小于淹沒(méi)閾值和上游弗勞德數(shù)小于0.5的實(shí)質(zhì)是設(shè)計(jì)足夠多的收縮以滿(mǎn)足量水槽自由出流的要求，它可以限定喉口寬度的上限；壅水高度小于渠道岸頂超高的實(shí)質(zhì)是設(shè)計(jì)足夠少的收縮以滿(mǎn)足渠道安全運(yùn)行的要求，它可以限定喉口寬度的下限。量水槽的體型設(shè)計(jì)就是在這兩種情況之間進(jìn)行權(quán)衡考慮，通過(guò)反復(fù)調(diào)整設(shè)計(jì)，最終使量水槽達(dá)到最佳的量水性能。

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（編輯：胡旭東）

Shape design of right triangle measuring flume in U-shaped channel

QI Yubin

（Yili Vocational and Technical College，Yili 835000，China）

Abstract：

The shape design for measuring flume is an important part of the application of measuring flume in irrigation areas.At present，there is no perfect standard to follow.In order to solve the problem of shape design in the practical application of right triangle measuring flume，the design criterion of measuring flume shape was proposed based on the limitation of submergence degree，backwater height and upstream Froude number.On the U-shaped channels of two types and three slopes，five right triangle measuring flumes were built with steel formwork for irrigation area test.A flow formula including channel bottom slope was established，and the empirical formulas of submergence threshold，backwater height and upstream Froude number were fitted.The results showed that the accuracy of the flow formula with slope ratio was high，the average relative error was only 1.88 %，the maximum relative error was 5.56 %，and the proportion of data with relative error within ±5% was 98 %.The quantitative relationship between the submergence threshold，backwater height，upstream Froude number and the throat width of the measuring flume was obtained through three empirical formulas，which can be used for the shape design of the measuring flume.Based on the shape design criteria and empirical formulas，a right triangle measuring flume shape design method was established，in which the submergence degree was less than the corresponding submergence threshold under the maximum flow rate and the minimum flow rate，the backwater height was less than the super height of the channel bank top under the maximum flow rate，and the upstream Froude number was less than 0.5 under the minimum flow rate.The research results can be used for similar measuring flume shape design.

Key words：

right triangle measuring flume；U-shaped channel；throat width；submergence threshold；backwater height；Froude number