灌區(qū)梯形量水堰板開孔形狀對測流的影響分析

張勝東，楊 升

(新疆兵團勘測設(shè)計院(集團)有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830002)

1 概述

新疆獨特的氣候及地緣特征形成了“綠洲經(jīng)濟、灌溉農(nóng)業(yè)”的格局，目前農(nóng)業(yè)用水比重高達90%以上，造成新疆“三產(chǎn)”用水結(jié)構(gòu)極不合理，嚴重制約新疆經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。因此，做好灌溉節(jié)水工作是提高水資源利用效率的必由之路。新疆灌區(qū)目前存在的主要問題有：管理水平低、量水設(shè)施匱乏、技術(shù)落后，導(dǎo)致量水粗放、水費分攤、用水者節(jié)水意識差、灌區(qū)水利用率低、水資源浪費嚴重。灌區(qū)用水量缺乏有效測量和監(jiān)控，導(dǎo)致用水、節(jié)水出現(xiàn)一系列問題?？梢?，農(nóng)業(yè)灌溉的精確量水是實現(xiàn)新疆農(nóng)業(yè)節(jié)水和科學(xué)管理水資源的最基本環(huán)節(jié)。

隨著新疆按用水量收費、多用水多收費的水費制度的推進，這就要求灌區(qū)量水尤其是斗、農(nóng)渠量水必須全面實施。那么大力研究和配套結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、水頭損失小、量水精度高、能夠滿足灌區(qū)相應(yīng)實際需求的渠道量水設(shè)施已經(jīng)成為了十分迫切的任務(wù)，對灌區(qū)發(fā)展也具有重要的意義。

梯形量水堰作為一種用于明渠水流的量水設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、易于制造、測計方便等優(yōu)點，成為在斗、農(nóng)渠量水應(yīng)用最為廣泛的量水設(shè)施。而在新疆，由于灌區(qū)渠道水流都具有一定的含沙量，在很大程度上限制了梯形量水堰的應(yīng)用和推廣。在渠道上設(shè)置梯形堰后，將造成上游壅水，由于有一定的堰高，泥沙沒有輸送的通道，將會淤積在堰前，導(dǎo)致堰高減少，H/P值增大(標準梯形堰要求H/P≤2)，將對堰體流量系數(shù)的穩(wěn)定性造成干擾，使得量測精讀大為下降。泥沙淤積問題本身就是梯形量水堰的短板，因此相關(guān)規(guī)范和量水手冊對量水設(shè)施進行推薦時規(guī)定了梯形量水堰的適用性，即適于安設(shè)在含沙量較小的田間渠道上進行水的量測。那么在新疆灌區(qū)應(yīng)用梯形量水堰就必須解決泥沙淤積對量測水量的影響。

2 梯形量水堰的選取及排沙孔擬定

2.1 梯形堰幾何尺寸選取

根據(jù)SL 537—2011《水工建筑物與堰槽測流規(guī)范》中的規(guī)定，梯形薄壁堰的常見結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

本文對照室內(nèi)實際試驗?zāi)Ｐ停瑪M定的梯形量水堰結(jié)構(gòu)尺寸見表1中加粗字體所示，堰檻寬為0.75m，測流范圍為30～178(10-3m3·s-1)。

表1 梯形量水堰結(jié)構(gòu)尺寸表 單位：m

量水堰安裝過程中保持堰檻水平，堰身直立，堰身中線應(yīng)與水流軸線相吻合；堰口傾斜面朝向下游；過堰水深≤1/3或<1/10堰檻寬，上游平直蕖段長度≥10倍堰檻寬，下游平直蕖段長度≥4倍堰檻寬；欲使過堰水流為自由流，在能保持通過計劃流量的前提下，安裝時應(yīng)使堰檻高出下游水面2cm。根據(jù)本文所選的梯形量水堰尺寸，可以得出：上游平直段長度為7.5m，下游平直段長度為3.0m，渠道總長度10.5m，底坡i=1/500，糙率n=0.015。根據(jù)規(guī)范SL 537—2011，其規(guī)定斷面邊坡特定為1∶0.25(垂直:水平)，各幾何尺寸關(guān)系及各符號代表意義如圖1所示。

圖1 梯形薄壁堰幾何尺寸關(guān)系圖

梯形薄壁堰的自由出流公式如(1)式所示，

Q=1.855bh3/2

(1)

式中，Q—過堰流量，m3/s；b—堰檻寬度，m；h—堰上水深，m。

2.2 排沙孔形狀及布置

在堰高底部設(shè)置排沙孔，減免堰前淤沙，量測時不關(guān)閉排沙孔，按照排水孔(有壓流)和堰頂同時過流工況進行水量量測。本文所選用的排沙孔形狀分別為矩形和三角形，如圖2所示。其中矩形孔和三角形孔按照孔寸大小的不同又分為：矩形孔(A—D)和三角形孔(A—D)各4種形狀從小到大如圖3所示，以便更好的分析不同形狀的排沙孔對測流的影響。

圖2 兩種排沙孔的形狀及布置

圖3 兩種排沙孔的4種形狀及尺寸(單位：cm)

根據(jù)《水力學(xué)計算手冊》(第二版)規(guī)定，排沙孔的過流流量可按照孔流計算，分自由出流和淹沒出流兩種出流情況，其相應(yīng)計算公式如式(2)—(3)所示：

孔口自由出流時，孔口流量計算如下式(2)：

(2)

式中，q—自由出流時的孔口流量，m3/s；μ—流量系數(shù)，范圍為0.60～0.62；A為孔口面積，m2；g—重力加速度，大小為9.81g/m3；H為作用水頭，即上下游水頭差，m。

孔口出流為淹沒出流時，孔口流量計算如下式(3)：

(3)

淹沒出流的流量系數(shù)μv又可表示為(4)式：

(4)

式中，qv—自由出流時的孔口流量，m3/s；μ—流量系數(shù)，φ—淹沒孔口的流速系數(shù)；ξ1—孔口的局部阻力系數(shù)，通常取0.06；ε—斷面的收縮系數(shù)，范圍為0.62～0.64；A—孔口面積，m2；g—重力加速度，大小為9.81g/m3；H—作用水頭，即上下游水位差，m。

本文孔口出流中自由出流的流量系數(shù)最終取0.62，淹沒出流的流量系數(shù)經(jīng)計算最終為0.6022。

3 梯形堰排沙孔流量數(shù)據(jù)分析

3.1 不同形狀的排沙孔流量統(tǒng)計(矩形孔)

本文在堰上水深h分別為0.1、0.15、0.2、0.25m 4種情況下，按照自由出流和淹沒出流兩種工況進行流量計算并分析，將不同形狀的矩形排沙孔的過流流量進行統(tǒng)計見表2—3。

不同工況下的4種矩形孔在不同水頭下的流量占比影響如圖4—5所示。

通過表2、表3結(jié)合圖4—5可以看出，自由出流與淹沒出流2種工況下的堰流和孔流相差并不明顯，矩形孔的開孔大小對孔流占比影響較大，矩形孔面積大小關(guān)系為：矩形孔A<矩形孔B<矩形孔C<矩形孔D，當排沙孔由矩形孔A增大到矩形孔C時，隨著矩形孔的開孔面積的增大，同一水頭下的孔流流量也逐漸增大，孔流流量占比由19.78%增大到了28.29%，另外，可以看出排沙孔面積由矩形孔C增大到矩形孔D時，孔流對堰流的占比發(fā)生了較為明顯的突變，孔流流量占比由28.29%增大到了44.11%，可知，開孔高度影響孔流對堰流的占比較為明顯，開孔高度的增加對孔流占比的影響比開孔寬度的增加更為顯著，可以將矩形孔C的尺寸確定為影響堰上測流的矩形孔臨界尺寸。

表2 梯形堰矩形孔自由出流

表3 梯形堰矩形孔淹沒出流

圖4 兩種工況下矩形孔大小對堰流量的影響

由圖5可以看出，對于同一形狀的矩形孔，隨著上游水頭的增大，其孔流流量也逐漸增大，淹沒出流與自由出流二者的變化并不明顯，矩形孔D的孔流流量最大。

圖5 兩種工況下4種矩形孔流量關(guān)系

3.2 不同形狀的排沙孔流量統(tǒng)計(三角形孔)

自由出流與淹沒出流兩種工況下的堰流和孔流相差并不明顯，三角孔的開孔大小對孔流占比影響較大，見表4—5，如圖6—7所示，。三角孔面積大小關(guān)系為：三角孔A<三角孔B<三角孔C<三角孔D，當排沙孔由三角孔A增大到三角孔C時，隨著三角孔的開孔面積的增大，同一水頭下的孔流流量也逐漸增大，孔流流量占比由10.98%增大到了16.48%，另外，可以看出排沙孔面積由三角孔C增大到三角孔D時，孔流對堰流的占比發(fā)生了較為明顯的突變，孔流流量占比由16.48%增大到了28.29%，可知，開孔高度影響孔流對堰流的占比較為明顯，開孔高度的增加對孔流占比的影響比開孔寬度的增加更為顯著，可以將三角孔C的尺寸確定為影響堰上測流的三角孔臨界尺寸。

表4 梯形堰三角形孔自由出流

表5 梯形堰三角形孔淹沒出流

圖6 兩種工況下三角孔大小對堰流量的影響

由圖7可以看出，對于同一形狀的三角孔，隨著上游水頭的增大，其孔流流量也逐漸增大，淹沒出流與自由出流二者的變化并不明顯，三角孔D的孔流流量最大。

圖7 兩種工況下4種三角孔流量關(guān)系

4 結(jié)論

通過梯形量水堰尺寸的選取，排沙孔形狀的布置及梯形堰排沙孔的流量數(shù)據(jù)分析，在自由出流與淹沒出流兩種工況下的流量計算，發(fā)現(xiàn)堰流和孔流相差并不明顯，矩形孔、三角孔的開孔大小對孔流占比影響較大，開孔高度影響孔流對堰流的占比較為明顯，開孔高度的增加對孔流占比的影響比開孔寬度的增加更為顯著。