陡坡U形渠道椭直形量水槽田间试验

戚玉彬，张月云，沙塔尔·阿不来克热木，阿斯哈尔·托力吾巴衣

(1.伊犁职业技术学院，新疆 伊宁 835000；2.伊犁州水利电力勘测设计研究院，新疆 伊宁 835000；3.伊宁县水务局，新疆 伊宁 835100；4.伊宁县农业综合开发办公室，新疆 伊宁 835100)

0 引 言

灌区量水技术是合理调度灌溉水、正确执行用水计划、加强用水管理的必要措施，也是衡量灌溉管理水平和灌溉水利用率高低的重要技术手段[1]。目前大中型灌区斗渠以下的配水渠道已基本采用U形渠道，国内对U形渠道的量水问题进行了大量的研究。在灌区推广应用较多的是抛物线形喉口量水槽[2,3]和直臂式量水槽[4,5]，经对比分析[6]，两种量水槽均能满足测流要求，但抛物线形喉口量水槽的喉口抛物线形状复杂，直臂式量水槽水头损失较大、阻水严重[7]。机翼形量水槽的研究成果也较多[8-10]，但实际应用时机翼形状很难控制。针对半圆柱形量水槽[11,12]和圆头量水柱[13,14]的研究，尚处在模型试验和数值模拟阶段。

对于位于山前冲积扇平原的灌区，地面坡度大，末级渠系中存在大量坡度为1/100～1/200的U形渠道，这类渠道的量水难题尤为突出。抛物线形喉口量水槽和直臂式量水槽在坡度为1/100～1/200的U形渠道上无法使用。巴歇尔量水槽和矩形无喉道量水槽与U形渠道不配套，导致水面波动大，测流精度差。另外由于灌区末级渠道横断面较小，《灌溉渠道系统量水规范》中推荐的小尺寸巴歇尔量水槽和矩形无喉道量水槽与末级渠道匹配率低，经常出现过度收缩以致阻水严重和收缩不够无法形成临界流的情况。因此，开展坡度为1/100～1/200的U形渠道量水设施研究十分必要。

1 试验与方法

1.1 量水槽结构

椭直形量水槽是一种无喉道量水槽，由收缩段和扩散段构成，收缩段为椭圆曲线，与U形渠道衔接自然，扩散段为直线。量水槽可直接建造在U形渠道的两侧，量水槽底部为原渠底，建造量水槽处的底坡为原渠道比降，不改变渠道断面形状，施工方便。收缩段的椭圆曲线控制方程为：

x2/(L/3)2+y2/B2=1

(1)

式中：B为喉口处的量水槽宽度，B=(B0-Bc)/2，B0为渠宽，Bc为喉口宽度；L为槽长。椭直形量水槽的结构如图1所示。

图1 量水槽构造图

1.2 试验布置

试验地点位于新疆伊犁州伊宁县托海西干渠灌区，试验渠道为该灌区的4条斗渠。斗渠直接从干渠取水，取水量的大小通过分水闸控制。分水闸后连接矩形渠道，在该渠段内建有巴歇尔量水槽，均按《灌溉渠道系统量水规范》的标准尺寸建造，每个灌溉季节用流速仪法校核巴歇尔量水槽的水位流量关系。巴歇尔量水槽的喉口宽度0.5m，水尺精度为0.001m。

矩形渠道后连接U形渠道，椭直形量水槽建造在U形渠道内。在椭直形量水槽前2倍渠深处设置上游水尺，用于观测量水槽上游水深。在椭直形量水槽前5、8和10m处设置3处水尺，用于观测壅水前渠道水深。水尺均直接刻画U形渠道内壁上，水尺零点用自动安平水准仪确定，零点为各水尺断面处渠底中心高程，水尺精度为0.001m。在椭直形量水槽后设有下游水尺，用于观测下游水深，下游水尺后方有节制闸，试验平面图见图2。

图2 试验平面图

1.3 量水槽参数设计

收缩比ε定义为喉口横断面面积Ac与渠道衬砌横断面面积A0之比，即ε=Ac/A0。量水槽设计时，首先选择收缩比，由此确定量水槽的喉口宽度，进而得到量水槽宽度，槽长设计为量水槽宽度的3～5倍。试验所设计的量水槽参数及选取的U形渠道参数见表1。

表1 量水槽及U形渠道参数表

2 流量公式的分析与建立

2.1 量纲分析

目前量水槽的流量公式，主要有经验公式和以量纲分析为理论基础的半经验公式[15,16]。本文将通过量纲分析推求流量公式。经试验和理论分析，确定影响量水槽水流过程的主要物理量有：量水槽上游水深h、喉口宽度Bc、渠口宽度B0、重力加速度g、动力黏滞系数μ。可将过槽流量写成下面的一般函数式：

Q=f(h,Bc,B0,g,μ)

(2)

式(2)中共有物理量5个，选择Bc、g、μ三个物理量作为基本物理量，则式(2)可以用3个无量纲数组成的关系式来表达，即：

有基本物理量所组成的无量纲数均等于1。因为π为无量纲数，(3)式等号右边分子与分母的量纲应该相等，则有：

[Q]=[Bc]x[g]y[μ]z

(6)

式(6)中各物理量的量纲用[L]、[T]、[M]来表示，则有：

[L3T-1]=[L]x[LT-2]y[ML-1T-1]z

(7)

式(7)两端相同量纲的指数应相等，可以得到x=2.5,y=0.5,z=0,代入(3)式可得：

用同样方法可得：

π4=h/Bc

(9)

π5=B0/Bc

(10)

根据π定理，可用π、π1、π2、π3、π4、π5组成表征量水槽自由出流的无量纲数的关系式：

π=f(1、1、1、π4、π5)

(11)

因B0/Bc为常量，所以得到：

2.2 自由出流的流量公式

式中：Q为流量，m3/s；Bc为喉口宽度，m；g为重力加速度，m/s2；h为以上游水尺断面渠底中心为零点的水深，m。

图3 相对水深与相对流量的关系

3 结果与分析

3.1 测流精度

以巴歇尔量水槽的实测流量和流量公式(14)所得的计算流量进行对比，见图4。实测流量和计算流量的平均相对误差为2.38%，最大相对误差为5.04%。通过量纲分析建立的量纲和谐流量公式具有一定的精度，可以满足灌区陡坡U形渠道的测流要求。

图4 实测流量与计算流量的比较

3.2 佛汝德数

佛汝德数是保证测流精度的一个重要条件。佛汝德数过大，上游水面波动大，上游水尺的测量误差就会增大，测流精度受到影响。因此量水槽上游水流佛汝德数不应大于0.5[17]。本试验中，用于计算佛汝德数的水尺为量水槽上游水尺，该水尺位于椭直形量水槽槽前的2倍渠深处，且此测量断面位置始终位于壅水范围之内。

从图5可以看出，试验中量水槽上游水流都呈现出缓流状态，佛汝德数小于0.56。当流量增大时，量水槽上游过水断面的流速和水深也随之增大，但水深增大的变化更快，平均动能比平均势能的增幅相对较小，佛汝德数减小缓慢。同流量时，当收缩比增大，量水槽上游过水断面的流速增大，而水深却在减小，导致平均动能与平均势能的比值增大，佛汝德数增大明显。

图5 流量与佛汝德数的关系

3.3 适宜收缩比

由图5分析，要满足量水槽上游水流佛汝德数不大于0.5的条件，对于坡度为1/100～1/200的U形渠道，收缩比应控制在0.55以下，且渠道坡度越大，收缩比的选择应越小。这与抛物线形喉口量水槽在坡度为1/200～1/300时，收缩比为0.65的结果差异较大。主要原因是对于坡度为1/100～1/200的渠道，由于坡度过陡，流速大水深小，水流为急流状态，要达到佛汝德数小于0.5的缓流状态，必须降低流速增大水深，即通过加大收缩来实现，因此量水槽适宜收缩比的选择值相对较小。

3.4 壅水高度

壅水高度定义为渠道内有和无量水槽时上游水位之差。壅水高度的计算关键是在于有量水槽的相同工况下获得无量水槽时的上游水位，这在田间试验中是很难实现的。量水槽是一个渠道障碍物，会在量水槽处产生壅水并向上游延伸，从而抬升了上游渠道的水位[18]。在坡度为1/100～1/200的U形渠道上，壅水只发生于槽前的一定距离内，且壅水发生处的水跃现象明显，因此可以用壅水前渠道水深代替无量水槽时上游水深。相比模型试验中用上游水深与下游水深之差作为计算壅水高度的方法，用量水槽上游水深和壅水前渠道水深的差值来计算壅水高度，更能如实地反映槽前壅水情况。

本试验中，在椭直形量水槽前5、8和10m处，分别设置水尺，用于观测壅水前渠道水深。由图6可以看出，壅水高度随着渠道流量的增大而增大，随着收缩比的增大而减小。因建造量水槽而引起槽前壅水应不出现渠水溢出，以保证渠道的安全运行。根据《灌溉与排水工程设计规范》的规定，渠道岸顶超高不低于20cm。本试验中，未出现壅水溢出渠道的现象，壅水高度绝大部分在20cm以下，不影响渠道的正常运行。

图6 流量与壅水高度的关系

3.5 壅水长度

对于坡度为1/100～1/200的U形渠道，正常状态下水流为急流。当建造收缩比合理的量水槽时，槽前水流由急流状态过渡到缓流状态，槽前必然会产生水跃。从跃前断面至量水槽的距离即为壅水长度。为了使壅水不影响渠道进水口的正常引水，量水槽距离渠道进口的长度即行进渠长度必须大于壅水长度。因此，壅水长度可以用来确定量水槽的建造位置。图7为不同收缩比时，流量与壅水长度的关系。壅水长度随着渠道流量的增大而增大，随着收缩比的减小而增大。

图7 流量与壅水长度的关系

本试验中对不同收缩比的壅水长度进行实测。测流范围为0.080～0.242m3/s，实测壅水长度范围为4.0～9.6m。以渠宽为测算标准，壅水长度为渠宽的5.2～14.1倍。因此对于坡度为1/100～1/200的U形渠道，椭直形量水槽的建造位置距离渠道进口应大于渠宽的15倍，这与《灌溉渠道系统量水规范》中行进渠应大于渠宽的5～15倍的规定是吻合的。

4 结 论

通过在坡度为1/100～1/200的U形渠道上进行椭直形量水槽田间试验，主要结论如下。

(1)基于量纲分析得到的相对水深与相对流量具有良好的幂函数关系，由此建立的椭直形量水槽自由出流的流量公式有一定的精度，可以满足陡坡U形渠道的测流要求。

(2)量水槽收缩比应控制在0.55以下，且相同规格渠道的坡度越大，收缩比的选择应越小。

(3)椭直形量水槽与渠道进口的距离应大于15倍渠宽，这与《灌溉渠道系统量水规范》中行进渠应大于渠宽的5～15倍的规定是吻合的。

5 不足与展望

(1)量水槽的体形要深入研究。本试验中槽长L取为槽宽的3～5倍，如何选择最优的槽体长宽比需要深入研究。

(2)田间试验与数值模拟相结合。田间试验的难度在于试验环境的多变和不可控，试验投入高，试验周期长，后期将在田间试验的基础上开展数值模拟研究。