D50型U渠專用測(cè)流堰的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能研究

王軍++李永業(yè)++孫西歡

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.120

摘要：為了進(jìn)一步研究渠道水力特性，完善渠道量水技術(shù)，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)用水量的有效監(jiān)測(cè)控制，以D50型U渠為例，基于堰流原理，設(shè)計(jì)了一套由三角型、平頂型和復(fù)合型組合而成的便捷式測(cè)流裝置，并以流量、斷面位置等因素為變量因子，對(duì)不同工況下渠道斷面的流速、水位進(jìn)行測(cè)定分析。結(jié)果表明：測(cè)流裝置的安置會(huì)引起上游渠道水流流速和水位的分布變化；隨著測(cè)流裝置安置位置與測(cè)試斷面的距離增大，水流流速先增大后趨于穩(wěn)定，水位先下降后趨于穩(wěn)定；各斷面的水位隨著流量的增大而增大，二者呈冪函數(shù)關(guān)系或多項(xiàng)式關(guān)系，且這種關(guān)系會(huì)因測(cè)流裝置的不同而表現(xiàn)出差異；三角型測(cè)流裝置適用于小量程測(cè)流，平頂型測(cè)流裝置使用于大量程測(cè)流，復(fù)合型測(cè)流裝置的測(cè)流量程最大。該研究成果可為促進(jìn)農(nóng)田節(jié)水灌溉、優(yōu)化水利資源管理提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：渠道；D50型U渠；測(cè)流裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；量測(cè)范圍；水力特性

中圖分類號(hào)： TV132+.2；TV135.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）10-0410-04

收稿日期：2016-04-14

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：51109155、51179116）；山西省自然科學(xué)基金（編號(hào)：2015011067）。

作者簡(jiǎn)介：王軍（1974—），男，山西文水人，博士，高級(jí)工程師，主要從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：sxsltwj@163.com。

通信作者：孫西歡，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事工業(yè)水力學(xué)的研究。E-mail：sunxihuan@tyut.edu.cn。面向當(dāng)前建設(shè)現(xiàn)代化節(jié)水型灌區(qū)的現(xiàn)實(shí)需求[1]，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在渠道流量監(jiān)測(cè)領(lǐng)域展開相關(guān)研究：馬孝義等結(jié)合工程實(shí)際指標(biāo)評(píng)測(cè)了拋物線形喉口式、直壁式和直壁式量水槽在多泥沙渠道中的測(cè)流應(yīng)用情況[2]；王竹青根據(jù)大型渠道中超聲波法的測(cè)流結(jié)果得出平整的渠道過(guò)水?dāng)嗝嬗欣谔岣邷y(cè)量精度[3]；李效賢基于實(shí)際的大型渠道測(cè)流工程應(yīng)用比測(cè)得出超聲波法測(cè)流值大于流速儀測(cè)流值且測(cè)流精度屬于同一數(shù)量級(jí)[4]；王家琪等設(shè)計(jì)了一種可與節(jié)制閘或進(jìn)水閘配套使用且具備水位流量調(diào)控功能的的調(diào)節(jié)型渠道測(cè)流裝置[5]；戚玉彬等提出了適用于小型U型渠道的拋物線形移動(dòng)式量水堰板和便攜式量水槽2組量水設(shè)施的設(shè)計(jì)原理并對(duì)其適用性進(jìn)行了分析[6]。與矩形和梯形渠道相比，U型渠道在近幾年我國(guó)灌區(qū)工程改造中的推廣和應(yīng)用尤為廣泛，逐步成為斗渠以下渠道的主要斷面改造形式[7]。本研究主要提出與D50型U渠配套使用的便攜式測(cè)流裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，旨在進(jìn)一步滿足大多數(shù)灌區(qū)“斗口計(jì)量”的應(yīng)用需求。

1試驗(yàn)與測(cè)流裝置設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)U型渠道斷面見圖1，試驗(yàn)系統(tǒng)示意見圖2。試驗(yàn)過(guò)程中采用長(zhǎng)17.0 m的正坡渠道，坡度為1/1 000，斷面左右對(duì)稱；試驗(yàn)前采用水準(zhǔn)儀和直尺進(jìn)行渠道調(diào)平和坡度校正，保證U型渠道左右水平對(duì)稱，并安置測(cè)流裝置，對(duì)將要進(jìn)行水位和流速測(cè)量的斷面位置做標(biāo)記；試驗(yàn)時(shí)在渠道既定位置安設(shè)測(cè)流裝置，離心泵動(dòng)力抽水通過(guò)管道至U型渠道，渠道上游設(shè)有貯水池和穩(wěn)流裝置，以便水流較為平穩(wěn)地進(jìn)入渠道；水流最終從渠道下游流入尾水槽，并經(jīng)退水渠流入地下水庫(kù)，尾水槽中同樣設(shè)有穩(wěn)流板，以保證退水渠中的水面較為穩(wěn)定，方便退水渠中的直角三角堰[8]對(duì)流量的準(zhǔn)確測(cè)定。

1.2測(cè)流裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)流裝置采用聚氯乙烯（PVC）塑料，用云石膠黏合在渠道中固定；安置過(guò)程中必須保證測(cè)流裝置輪廓與U型渠道斷面形狀完全重合，左右頂點(diǎn)高程相同；三角型測(cè)流裝置、平頂型測(cè)流裝置和復(fù)合型測(cè)流裝置的形狀尺寸見圖3。

1.3測(cè)試方案

試驗(yàn)中，在U型渠道確定位置（距離渠道進(jìn)口10 m處）依次對(duì)三角測(cè)流裝置、平頂測(cè)流裝置和復(fù)合測(cè)流裝置進(jìn)行安置并對(duì)不同工況下的水流特性進(jìn)行測(cè)量。三角測(cè)流裝置情況分別在Q=5、15、25、35、45 m3/h的流量下進(jìn)行測(cè)量，平頂測(cè)流裝置情況分別在Q=15、45、75、105、135 m3/h的流量下進(jìn)行測(cè)量，復(fù)合測(cè)流裝置情況分別在Q=5、15、25、75、105、135 m3/h 的流量下進(jìn)行測(cè)量，其中流量靠退水渠中的直角三角形堰確定。將U型渠道測(cè)流裝置上游距其50、270、490、710、930 cm的斷面確定為測(cè)量斷面， 在上述的情況下對(duì)這5

個(gè)斷面中心線上的水位和如圖4所示的斷面測(cè)點(diǎn)（表1）流速進(jìn)行測(cè)量，其中用直尺測(cè)量水位，用LGY-Ⅱ型智能流速儀測(cè)量流速。

2結(jié)果與分析

2.1測(cè)流裝置上游渠道水流的沿程速度分布特征

由圖5分析可得：在安設(shè)測(cè)流裝置之后，對(duì)于特定流量特定測(cè)點(diǎn)位置的流速數(shù)據(jù)，隨著與測(cè)流裝置距離的增加，流速呈現(xiàn)出一種先增大、繼而保持一段穩(wěn)定狀態(tài)、最后再有所減小的趨勢(shì)。因?yàn)樗袦y(cè)點(diǎn)的流速數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)出這樣的趨勢(shì)，可以說(shuō)斷面平均流速沿程變化的規(guī)律就是如此。具體來(lái)看，流速在前3個(gè)斷面會(huì)逐漸變大，4#斷面與3#斷面的流速基本沒(méi)有差異或略有增大，而在5#斷面，流速會(huì)有較為明顯的減小。由于5#斷面與U型渠道的進(jìn)口處相距較近，而進(jìn)口處斷面的突變會(huì)對(duì)流態(tài)造成一定程度的影響，所以在測(cè)量5#斷面的流速時(shí)，數(shù)據(jù)有時(shí)并不穩(wěn)定，可能會(huì)造成誤差，與總結(jié)的規(guī)律會(huì)有所差別。這種現(xiàn)象不難解釋，順?biāo)鞣较?，水在正坡的渠道中流?dòng)，水位會(huì)有所降低，但在本試驗(yàn)中，由于測(cè)流裝置的存在，上游附近的一段距離內(nèi)水被壅高，水位反而有所增加。在流量一定渠道斷面不變的情況下，水位的降低或升高會(huì)導(dǎo)致過(guò)水?dāng)嗝鏈p小或增大的變化，從而使流速有了變大或變小的趨勢(shì)。在測(cè)流裝置形狀確定的情況下，固定斷面的流速會(huì)隨著流量的增大而增大。而通過(guò)3種測(cè)流裝置情況下圖像的比較，可以看出其形狀會(huì)影響上游斷面的流速大小，其規(guī)律為：復(fù)合測(cè)流裝置情況下的流速比三角測(cè)流裝置情況下的小，但比平頂測(cè)流裝置情況下的大。

2.2測(cè)流裝置上游渠道水流的沿程水位分布特征

由圖6可知：對(duì)于任何一種測(cè)流裝置，在流量確定的情況下，隨著上游斷面與測(cè)流裝置距離的增加，水位先下降，在一段穩(wěn)定的狀態(tài)之后又有所上升。因?yàn)闇y(cè)流裝置的存在，上游1#～3#斷面的水位被壅高，直到4#斷面處，水位才基本保持穩(wěn)定，可以說(shuō)，測(cè)流裝置對(duì)上游水位的影響一直持續(xù)到4#斷面。

2.3基于水位流量關(guān)系的測(cè)流裝置測(cè)流原理分析

不同測(cè)流裝置的沿程水位分布圖不僅能反映沿程水位變化的趨勢(shì)，還能進(jìn)一步反映確定斷面的水位流量關(guān)系，即在斷面位置確定的情況下，水位隨著流量的增大而上升。以不同測(cè)流裝置前4個(gè)斷面為例繪制圖7，并擬合出定量的關(guān)系式。在擬合上述水位流量關(guān)系曲線時(shí)，分別用多項(xiàng)式擬合、指數(shù)函數(shù)擬合、冪函數(shù)擬合等方式進(jìn)行了嘗試，其中冪函數(shù)擬合非常精確，r2接近1，圖像的趨勢(shì)較為合理，且各斷面的水位流量關(guān)系式也很接近。

由圖7可以看出：測(cè)流裝置形狀的不同所造成的水位流量關(guān)系擬合函數(shù)之間的差異是很大的，其中復(fù)合測(cè)流裝置和三角測(cè)流裝置用冪函數(shù)擬合較為合適，而平頂測(cè)流裝置用多項(xiàng)式擬合更好。從1#斷面到4#斷面，這種差別幾乎沒(méi)有改變，可見測(cè)流裝置的形狀對(duì)渠道上游斷面水位流量關(guān)系的影響是較大的，也可以說(shuō)對(duì)上游水流水力特性的影響是較大的，這種影響在一段較長(zhǎng)的距離內(nèi)都很明顯。

本研究還探討了不同測(cè)流裝置的堰上水頭與流量的擬合關(guān)系式，以便在實(shí)際中容易測(cè)出水位的情況下，直接計(jì)算出流量的數(shù)值，為農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉和水資源利用管理提供更多的理論支撐。堰上水頭為堰頂?shù)纳嫌嗡娉鲅唔數(shù)母叨?，一般以H表示，試驗(yàn)中，1#斷面距離測(cè)流裝置為50 cm，可以將1#斷面中心線水位與堰頂高度之差作為堰上水頭，進(jìn)而討論不同測(cè)流裝置情況下堰上水頭與流量的關(guān)系。對(duì)于復(fù)合測(cè)流裝置，堰上水頭與流量的關(guān)系會(huì)因水位是否超過(guò)其頂部而異，所以擬合出的關(guān)系式應(yīng)該有2個(gè)，根據(jù)圖3-c中所示的測(cè)流裝置形狀尺寸，1#斷面水位低于21.3 cm時(shí)為第1種情況（圖3-C左），1#斷面水位高于21.3 cm時(shí)為第2種情況（圖3-C右），由于流量數(shù)據(jù)較少會(huì)影響二者關(guān)系的擬合效果，所以試驗(yàn)中加測(cè)幾組堰上水頭與流量的數(shù)據(jù)，具體情況如圖8所示。

由圖8可見：三角測(cè)流裝置情況下的擬合式為Q=0.021 2H2.815 3，平頂測(cè)流裝置情況下的擬合Q=3.016 2H1.581 3，復(fù)合測(cè)流裝置水位未淹沒(méi)裝置頂端情況下的擬合式為Q=0.040 6H2.617 3，水位淹沒(méi)裝置頂端情況下的擬合式為Q=0.021 2H2.743。該擬合公式可以較好地指導(dǎo)此套測(cè)流裝置在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

3結(jié)論

在安設(shè)測(cè)流裝置之后，在流量確定的情況下，隨著與測(cè)流裝置距離的增加，流速數(shù)據(jù)會(huì)呈現(xiàn)出先增、繼而穩(wěn)定、后減的趨勢(shì)。具體來(lái)看，流速在前3個(gè)斷面會(huì)逐漸變大，4#斷面與 3# 斷面的流速基本沒(méi)有差異或略有增大，而在5#斷面，流速會(huì)有較為明顯的減少。

在測(cè)流裝置形狀確定的情況下，上游固定斷面的流速會(huì)隨著流量的增大而增大。并且，復(fù)合測(cè)流裝置情況下的上游流速比三角測(cè)流裝置情況下的小，但比平頂測(cè)流裝置情況下的大。對(duì)于任何一種測(cè)流裝置，在流量確定的情況下，隨著上游斷面與測(cè)流裝置距離的增加，水位先下降，在一段穩(wěn)定的狀態(tài)之后又有所上升。

為了在實(shí)際中更好地應(yīng)用有關(guān)理論，分別擬合了不同測(cè)流裝置情況下的堰上水頭與流量的關(guān)系式，以便在實(shí)際中容易測(cè)出水位的情況下，直接計(jì)算出流量的數(shù)值。

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