戚玉彬，張?jiān)略疲乘枴ぐ⒉粊?lái)克熱木，阿斯哈爾·托力吾巴衣

(1.伊犁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 伊寧 835000；2.伊犁州水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 伊寧 835000；3.伊寧縣水務(wù)局，新疆 伊寧 835100；4.伊寧縣農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)辦公室，新疆 伊寧 835100)

0 引 言

灌區(qū)量水技術(shù)是合理調(diào)度灌溉水、正確執(zhí)行用水計(jì)劃、加強(qiáng)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術(shù)手段[1]。目前大中型灌區(qū)斗渠以下的配水渠道已基本采用U形渠道，國(guó)內(nèi)對(duì)U形渠道的量水問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究。在灌區(qū)推廣應(yīng)用較多的是拋物線形喉口量水槽[2,3]和直臂式量水槽[4,5]，經(jīng)對(duì)比分析[6]，兩種量水槽均能滿足測(cè)流要求，但拋物線形喉口量水槽的喉口拋物線形狀復(fù)雜，直臂式量水槽水頭損失較大、阻水嚴(yán)重[7]。機(jī)翼形量水槽的研究成果也較多[8-10]，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)機(jī)翼形狀很難控制。針對(duì)半圓柱形量水槽[11,12]和圓頭量水柱[13,14]的研究，尚處在模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬階段。

對(duì)于位于山前沖積扇平原的灌區(qū)，地面坡度大，末級(jí)渠系中存在大量坡度為1/100～1/200的U形渠道，這類(lèi)渠道的量水難題尤為突出。拋物線形喉口量水槽和直臂式量水槽在坡度為1/100～1/200的U形渠道上無(wú)法使用。巴歇爾量水槽和矩形無(wú)喉道量水槽與U形渠道不配套，導(dǎo)致水面波動(dòng)大，測(cè)流精度差。另外由于灌區(qū)末級(jí)渠道橫斷面較小，《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》中推薦的小尺寸巴歇爾量水槽和矩形無(wú)喉道量水槽與末級(jí)渠道匹配率低，經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)度收縮以致阻水嚴(yán)重和收縮不夠無(wú)法形成臨界流的情況。因此，開(kāi)展坡度為1/100～1/200的U形渠道量水設(shè)施研究十分必要。

1 試驗(yàn)與方法

1.1 量水槽結(jié)構(gòu)

橢直形量水槽是一種無(wú)喉道量水槽，由收縮段和擴(kuò)散段構(gòu)成，收縮段為橢圓曲線，與U形渠道銜接自然，擴(kuò)散段為直線。量水槽可直接建造在U形渠道的兩側(cè)，量水槽底部為原渠底，建造量水槽處的底坡為原渠道比降，不改變渠道斷面形狀，施工方便。收縮段的橢圓曲線控制方程為：

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

(1)

式中：B為喉口處的量水槽寬度，B=(B0-Bc)/2，B0為渠寬，Bc為喉口寬度；L為槽長(zhǎng)。橢直形量水槽的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 量水槽構(gòu)造圖

1.2 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)地點(diǎn)位于新疆伊犁州伊寧縣托海西干渠灌區(qū)，試驗(yàn)渠道為該灌區(qū)的4條斗渠。斗渠直接從干渠取水，取水量的大小通過(guò)分水閘控制。分水閘后連接矩形渠道，在該渠段內(nèi)建有巴歇爾量水槽，均按《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》的標(biāo)準(zhǔn)尺寸建造，每個(gè)灌溉季節(jié)用流速儀法校核巴歇爾量水槽的水位流量關(guān)系。巴歇爾量水槽的喉口寬度0.5m，水尺精度為0.001m。

矩形渠道后連接U形渠道，橢直形量水槽建造在U形渠道內(nèi)。在橢直形量水槽前2倍渠深處設(shè)置上游水尺，用于觀測(cè)量水槽上游水深。在橢直形量水槽前5、8和10m處設(shè)置3處水尺，用于觀測(cè)壅水前渠道水深。水尺均直接刻畫(huà)U形渠道內(nèi)壁上，水尺零點(diǎn)用自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀確定，零點(diǎn)為各水尺斷面處渠底中心高程，水尺精度為0.001m。在橢直形量水槽后設(shè)有下游水尺，用于觀測(cè)下游水深，下游水尺后方有節(jié)制閘，試驗(yàn)平面圖見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)平面圖

1.3 量水槽參數(shù)設(shè)計(jì)

收縮比ε定義為喉口橫斷面面積Ac與渠道襯砌橫斷面面積A0之比，即ε=Ac/A0。量水槽設(shè)計(jì)時(shí)，首先選擇收縮比，由此確定量水槽的喉口寬度，進(jìn)而得到量水槽寬度，槽長(zhǎng)設(shè)計(jì)為量水槽寬度的3～5倍。試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的量水槽參數(shù)及選取的U形渠道參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 量水槽及U形渠道參數(shù)表

2 流量公式的分析與建立

2.1 量綱分析

目前量水槽的流量公式，主要有經(jīng)驗(yàn)公式和以量綱分析為理論基礎(chǔ)的半經(jīng)驗(yàn)公式[15,16]。本文將通過(guò)量綱分析推求流量公式。經(jīng)試驗(yàn)和理論分析，確定影響量水槽水流過(guò)程的主要物理量有：量水槽上游水深h、喉口寬度Bc、渠口寬度B0、重力加速度g、動(dòng)力黏滯系數(shù)μ。可將過(guò)槽流量寫(xiě)成下面的一般函數(shù)式：

Q=f(h,Bc,B0,g,μ)

(2)

式(2)中共有物理量5個(gè)，選擇Bc、g、μ三個(gè)物理量作為基本物理量，則式(2)可以用3個(gè)無(wú)量綱數(shù)組成的關(guān)系式來(lái)表達(dá)，即：

有基本物理量所組成的無(wú)量綱數(shù)均等于1。因?yàn)棣袨闊o(wú)量綱數(shù)，(3)式等號(hào)右邊分子與分母的量綱應(yīng)該相等，則有：

[Q]=[Bc]x[g]y[μ]z

(6)

式(6)中各物理量的量綱用[L]、[T]、[M]來(lái)表示，則有：

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

(7)

式(7)兩端相同量綱的指數(shù)應(yīng)相等，可以得到x=2.5,y=0.5,z=0,代入(3)式可得：

用同樣方法可得：

π4=h/Bc

(9)

π5=B0/Bc

(10)

根據(jù)π定理，可用π、π1、π2、π3、π4、π5組成表征量水槽自由出流的無(wú)量綱數(shù)的關(guān)系式：

π=f(1、1、1、π4、π5)

(11)

因B0/Bc為常量，所以得到：

2.2 自由出流的流量公式

式中：Q為流量，m3/s；Bc為喉口寬度，m；g為重力加速度，m/s2；h為以上游水尺斷面渠底中心為零點(diǎn)的水深，m。

圖3 相對(duì)水深與相對(duì)流量的關(guān)系

3 結(jié)果與分析

3.1 測(cè)流精度

以巴歇爾量水槽的實(shí)測(cè)流量和流量公式(14)所得的計(jì)算流量進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖4。實(shí)測(cè)流量和計(jì)算流量的平均相對(duì)誤差為2.38%，最大相對(duì)誤差為5.04%。通過(guò)量綱分析建立的量綱和諧流量公式具有一定的精度，可以滿足灌區(qū)陡坡U形渠道的測(cè)流要求。

圖4 實(shí)測(cè)流量與計(jì)算流量的比較

3.2 佛汝德數(shù)

佛汝德數(shù)是保證測(cè)流精度的一個(gè)重要條件。佛汝德數(shù)過(guò)大，上游水面波動(dòng)大，上游水尺的測(cè)量誤差就會(huì)增大，測(cè)流精度受到影響。因此量水槽上游水流佛汝德數(shù)不應(yīng)大于0.5[17]。本試驗(yàn)中，用于計(jì)算佛汝德數(shù)的水尺為量水槽上游水尺，該水尺位于橢直形量水槽槽前的2倍渠深處，且此測(cè)量斷面位置始終位于壅水范圍之內(nèi)。

從圖5可以看出，試驗(yàn)中量水槽上游水流都呈現(xiàn)出緩流狀態(tài)，佛汝德數(shù)小于0.56。當(dāng)流量增大時(shí)，量水槽上游過(guò)水?dāng)嗝娴牧魉俸退钜搽S之增大，但水深增大的變化更快，平均動(dòng)能比平均勢(shì)能的增幅相對(duì)較小，佛汝德數(shù)減小緩慢。同流量時(shí)，當(dāng)收縮比增大，量水槽上游過(guò)水?dāng)嗝娴牧魉僭龃螅顓s在減小，導(dǎo)致平均動(dòng)能與平均勢(shì)能的比值增大，佛汝德數(shù)增大明顯。

圖5 流量與佛汝德數(shù)的關(guān)系

3.3 適宜收縮比

由圖5分析，要滿足量水槽上游水流佛汝德數(shù)不大于0.5的條件，對(duì)于坡度為1/100～1/200的U形渠道，收縮比應(yīng)控制在0.55以下，且渠道坡度越大，收縮比的選擇應(yīng)越小。這與拋物線形喉口量水槽在坡度為1/200～1/300時(shí)，收縮比為0.65的結(jié)果差異較大。主要原因是對(duì)于坡度為1/100～1/200的渠道，由于坡度過(guò)陡，流速大水深小，水流為急流狀態(tài)，要達(dá)到佛汝德數(shù)小于0.5的緩流狀態(tài)，必須降低流速增大水深，即通過(guò)加大收縮來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此量水槽適宜收縮比的選擇值相對(duì)較小。

3.4 壅水高度

壅水高度定義為渠道內(nèi)有和無(wú)量水槽時(shí)上游水位之差。壅水高度的計(jì)算關(guān)鍵是在于有量水槽的相同工況下獲得無(wú)量水槽時(shí)的上游水位，這在田間試驗(yàn)中是很難實(shí)現(xiàn)的。量水槽是一個(gè)渠道障礙物，會(huì)在量水槽處產(chǎn)生壅水并向上游延伸，從而抬升了上游渠道的水位[18]。在坡度為1/100～1/200的U形渠道上，壅水只發(fā)生于槽前的一定距離內(nèi)，且壅水發(fā)生處的水躍現(xiàn)象明顯，因此可以用壅水前渠道水深代替無(wú)量水槽時(shí)上游水深。相比模型試驗(yàn)中用上游水深與下游水深之差作為計(jì)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來(lái)計(jì)算壅水高度，更能如實(shí)地反映槽前壅水情況。

本試驗(yàn)中，在橢直形量水槽前5、8和10m處，分別設(shè)置水尺，用于觀測(cè)壅水前渠道水深。由圖6可以看出，壅水高度隨著渠道流量的增大而增大，隨著收縮比的增大而減小。因建造量水槽而引起槽前壅水應(yīng)不出現(xiàn)渠水溢出，以保證渠道的安全運(yùn)行。根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，渠道岸頂超高不低于20cm。本試驗(yàn)中，未出現(xiàn)壅水溢出渠道的現(xiàn)象，壅水高度絕大部分在20cm以下，不影響渠道的正常運(yùn)行。

圖6 流量與壅水高度的關(guān)系

3.5 壅水長(zhǎng)度

對(duì)于坡度為1/100～1/200的U形渠道，正常狀態(tài)下水流為急流。當(dāng)建造收縮比合理的量水槽時(shí)，槽前水流由急流狀態(tài)過(guò)渡到緩流狀態(tài)，槽前必然會(huì)產(chǎn)生水躍。從躍前斷面至量水槽的距離即為壅水長(zhǎng)度。為了使壅水不影響渠道進(jìn)水口的正常引水，量水槽距離渠道進(jìn)口的長(zhǎng)度即行進(jìn)渠長(zhǎng)度必須大于壅水長(zhǎng)度。因此，壅水長(zhǎng)度可以用來(lái)確定量水槽的建造位置。圖7為不同收縮比時(shí)，流量與壅水長(zhǎng)度的關(guān)系。壅水長(zhǎng)度隨著渠道流量的增大而增大，隨著收縮比的減小而增大。

圖7 流量與壅水長(zhǎng)度的關(guān)系

本試驗(yàn)中對(duì)不同收縮比的壅水長(zhǎng)度進(jìn)行實(shí)測(cè)。測(cè)流范圍為0.080～0.242m3/s，實(shí)測(cè)壅水長(zhǎng)度范圍為4.0～9.6m。以渠寬為測(cè)算標(biāo)準(zhǔn)，壅水長(zhǎng)度為渠寬的5.2～14.1倍。因此對(duì)于坡度為1/100～1/200的U形渠道，橢直形量水槽的建造位置距離渠道進(jìn)口應(yīng)大于渠寬的15倍，這與《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》中行進(jìn)渠應(yīng)大于渠寬的5～15倍的規(guī)定是吻合的。

4 結(jié) 論

通過(guò)在坡度為1/100～1/200的U形渠道上進(jìn)行橢直形量水槽田間試驗(yàn)，主要結(jié)論如下。

(1)基于量綱分析得到的相對(duì)水深與相對(duì)流量具有良好的冪函數(shù)關(guān)系，由此建立的橢直形量水槽自由出流的流量公式有一定的精度，可以滿足陡坡U形渠道的測(cè)流要求。

(2)量水槽收縮比應(yīng)控制在0.55以下，且相同規(guī)格渠道的坡度越大，收縮比的選擇應(yīng)越小。

(3)橢直形量水槽與渠道進(jìn)口的距離應(yīng)大于15倍渠寬，這與《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》中行進(jìn)渠應(yīng)大于渠寬的5～15倍的規(guī)定是吻合的。

5 不足與展望

(1)量水槽的體形要深入研究。本試驗(yàn)中槽長(zhǎng)L取為槽寬的3～5倍，如何選擇最優(yōu)的槽體長(zhǎng)寬比需要深入研究。

(2)田間試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合。田間試驗(yàn)的難度在于試驗(yàn)環(huán)境的多變和不可控，試驗(yàn)投入高，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，后期將在田間試驗(yàn)的基礎(chǔ)上開(kāi)展數(shù)值模擬研究。