U形渠道中复合型量水堰结构设计与特性研究

齐佳佳 李永业 孙西欢

摘要：灌渠测流仪器的合理应用是实现灌区节水灌溉的重要工程措施。基于薄壁堰流原理，提出了一种新型的复合型量水堰测流技术，以U50型渠道为例，采用理论分析和模型试验的方法，对不同流量工况下复合堰上游特征断面水力特性进行分析，并进一步率定校核了复合堰的测流经验公式。结果表明：该复合型量水堰测流精度较高，相对误差在4%以内，误差均值不超过2.3%；安装堰板时上游水深呈现逐渐增大的趋势，且在堰板处水深达到最大值。

关键词：U形渠道；节水灌溉；复合堰；水位

中图分类号：TV 149.2 文献标志码：A doi：10.3969/i.issn.1000-1379.2018.01.035

U形灌渠是我国重要的农田水利设施，具有流速分布均匀、占地面积较小、抗冻胀能力较强等优点[1]。随着U形渠道在农田水利工程中的广泛应用，许多学者对U形灌渠测流问题进行了研究，但目前既能满足精度要求又方便简单的测量技术和方法较少[2]。目前我国常见的U形渠道量水堰形式为直臂槽式[3]、U形长喉道式[4]、抛物线型[5]、三角剖面型[6]，国外针对梯形和矩形渠道量水技术的研究较多[7-8]。复合堰作为特殊的量水堰型，其在U形灌渠中的研究和应用较少，尤其是对复合堰上游断面水力特性的研究相对较少。笔者基于水力学原理，对传统测流堰板的体型结构进行了优化改进，设计了一种测流量程较大、精度较高、安装方便、使用简单的复合型量水堰。以其在U50型渠道中的应用为例，对渠道上游特征断面水位进行了探讨，并率定出精度较高的经验公式，旨在为复合型量水堰在U形渠道中的推广应用提供理论依据。

1 试验设计与方法

1.1 渠道与量水堰参数

试验采用U50型渠道断面，与田间常见灌渠尺寸相同，其结构包括底部圆弧及上部梯形两部分[9]。材料采用不锈钢，长17m，渠道底部为可调节支座，用于调节渠道坡度，本次试验采用比降为1：1000，渠道糙率n=0.012[10]，渠道断面见图1（a）；试验设计的复合型堰板采用PVC材质板材加工制造，其具有较高的强度，且耐气候变化性、耐冲性较好。因试验需采用堰板率定U形渠道的过流能力，需要保证堰板与U形断面的密封性来提高其测流精度，故采用添加固化剂的云石胶与渠道粘合固定。堰板分为两部分，下部为直角三角形，用于小流量测量，当堰上水头淹没直角三角形部分时，可采用上下两部分同时测流。其堰板尺寸见图1（b）。

1.2 试验系统

本试验系统由动力与调节装置、稳流装置、试验渠道、测试装置4部分组成。水流由离心泵从地下水库抽人蓄水池，经蓄水池稳流后进入U形渠道，在不锈钢水槽出水端设有矩形水箱及消能稳流板，用于稳定渠道中流量。矩形水箱后连接矩形明渠，三角堰安装在矩形明渠上，用于测定渠道流量。水流经三角堰流入地下水库，形成循环系统。试验系统布置见图20复合堰安装前用水准仪进行高程调平，由于采用特定的量水设施量水时，一般要求明渠水流要有40倍水力半径的平直上游段[11]，此U形渠道水力半径为0.18m，因此复合堰安装在距水槽进水口10m处。

1.3 试验方案

试验测量工况为流量0～155m3/h，滿足标准直角三角堰适用条件，故采用直角三角形薄壁堰控制渠道流量，流量按下式进行计算：

Q=C0H5/2式中：Q为流量m3/h； H为堰顶水头，m；C0为直角三角形薄壁堰的流量系数，因试验中H<25cm，故C0取1.4[10]。

在堰板上游沿水流方向选取5个特征测试断面，断面1#～5#距渠道进水口的距离依次为70、290、510、730、950cm，各测试断面水位由0.1mm精度测针测得。

2 复合型量水堰上游水位特性

2.1 模型试验与理论分析

当U形渠道中无堰板测流时，水流为均匀流，流量沿程不变，渠道中无干扰物且渠道长而顺直，粗糙系数沿程不变，可按明渠均匀流求解。明渠均匀流公式为式中：Q为流量，m3/s；C为谢才系数；A为渠道过水断面面积，m2，按式（3）进行计算；X为渠道过水断面湿周，m，按式（4）进行计算；R为断面水力半径，m； n为粗糙系数；i为渠道纵比降。式中：r为渠道半径，m；H为过水断面水深，mm。

由式（2）、式（3）、式（4）可反算出当灌溉流量分别为5、15、25、75、105、135m3/h时，水深H分别为3.65、6.15、7.87、13.57、16.14、18.44cm，其水深分布见图3（a）。当U形渠道中安装复合堰时，会使渠道上游水位壅高，其各灌溉流量工况下各断面的测量水深分布见图3（b）。

由图3（b）可知，安装堰板进行测流会对上游水深造成一定的影响：测试断面距渠道进水口70～950cm时，水深呈现增大趋势，此增大趋势在730～950cm断面处表现最明显，并在复合堰板处水深达到最大值，此趋势由堰板测流导致上游水位壅高所致。当流量为5～135m3/h时，随着流量的增大，各断面水深均呈增大趋势，且当流量为135m3/h时，断面水深达到最大值，此时水面距渠顶约20cm，对渠道过流能力影响较小。

2.2 壅高水位分析

各断面的壅高水位情况见图4，水位壅高值为放置堰板前、后的水深差值。当流量为5一75m3/h时，随着流量的增大，同一断面水位壅高值均呈增大趋势，且在75m3/h时为最大值；当流量为75一135m3/h时，随流量的增大，同一断面水位壅高值均呈下降趋势，且水位壅高值趋于11～12cm；在同一流量下，水位壅高值均表现为靠近堰板处最大。

3 复合型量水堰的量水特性

3.1 复合堰量水经验公式的建立

复合堰安装在距渠道进水口10m处，用于率定复合堰的流量与堰上水头的经验公式，当流量较小时，复合堰直角三角形部分过流；当流量较大时，复合堰与渠道形成的梯形部分和复合堰三角形部分同时过流，故采用分段拟合。

当堰上水头H≤10cm时，以幂函数进行拟合，所拟合曲线见图5（a），拟合优度为0.9997，近似于1，说明拟合度较优；当堰上水头H>10cm时，以幂函数进行拟合，所拟合曲线见图5（b），拟合优度为0.9872，近似于1，说明拟合度较优。拟合所得流量与堰上水头经验公式为

3.2 复合堰量水经验公式的校核

将校核值H代入式（5），得出流量计算值，以三角堰所测数据为真值，求得其相对误差。本次试验选取其他6组不同试验工况下的数据进行校核，校核结果见表1，相对误差均在4%以内，误差均值不超过2.3%，测流精度较高，满足渠道量水设备测流误差要求（5%以内）[11]。

4 结论

（1）提出了一种新型的复合堰测流技术，通过模型试验和理论分析，得出当渠中安装复合堰时，水深沿水流方向呈逐渐增加的趋势；当流量一定时，水位壅高值均表现为靠近堰板处最大。

（2）通过在测试断面测流，得出了流量和堰上水头的经验公式，并对经验公式进行了校核试验，其相对误差在4%以内。

（3）此堰板测流方法简单、设备造价低、易操作，可用于固定式测流，也可以用于便携式测流，具有较高的实用和推广价值。

参考文献：

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