机翼型闸墩量水闸门水力性能试验研究

陈土成 王文娥* 胡笑涛 刘渡坤 马朝阳

(1.西北农林科技大学 旱区农业工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100； 2.杨凌示范区水务局，陕西 杨凌 712100)

灌区量水是灌区实行计划用水和准确引水、输水、配水、灌水的重要手段，也是控制用户用水量与水费征收的主要依据。基于现阶段的科学技术，灌区渠道流量精准测量是实现灌区现代化建设和智慧水利的基本条件，同时量水设施实现多功能集合可有效优化灌区管理，但我国北方灌区小型渠道量水设施薄弱，流量测控一体化设施匮乏，为加快灌区现代化建设，需研发测控一体化的普适性量水设施或量水建筑物。

各类量水设施中，特设量水设施及量水仪表能够达到较高的测流精度，但不能调控流量；采用节制闸、分水闸等渠系量水建筑物则同时具备流量测量与调控的功能。目前已有多种不同闸门型式测流研究成果，赵强对平板闸门测流经验公式进行了总结与试验验证，管光华等建立了传统闸墩形式的闸门流量模型。由于闸门全开时(堰流)，无法利用闸门测流，测流精度较低，为此有研究通过改变传统形式实现流量测控一体化，如韩宇研发一款浮筒式升降闸门，通过水力性能试验和数值模拟研究建立了流量公式；潘志宝等提出矩形渠道闸墩式量水槽，将闸墩式量水槽与闸门结合以实现闸槽联合测流，通过室内试验建立适用于不同槽型组合的自由出流流量公式，并基于孔板式流量计的测流原理完成闸孔淹没出流下测流规律的分析和流量系数经验公式的建立；董楠针对U形渠道设计一种闸槽组合装置，通过试验研究建立了堰流及闸孔出流流量公式；王家琪等基于薄壁堰测流原理设计一种调控型测流装置，建立了自由出流流量公式，并提出将装置与节制闸或进水闸结合以实现流量量测与流量调控功能的设想。

渠道过流量和堰流精度都受闸墩型式的影响，可通过改变闸墩形状提高测流精度。在各种量水槽中，机翼形量水槽具有测量精度高、不易淤积、水头损失小等优点，并在不同形状渠道上完成了该量水槽的标准化、系列化研究工作；若将机翼形量水槽与闸门结合，可同时利用量水槽测流精度高、闸门便于调控的优势，但对于这种组合的量水闸门仍缺乏系统研究，因此本研究提出的机翼型闸墩量水闸门，是从结构上对闸墩做出适应闸门的改造，将机翼形量水槽作为闸墩，通过水力性能试验，探究新型量水闸门的过流流态及堰孔流判别阈值的变化，并建立不同过流情况的流量公式，以期为灌区量水设施应用及研发提供参考。

1 试验设计与测流原理

1.1 机翼型闸墩量水闸门结构设计及测流原理

闸墩是闸门的附属设备，在灌区实际应用中不具备量水功能，但采用机翼形量水槽作闸墩可实现闸槽联合测流。当闸门开度较大、呈堰流时闸墩可作为量水设施，测流精度高且水头损失小；当使用闸门调控水位流量时，与传统的矩形闸墩相比，流线型结构能较大程度地降低水头损失。已有研究表明机翼形量水槽适宜收缩比为0.4～0.6，综合考虑闸门抬高水位的影响，本研究收缩比采用0.58。机翼型闸墩量水闸门主要由机翼型闸墩和平板闸门组成，基于相关文献的机翼形量水槽体型曲线结合试验渠道尺寸可确定闸墩尺寸，同时在喉口处设置平板闸门，实物图见图1。

图1 机翼型闸墩量水闸门实物图Fig.1 Schematic diagram of airfoil-shaped-pier measuring sluice

水流经过该量水闸门时，当闸门开度较大、水面完全脱离闸门底缘时为堰流，以机翼型闸墩作量水设施会在喉口附近产生临界流，根据临界流原理即可确定流量；当水流受到闸门影响、经由闸门底缘和闸底板之间流出时为闸孔出流，根据能量守恒原理(或闸孔出流基本公式)即可确定流量。

1.2 试验系统

试验在西北农林科技大学北校区水工厅进行，试验系统由水泵、蓄水池、电磁流量计、控制阀门、稳水池、矩形渠道、机翼型闸墩量水闸门、尾水阀门、地下回水渠等组成。矩形渠道长为12 m，宽60 cm，高30 cm，坡降0.001，粗糙系数

n

取0.013；机翼型闸墩翼长为60 cm，翼高12.6 cm，收缩比0.58，高30 cm；闸门宽34.8 cm，高30 cm，系统平面布置及量水闸门体型参数见图2。

图2 系统平面布置及量水闸门体型参数Fig.2 Layout plan of test system and shape parameter diagram of measuring sluice

沿程断面布设及测流断面距离见图3。本试验渠道流量为5～40 L/s，变化梯度1.5～2.5 L/s，共20种流量；闸门开度为5～10 cm，变化梯度1 cm，每种流量下4～6组试验，共100种工况；每种流量下都存在闸孔出流与堰流的临界状况，需根据闸门放置处的水深调节至临界开度

e

，试验过程中，从闸门全开逐渐减小开度，当水面即将碰到闸门底缘时作临界开度

e

，测量并记录每种流量对应的U3断面的水深

H

和闸门临界开度

e

，20种流量全测完为1轮，重复3轮取平均值，闸门临界开度

e

与U3断面水深

H

的比值则为某流量下的判别阈值；每种工况下通过调节尾水阀门使闸后水流分为自由出流及淹没出流2种出流状态，测量并记录各流态下的流量、闸门开度及各测流断面水深等数据，试验过程流量保持恒定，水深、流速重复测量5次取均值。流量通过IFM4080F型电磁流量计测量，精度为±3‰，各断面水深采用SCM40和SCM60型水位测针测量，精度为±1 mm。

在闸前选取足够长的距离并根据水深升降程度布设测流断面，在闸门一定距离前(U1～U5)，考虑到预试验中该区间水深基本一致，测流断面间距设为20 cm，往后在即将进入该量水闸门(U8)时，测流断面间距设为10 cm，在进入机翼型闸墩后水深变化较大，测流断面呈加密布设，而闸后的测流断面同样根据水流状态进行相应调整布设。

单位：cm Unit: cm U表示闸门上游，D表示闸门下游。 U means the upstream of sluice, D means the downstream of sluice. 1.机翼型闸墩量水闸门；2.薄水层区域；3.折冲水流区域；4.水翅区域；5.紊动区域；6.起跃点；7.最高点；8.降落点；9.水翅中线水深变化示意 1.Airfoil-shaped-pier measuring sluice; 2.The region of thin water layer; 3.The region of deflected flow; 4.The region of water-wing; 5.The region of turbulent motion; 6.The points of flow upspring; 7.The highest points of water-wing flowing; 8.The points of flow dropping; 9.Diagram of water depth change of water-wing in midline图3 沿程测流断面布置Fig.3 Layout diagram of flow measurement section along channel

2 结果分析

机翼型闸墩量水闸门在运行过程中，包括堰流、闸孔出流及自由出流、淹没出流等4种情况；同时该量水闸门的水力性能与过闸流态密切相关，当过闸流态改变时，水面线、流速、傅汝德数、流量公式等也会相应改变，因此首先从沿程水深变化分析堰孔流临界状态及闸孔出流过流规律，进一步建立不同条件下的流量公式并分析测流精度。

2.1 沿程水深变化

已知渠系节制闸、分水闸等通过调节闸门开度控制闸前水深及过闸流量，沿程水深变化可反映流态变化规律而有助于水力性能的探索与分析，同时淹没出流作为自由出流的延伸变化，会出现上下游水位抬升、水跃前缩、翻滚涌动等波动现象，为此自由出流的沿程水深变化更为直观。该部分试验主要测定在不同流量、不同闸门开度条件下闸孔自由出流上下游沿程水深的变化。本研究对4种开度(

e

=5、6、8、10 cm)不同流量下及4种流量(

Q

=22.8、28.4、30.6、32.8 L/s)不同开度下的闸孔出流沿程水深变化进行了讨论。

L为各测流断面距闸门的距离；h为各测流断面的水深。 L means the distance of each flow measurement section and sluice; h means the water depth of each flow measurement section.图4 4种闸门开度(e)不同流量(Q)下闸孔出流沿程水深变化Fig.4 Variation of water depth along channel of outflow from sluice with different flow rate at 4 kinds of sluice opening

该量水闸门由于机翼型闸墩的存在使得势能转化为动能导致水位降落，本研究将此过程定义为闸墩的降水作用；而当闸门开度一定时，闸门处过流断面为固定的矩形闸孔，这限制了闸门底缘以上来流的通过导致闸墩上游一段距离内水面均较平稳，本研究将此过程定义为闸门的阻水作用。因此闸孔自由出流时，上游水深会受到闸门垂向阻水和机翼型闸墩横向收缩的影响，而两者的影响程度不同会导致水深沿程变化及闸前壅水情况不同。图4示出在闸孔自由出流时，4种闸门开度不同流量下的沿程水深变化。可见，上游水深较低时，由于闸门底缘以上的水头较小而导致闸墩的降水作用大于闸门的阻水作用，沿程水深中其下降趋势出现较早且较明显，同时水深最低点靠近闸门；在开度不变的情况下，随着流量的增大，上游水深随之增大，但其下降趋势逐渐变小而最低点逐渐弱化且远离闸门，同时闸前的最终相对壅高也随之变小而使得上游沿程水深变化曲线趋于平滑，这说明闸墩的降水作用随着闸门底缘以上的水头增加而逐渐变小，同时导致降水作用弱化，其他开度下变化规律基本一致。

水流过闸后，由于过流断面逐渐变大，两侧的水流相对于中心线上的水流降落更快，无明显折冲现象；而流出闸墩后，水流冲击两侧渠道边壁产生折冲水流，在后续某处汇集壅起，形成类似鱼鳍状水流现象(将此定义为水翅)，同时导致下游水面出现波浪状波动。考虑到水翅对后续水面影响，下游的测量断面布设中以产生的第一个水翅降落点(图3水翅区域)为最终测点，若下游断面D14与起跃点较远则相应增设等距(10 cm)的测流断面。在一定开度下(图4)，过闸水流在未流出闸墩前，水深与流量未形成明显的单调增加或降低关系，不同流量下的水深极为相近，出现频率较高的现象是每个开度下最大流量沿程处于最低水深的位移距离最长；而在水流流出闸墩后，其水深受流量变化的影响趋于明显：同一开度下，随着流量的增加，下游水深逐渐变大，且水翅的起跃点随之后移，其跨度与高度呈缓慢增加的趋势。

e

=5 cm时

Q

=15.18 L/s的闸孔自由出流沿程水深变化与堰流沿程水深变化过程相似，但相比后者闸孔自由出流水翅起跃更明显且起跃点前移起，这说明动势能转化进程较后者更快且该流量极为靠近该开度下堰孔流的阈值流量。

图5 4种流量(Q)不同开度(e)下闸孔出流沿程水深变化Fig.5 Variation of water depth along channel of outflow from sluice with different sluice opening at 4 kinds of flow rate

图5示出在闸孔自由出流时，4种流量不同开度下的沿程水深变化。可见，在流量相同时，上游水深随着闸门开度的增加而降低，而随着上游水深的降低，闸墩的降水作用相对更明显，下降趋势随之增强且最低点逐渐突出并靠近闸门，同时闸前的最终相对壅高也随之升高；过闸水流在未流出闸墩前，随着开度的增加，水深随之升高，水深沿程变化也由于流速的降低而更为平滑，过闸水流在流出闸墩后，水深极为相近，同时随着开度的增加，水翅起跃点随之前移且水翅的跨度与高度也呈增加趋势。

2.2 堰流及闸孔出流的判别阈值

堰流与闸孔出流的流态变化与闸门相对开度、闸底坎及闸门型式、上下游水位有关。平板闸门为平底坎时，一般采用0.65(闸门相对开度

e

/

H

)为堰流与闸孔出流的判别阈值。在试验过程中发现，由于闸墩形状不同，机翼型闸墩量水闸门堰流与闸孔出流的判别阈值与该值不同。图6示出闸门临界开度

e

、闸前稳定水深

H

(U3断面的水深)及闸门临界相对开度

e

/

H

与流量

Q

的关系。由图6(a)可见，由于机翼型闸墩的侧收缩影响，在流量改变时闸门临界开度的变化小于上游水深的变化，即闸门临界开度

e

的增长慢于上游水深

H

的增长，而在小流量的时候由于并未受到侧收缩过多的影响，闸门临界开度

e

和上游水深

H

非常接近，即流量越小

e

/

H

越近似等于1，近似处于自然过流的情况，当流量逐渐增大时，两值的差逐渐变大，它们的比值逐渐变小，与图6(b)所得的

e

/

H

和流量

Q

关系的变化趋势相符：临界相对开度随着流量的增大而降低，而在15 L/s流量附近出现转折的现象，此前下降趋势较为剧烈，此后趋于平稳，略有增加，约为0.75～0.76，与平底坎闸孔出流

e

/

H

<0.65的判别阈值存在一定差异，原因是传统的闸墩具有较长的直线段(或导流段)，即闸门上下游一定长度范围内水流宽度基本相等，而机翼型闸墩水流宽度先逐渐束窄、后逐渐扩散，其收缩段水深略有抬升，使闸门临界开度

e

增大。

图6 流量(Q)与闸门临界开度(e0)、上游稳定水深(H3)及闸门临界相对开度(e0/H3)的关系Fig.6 Relation between flow rate Q and critical opening e0、stable water depth of upstream H3 and e0/H3

利用机翼型闸墩量水闸门测流时，需首先根据判别阈值确定过流状态是堰流还是闸孔出流，再根据相应的流量公式计算通过的流量。

2.3 流量公式及测流精度

2

.

3

.

1

堰流

该量水闸门过流状态为堰流时以机翼型闸墩作为测流设施，测流公式同机翼形量水槽，据已有研究其流量表达式为：

Q

=

a

15

g

05

b

(25-15)

H

15

(1)

式中：系数

a

、指数

n

为常数，可通过试验数据拟合得到；

b

为过闸宽度(喉口宽度)，取3.48 dm；

g

为重力加速度，取98.1 dm/s；

H

为U3断面水深，dm；

Q

为流量，L/s。根据试验数据，借鉴戚玉彬的公式形式分别对上游测流断面(U1，U2,…,U8)水深与流量进行拟合，发现U3断面的相关性最强，其复相关系数

R

=0.999 7，故把U3断面作为上游水深取值断面，其拟合得到的堰流流量公式如式(2)。图7为堰流状态下，流量随U3断面水深变化图，整体看来流量随着U3断面水深增大而增大，水深越大水深的变化对流量的影响也越大。

Q

=20

.

428 8

H

1493 9

(2)

经拟合后平均误差为1.34%，满足灌区的量水精度要求。已有研究表明机翼形量水槽临界淹没度可达0.77～0.89，堰流灌溉时高淹没度可满足大多的用水需求，在保证下游灌溉水位要求的同时也保证了测流精度。

图7 上游水深(H)与流量(Q)的关系Fig.7 Relation between water depth of upstream (H) and flow rate (Q)

2

.

3

.

2

闸孔出流

为保证充分灌溉，下游引水灌溉时需满足水位要求，机翼型闸墩量水闸门存在闸孔自由出流和淹没出流两种情况。试验中通过调整闸门开度及控制阀门，可得到一定流量条件下闸孔自由出流和淹没出流的闸门开度、上游水深及下游水深等数据，经拟合可得闸孔出流的流量公式。

闸孔自由出流的基本流量公式为：

(3)

式中：

e

为闸门开度，dm；

μ

为自由出流流量系数，将试验测得的渠道流量

Q

、闸门开度

e

和上游水深

H

代入式(3)即可求得。根据试验数据，对各工况的闸门相对开度与自由出流流量系数进行拟合，其相应关系为：

(4)

经拟合关系式校验，其复相关系数

R

=0.951，相关性较高。图8示出相对开度与各出流状况流量系数的关系：自由出流流量系数随着相对开度的增大而减小(图8(a))，这一趋势与董楠得到的结论一致。

在试验中调节渠道尾水阀门改变下游水深，当影响到上游出流时，即形成淹没出流，通过公式分析可知过闸流量与上下游水深有关，为此除了测量上游水深以外，还需选取下游水面较稳定断面处进行水深测量。已知闸孔淹没出流的基本流量公式为：

(5)

式中：

m

为淹没出流流量系数，将试验测得的渠道流量

Q

、闸门开度

e

和上下游水位差Δ

H

代入式(5)即可求得；Δ

H

为上下游水位差，dm。根据试验数据，对各工况下的闸门相对开度与淹没出流流量系数进行拟合，相应关系式为：

(6)

经拟合关系式校验，其复相关系数

R

=0.919，相关性良好。由图8(b)可见，淹没出流流量系数随着相对开度增大而增大。

图8 相对开度与流量系数的关系Fig.8 Relation between relative opening degree and flow coefficient

2

.

3

.

3

测流精度

测流精度作为评价量水设施性能的决定性指标，其取决于测流公式。为验证流量公式的准确性与可靠性，将测得的试验数据代入自由出流和淹没出流的流量公式中可算得各工况下过闸流量，再将计算流量与实测流量进行对比分析，结果见图9。可知，自由出流和淹没出流的计算流量与实测流量的吻合度较高，它们之间相对误差的绝对值最大分别为2.98%、4.92%，最小分别为0.01%、0.04%，平均误差分别为0.85%、1.25%，满足灌区的量水精度要求。综上，本研究所总结得出的堰孔流流量计算公式能够满足灌区量水的要求，可准确计算渠道的流量。

图9 实测流量与计算流量的关系Fig.9 Relation between measured discharge and calculated discharge

3 结 论

本研究结合闸门测流和机翼形量水槽的优点，针对渠宽为60 cm的矩形渠道设计了机翼型闸墩量水闸门，通过水力性能试验得到如下结论：

1)水流经过机翼型闸墩量水闸门时，闸前水流平稳，闸后的渐扩断面可有效减缓闸孔出流对墙壁两侧的冲击力，同时沿程水深的变化主要受闸门阻水作用和闸墩降水作用影响；上游水深随流量增大而升高、随开度增加而降低，上游水面线的变化随流量增大而变小、随开度增加而变大，水翅的跨度随流量增大而变长、随开度增加而变长且最高点都随之升高。

2)由于机翼型闸墩体型不同于常规的平底坎闸墩，其先束窄后扩散的流线型变化导致闸门处水位略有抬升，从而产生不一样的判别阈值；经试验发现堰孔流的判别阈值随流量变化，在15 L/s流量附近存在转折，此前判别阈值随流量的增大而降低，此后判别阈值趋于平稳，略有增加，最低可达0.75。

3)该量水闸门存在多种出流状态，根据已知的基本公式建立堰流公式、闸孔自由出流及闸孔淹没出流的流量公式，经验证所建立的测流公式测流精度较高，满足灌区的量水精度要求。

试验过程中该量水闸门结构稳固、运行稳定、过流流态良好，适用于中小流量的矩形渠道，同时该量水闸门实现了流量测控一体的功能可作为灌区测控一体化系统的基础装置，后续可进一步对不同规格的渠道进行系列化研发。