不同底坡矩形明渠跌水流量測(cè)算模型試驗(yàn)結(jié)果

喬丹 諶霞 馬鵬 陳小攀

摘要：對(duì)跌水測(cè)流的研究，主要集中在坡度和糙率對(duì)EDR（跌坎水深與臨界水深之比）值的影響以及流量計(jì)算公式等方面。但也存在一些問題，比如缺乏針對(duì)負(fù)坡和陡坡渠道跌水的研究等。通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)不同坡度的矩形明渠自由跌水的EDR 值以及流量公式進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：在明渠糙率n=0.009時(shí)，EDR 值隨著明渠底坡S 的增加而減小，并給出了EDR 與S 及明渠單寬流量q 之間的經(jīng)驗(yàn)公式； EDR 值隨來流弗勞德數(shù)Fr0的增加而呈指數(shù)規(guī)律減??；通過理論推導(dǎo)給出了EDR 與跌坎斷面水流弗勞德數(shù)Fre之間的關(guān)系方程，并利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)此關(guān)系進(jìn)行了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：矩形明渠；自由跌水；測(cè)流；EDR 值；模型試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TV131文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）05-00156-04

Experimentalresultsof flowcalculationmodelwithfreeoverfallinrectangularopenchannelwithdifferentslopes

QIAO Dan1，SHEN Xia2，MA Peng3，CHEN Xiaopan4

（1. Yangling Vocational Technical College，Yangling 712100，Shaanxi China；2. Northwest A&F University，College of Water Resources and Architectural Engineering，Yangling 712100，Shaanxi China；3. China Metallurgical Group Northwest Geotechnical Engineering Co.， Ltd.，Xi'an 710061，China；4. Henan Tianchi Pumped Storage Power Co.， Ltd.，Nanyang 473000，Henan China）

Abstract： At present，the study of flow measurement with free overfall is mainly concentrated on the effect of theslope and roughness on the EDR value and the calculation formula of the flow. But there are still some problems， such as lacking the researches on free overfallin the negative slope and steep channels. The model test and numeri? cal simulation wereappllied to study the EDR value and the flow formulas of free overfallin rectangular open chan? nels with different slopes. The results show that with the open channel roughness n=0.009，EDR decreases with theincrease of the channel bottom slope S. The empirical formula between EDR and S and open channel unit dischargeq is given. EDR decreases exponentially with increasing inflow Froude number. The relationship between EDR andFroude number at the drop is obtained by theoretical derivation，which is verified by the experimental data and nu? merical simulation results.

Keywords： rectangular open channel；free overfall；flow measurement；EDR value；unit discharge

隨著水資源的日益緊缺和我國(guó)灌區(qū)管理體制的不斷改革，灌區(qū)用水的精確量測(cè)變得尤為重要。在修建灌溉渠系工程時(shí)，跌水常作為上下游水流銜接的落差建筑物而被應(yīng)用其中。在明渠中設(shè)置跌坎后，形成自由跌水現(xiàn)象，明渠水流由緩流轉(zhuǎn)變?yōu)榧绷?，水流由正常水深變?yōu)樾∮谂R界水深，則在跌水的上游某一位置必然出現(xiàn)了臨界水深[1-2]。而明渠水流臨界水深與流量之間存在著定量關(guān)系，是確定流量的一個(gè)重要參數(shù)。跌水時(shí)，渠道中臨界水深位置雖難以確定，但跌坎邊緣的水深易于測(cè)量，因此，如能尋求到臨界水深與跌坎末端水深二者之間的關(guān)系，便可利用其求解流量，實(shí)現(xiàn)明渠跌水測(cè)流[3-5]。對(duì)此， Rouse 首次在水平光滑矩形渠道上進(jìn)行了大量的自由跌水試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)跌坎末端水深與臨界水深的比值，即EDR（End Depth Ratio）值，近似為一固定值，當(dāng)水流弗勞德數(shù)Fr=1時(shí)，該比值為0.715。隨后，眾多學(xué)者又對(duì)明渠自由跌流進(jìn)行了大量研究[6-10]，主要關(guān)注于明渠底坡S和邊壁曼寧糙率n 對(duì)EDR 的影響，并依據(jù)試驗(yàn)值得出了EDR 值的計(jì)算公式，但并未給出流量計(jì)算公式?；跓o量綱和回歸分析的方法，Davis 及?ahnaz提出了EDR 與底坡S 和邊壁糙率n 的經(jīng)驗(yàn)公式；但渠道底坡很小，因此其應(yīng)用受到限制。

為解決上述方法中存在的問題，本文采用模型試驗(yàn)的方法，結(jié)合數(shù)值模擬，針對(duì)不同底坡S 對(duì)矩形明渠跌水跌流的影響進(jìn)行研究，提出了矩形明渠 EDR 值及單寬流量q 與渠道底坡S 之間的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，EDR 值分別與弗勞德數(shù)Fr0和跌坎弗勞德數(shù)Fre之間的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與工況

試驗(yàn)裝置主要由儲(chǔ)水池、動(dòng)力裝置（水泵）、回水系統(tǒng)和矩形渠道4個(gè)部分組成。試驗(yàn)渠道底部及邊壁采用鋼化玻璃（曼寧粗糙系數(shù)n=0.009，即光滑渠道）。渠道長(zhǎng)度為14.50 m，寬度為0.30 m，高度為0.40 m。在渠道上游的供水箱內(nèi)設(shè)置穩(wěn)水柵，以使水流平穩(wěn)進(jìn)入渠道。

為了補(bǔ)充試驗(yàn)數(shù)，并更全面的了解明渠內(nèi)水流的各水力特性，本文采用三維模型對(duì)矩形明渠的自由跌水進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，選擇的渠道的長(zhǎng)度為40 m，明渠的寬度為0.3 m，渠道高度根據(jù)具體計(jì)算流量而定，為0.1～1.0 m；跌落水舌不受限制，所以在跌坎處兩側(cè)各外擴(kuò)0.15 m，跌坎下游的渠道的寬度為0.6 m，跌坎高度為0.6 m，下游段的長(zhǎng)度對(duì)模擬結(jié)果的影響不大，因此可以短一些，取為5 m。計(jì)算模型如圖1所示（以渠道高度0.4 m為例）。

試驗(yàn)及數(shù)值模擬中改變流量Q 和渠道底坡S，設(shè)置了39個(gè)試驗(yàn)工況，50個(gè)數(shù)值模擬計(jì)算工況，共計(jì)89個(gè)工況；試驗(yàn)及數(shù)值模擬計(jì)算工況表具體如表1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 EDR 值與渠道底坡的關(guān)系

EDR 值的確定是明渠自由跌水測(cè)流的關(guān)鍵。 EDR 定義為明渠自由跌水跌坎處坎末水深he 和臨界水深hc之間的比值，即：

另外，有計(jì)算公式：

式中：q 為單寬流量；g 為重力加速度。

由式（1）可知，只要測(cè)定明渠跌坎的坎末水深he，即可根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算出明渠的流量。

由式（1）還可知，跌坎水深he 與臨界水深hc的比值即為EDR 值，現(xiàn)將表1中所列不同坡度及流量下的he 與hc數(shù)據(jù)點(diǎn)繪于圖2中，可以直觀的了解二者之間的關(guān)系，從而易于確定EDR值。

從圖2可以看出，對(duì)于同一底坡的渠道而言，當(dāng)流量增大時(shí)，he 隨hc線性增大，所給直線即為同一坡度下he 與hc的擬合關(guān)系曲線（線性相關(guān)系數(shù)均在99%以上），該直線的斜率為he/hc，即EDR 值。由此可知，對(duì)于某一坡度的渠道而言，EDR 近似為一定值。將不同坡度下的EDR擬合值點(diǎn)繪于圖3中，即為EDR 隨渠道底坡變化情況。

從圖3可以看出，負(fù)坡渠道的EDR 值大于平坡和正坡，并且負(fù)坡坡度越大，EDR 值越大。對(duì)于正坡渠道，當(dāng)坡度S 小于0.05時(shí)，EDR 值隨著坡度的增大快速減?。划?dāng)坡度S 大于0.05時(shí)，EDR 值隨著坡度的增大緩慢減小。擬合得到 EDR 關(guān)于底坡 S 的表達(dá)式為：

式（3）與實(shí)際數(shù)據(jù)的相關(guān)性較高，復(fù)相關(guān)系數(shù) R2=97.06%。得出EDR 的計(jì)算公式后，便可由此來確定渠道中的流量，聯(lián)立式（1）、式（2），整理可得：

將式（3）代入式（4）中，整理可得單寬流量（q）的計(jì)算公式：

式（5）表明，在某一底坡S 已知的矩形渠道中，通過測(cè)量跌坎水深he便可計(jì)算出渠道的水流流量。引用底坡S=0.0084和S=0.0214的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，由式（5）計(jì)算得到的渠道流量與實(shí)測(cè)值的誤差較小，相對(duì)誤差均小于±10%，說明式（5）是合理的。

圖4為式（5）計(jì)算得到的渠道單寬流量與實(shí)測(cè)值的關(guān)系散點(diǎn)圖。

從圖4可以看出，散點(diǎn)幾乎都落在線性曲線附近，這進(jìn)一步表明了用式（5）預(yù)測(cè)光滑矩形明渠的流量是合理的。

2.2 EDR 與弗勞德數(shù)的關(guān)系

本試驗(yàn)的正坡渠道中各流量下的水流流態(tài)均為急流（Fr ＞1），而文獻(xiàn)[19]、文獻(xiàn)[20]中指出在明渠流態(tài)為急流時(shí)，EDR 值還與水流弗勞德數(shù)Fr 有關(guān)。因此，本文對(duì)EDR 值與來流弗勞德數(shù)Fr0以及跌坎處水流弗勞德數(shù)Fre之間的關(guān)系進(jìn)行分析研究。

2.2.1 EDR 與來流弗勞德數(shù)Fr0之間的關(guān)系

在負(fù)坡和平坡渠道中，未能形成均勻流，渠道中的水深沿程逐漸減小，因此無法確定其來流弗勞德數(shù)；而在正坡渠道中，由于渠道上游產(chǎn)生了均勻流，其弗勞德數(shù)基本不變，因此可將上游均勻流段的平均弗勞德數(shù)作為渠道中水流來流弗勞德數(shù)Fr0。試驗(yàn)所得不同底坡渠道（S＞0）在不同流量下的來流弗勞德數(shù)Fr0與EDR值之間的關(guān)系如圖5所示。

從圖5可以看出，在正坡渠道中，EDR 與來流弗勞德數(shù)Fr0之間存在很好的對(duì)數(shù)關(guān)系，二者之間的關(guān)系式為：

二者之間相關(guān)性良好，復(fù)相關(guān)系數(shù)R2=98.5%。

選用底坡S=0.0084和S=0.0214的渠道分別在4個(gè)不同流量下工況作為預(yù)測(cè)組，對(duì)以上二式進(jìn)行驗(yàn)證。圖6為式（6）的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比情況。

（6）andthe test value

從圖6可以看出，用式（6）計(jì)算所得的EDR 值與試驗(yàn)所得EDR 值吻合良好，并具有較高的準(zhǔn)確性。因此，在已知弗勞德數(shù)Fr0的情況下，可用式（6）計(jì)算正坡渠道EDR值，從而計(jì)算渠道流量。

2.2.2 EDR 與跌坎弗勞德數(shù)Fre之間的關(guān)系

跌坎附近水流流態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致其跌坎處水深減小，而 EDR 與跌坎處水深有直接相關(guān)。因此， EDR 與跌坎處弗勞德數(shù)Fre之間存在著一定的關(guān)系，二者的關(guān)系推導(dǎo)如下：

式中：b 為渠道的寬度，0.3 m；q 為單寬流量，m2/s；g 為重力加速度，m/s2。

由式（7）可得：

將式（7）代入式（8），整理可得：

聯(lián)合式（8）和式（9）便可得到 EDR 與Fre的關(guān)系式：

Fre2成反比關(guān)系。

圖7為進(jìn)一步驗(yàn)證了所推導(dǎo)的EDR 與1之間的關(guān)系結(jié)果。

（1）根據(jù)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算所得數(shù)據(jù)，擬合得到了各底坡渠道的EDR值。結(jié)果表明，負(fù)坡渠道的EDR值最大，并且負(fù)坡坡度越大，EDR 值越大；對(duì)于正坡渠道而言，隨著坡度的不斷增大，EDR 值先快速減小再緩慢減小。并擬合出EDR 與渠道坡度S 的之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，從而得到單寬流量q 的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，應(yīng)用范圍為0.0112< S <0.158.n0.009，并利用預(yù)測(cè)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算值與試驗(yàn)值基本一致，具有較高的計(jì)算精度；

（2）由試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù)得到了正坡渠道的 EDR 與來流弗勞德數(shù)Fr0之間的關(guān)系：EDR 值隨著Fr0的增加而呈對(duì)數(shù)規(guī)律減??；并擬合得到了二者之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，此關(guān)系式可在已知Fr0的情況下計(jì)算 EDR值，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果均吻合良好；

（3）通過理論推導(dǎo)得到了EDR值與跌坎處弗勞德數(shù)Fre之間的關(guān)系式，結(jié)果表明：EDR 值與3呈反比；并用試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證。

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