灌区渠道梯形侧堰水力特性研究.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程V o l ,N o 年月H y d r oS c i e n c ea n dC o l dZ o n eE n g i n e e r i n gS e p,刘先何灌区渠道梯形侧堰水力特性研究J水利科学与寒区工程,():灌区渠道梯形侧堰水力特性研究刘先何(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司,新疆 乌鲁木齐 )摘要:为研究灌区田间进水口和末级渠道适用的量水设施,采用试验方法设计出体型简单的梯形薄壁侧堰模型,并在渠道梯形侧堰堰顶和水平面夹角分别取、和 以及不同流量工况下,对侧堰周围水面线、流量系数、水头损失等参数值展开计算,并对各自的影响因素进行了分析探讨.结果表明,所构建的水面线函数以及梯形薄壁侧堰流量和水头、堰顶角度及堰高关系式均满足测流精度要求;不同流量下,壅水高度和水头损失随侧堰堰顶角度的增大而增大,且上游流量和水深及侧堰堰顶角度的关系式决定系数高达 以上,有助于结合渠道实际情况和灌溉流量确定出合适的梯形薄壁侧堰堰型.关键词:灌区渠道;梯形侧堰;测流;水力特性;流量系数中图分类号:T V 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:刘先何(),男,新疆石河子人,助理工程师,从事水利水电工作.E m a i l:l x h c o m.研究方法该灌区渠道梯形侧堰结构简单,且为薄壁堰流,测流精度高,为此,其侧堰流量通过量纲和谐原理进行推导.过堰流量主要受渠道和侧堰几何参数(详见图)、水流物理性质、水力要素等的影响,函数关系式可表示如下():Qf b,P,B,v,h,g,i,()()式中:Q为灌区渠道过堰流量,m/s;b、P为渠道梯形侧堰宽度和高度,m;B为渠道宽度,m;v为断面流速均值,m/s;h为渠道梯形侧堰上游水深,m;g为 重力加速度,m/s;为 动 力 黏度,Ns/m;为渠道梯形侧堰表面张力,N;为密度,k g/m;i为渠道坡度;为渠道梯形侧堰堰顶和水平面夹角,().在渠道梯形侧堰上游堰上水头y c m的情况下,渠道过堰流量受表面张力的影响很小,黏滞效应也比重力效应小,故雷诺数在 之间变化,表面张力及动力黏度等均忽略不计.此外,该渠道梯形侧堰宽度、渠道宽度、底坡等均取定值,则式()简化如式()所示.QfP,v,h,g,()()注:E为渠道梯形侧堰断面比能;h为梯形侧堰下游端水深;y为与h对应的堰上水头;y为与h对应的堰上水头.图缓流条件下梯形侧堰水力参数按照量纲分析定理,在综合分析渠道梯形侧堰水力要素的基础上,灌区渠道梯形侧堰流量公式如式():QmbgH/()式中:m为流量系数mFPH,F r,;F r为灌区渠道梯形侧堰上游弗汝德数;H为灌区渠道梯形侧堰上游总水头,Hhvg.通过分析灌区渠道梯形侧堰流量的影响因素,在对侧堰周围水流特性展开试验观测的基础上,得到不同工况下相应的断面水深,进而推导出流量系数表达式及影响因素,最终得到灌区渠道梯形侧堰流量计算公式.试验设计本试验在已有矩形侧堰水力特性研究成果的基础上,结合灌区渠道侧堰运行实际,设计出梯形薄壁侧堰试验模型,其侧堰板顶和水平面呈一定夹角,为展开比较,夹角取、和;侧堰一端高度固定为 c m,另一端 高 度 则 根 据 角 度 的 变 化 而 定,分 别 取 c m、c m、c m、c m,侧堰宽度均按照 c m取值.试验过程中侧堰主要采取正 向 放 置 方 式(见 图),以 展 开 水 力 特 性试验.图侧堰正向放置方式(单位:c m)水力学试验在工程所在的省水利研究院重点实验室展开.该水力试验主要采取水泵供水,水流由控制阀门调节,入口水流则通过稳水池进行稳定;水流流经矩形渠道并经侧堰泄流,经由回水渠最终 流 入 蓄 水 池 内.矩 形 试 验 渠 道 尺 寸 为 m m m(长宽深),渠道上游来水流量在侧堰段便发生分流,部分流量由侧堰下泄至侧渠道,部分流量则由主渠道下泄.其中,上游来水流量和由主渠道下泄的流量分别通过电磁流量计和三角堰量测,过堰流量为两者之差.试验水深则通过精度为 mm的水位测针测量.为展开渠道梯形侧堰段主渠道水流的弗汝德数、水面 形 态 等 水 力 特 性 研 究,在 侧 堰 上 按 照 c m间隔设置水深测量断面.考虑到侧堰所处位置,主渠道侧堰和水流流向垂直面无法保持水平关系,随着两者距离的不同,水深也表现出较大差异.故在侧堰周围每个断面的临近侧堰边壁、主渠道中心线、另一边壁等处设置测点,并依次标记为()侧、()侧和()侧.断面和分别位于主渠道与侧堰上游端相距 c m处以及侧渠道与侧堰相距 c m处,分别以两处断面实测水深为侧堰上下游水深(测点设置情况详见图).结合该灌区末级渠道灌溉实际,将试验流量范围设定在 L/s内,在 L/s、L/s、L/s、L/s、L/s、L/s、L/s等流量工况下,展开缓流时渠道梯形侧堰自由出流试验,并对断面水深等水力参数展开量测分析.图渠道梯形侧堰测点设置情况(单位:c m)试验结果分析 水面线一定水流流量通过明渠时,因渠道上下游进出口处和渠道中建筑物边界条件不同,渠道内水流形成的水面线也并不相同.为展开该灌区渠道梯形侧堰下渠道水流水力特性的分析,必须先得出不同工况下水面线.在过堰流量取 L/s,侧堰正向放置的工况下主渠道侧堰段()侧、()侧、()侧水面线具体见图,图中横坐标为与侧渠道中心线的距离,以主渠道水流流向为正向;纵坐标为测点水深.根据图中结果,过堰流量相同的情况下,不同侧堰水面线全部为壅水曲线;且对于相同侧堰的不同测点而言,在相同流量下,水深随着侧堰角度的增大而增加;在侧堰角度相同时,侧堰边壁()侧水深比()侧和()侧小,但波动更为剧烈.当第期刘先何灌区渠道梯形侧堰水力特性研究渠道梯形侧堰堰顶和水平面夹角 时,侧堰边壁()侧断面处的水面线较为平稳,而断面处的水面线快速升高;当渠道梯形侧堰堰顶和水平面夹角 时,侧堰边壁()侧水面线快速升高.综合以上结果可知,水平面倾斜角范围位于 ,与矩形渠道梯形侧堰倾斜角相比,有所减小,表明梯形侧堰堰顶倾斜设置能降低水面线倾斜程度.图不同堰高下水面线(过堰流量 L/s)根据分析结果,梯形侧堰边壁()侧、()侧、()侧水面线波动均不显著,且基本呈线性变化趋势.由于梯形侧堰段主流水面线最能体现侧堰水力特性,故展开侧堰边壁()侧断面水面线分析,限 于 篇 幅,此 处 仅 列 示 过 堰 流 量 为 L/s的分析结果.根据表结果,主渠道侧堰边壁()侧水面线计算值和实测值十分接近,相对误差在 以内.流量系数流量系数值主要与灌区渠道梯形侧堰上游弗表主渠道侧堰边壁()侧断面断面处水深实测值与计算值(过堰流量 L/s)/()水深实测值/c m水深计算值/c m相对误差/汝德数、灌区渠道梯形侧堰上游总水头、渠道梯形侧堰堰顶和水平面夹角、侧堰高度等有关,流量系数与主要影响因素的关系曲线见图.从图中内容可以看出,随着渠道梯形侧堰堰顶和水平面夹角的变化,流量系数表现出不同的变动规律.具体而言,当 时,流量系数随P/h的增大而增大,且夹角越小,增幅越大;而当 时,流量系数随P/h的增大而减小,夹角越小,降幅越大.随着弗汝德数的变化,流量系数也表现出不同的变动趋势规律.当 时,流量系数随弗汝德数的增大而减小,且夹角越小,降幅越大;相反,当 时,流量系数随弗汝德数的增大而增大,夹角越大,增幅也越大.应用S P S S分析软件进行m与P/h、F r等主要影响因素关系曲线的拟合,如式():m P/h F r ,R ()图流量系数与主要影响因素的关系曲线水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷将式()代入式()可以得出过堰流量的计算公式,如式():Q(P/h F r )bgH/()将该灌区渠道梯形侧堰相关参数取值代入式()进行过堰流量计算,将计算结果和实测值展开对比,具体见表.根据表中计算结果,过堰流量计算值和实测值相对误差最大为 ,符合灌区渠道量水设施量水精度要求.表过堰流量计算值和实测值的比较实测流量/Ls计算流量/Ls相对误差/水头损失水流在渠道内流动的过程中会因黏滞性的作用而产生能量损失,即为水头损失,按照水流流动边界形状沿程变化及主流脱离固体边界后是否形成漩涡,可将水头损失分成局部水头损失和沿程水头损失两种.灌区量水设施均存在一定程度的水头损失,水头损失的存在必然会增大工程费用,故灌区渠道梯形侧堰水力特性研究时必须考虑水头损失.以渠道底部所在平面为侧堰水头损失分析时的基准面,并以主渠道侧堰上、下游端面为控制端面,能量方程列示如式():hwh上h下v上gv下g()式中:hw灌区渠道梯形侧堰上下游水头损失,m;h上侧堰上游端水深,m;h下侧堰上游端水深,m;、总流与上、下游水平面夹角,();v上、v下侧堰上、下游端断面流速均值,m/s.将该灌区渠道工程相关参数取值代入式()可以得出总水头中水头损失占比随流量变化的趋势关系.根据对关系曲线的分析,在渠道梯形侧堰堰顶和水平面夹角以及过堰流量的影响下,水头损失占比在 之间变动,变幅较大.对于渠道梯形侧堰堰顶和水平面夹角相同的情况下,水头损失占比随流量增大而减小,且当过堰流量 L/s时,降 幅 明 显;而 当 过 堰 流 量 L/s时,降幅减小,表明当渠道水流流量增大到一定程度后,过堰流量对水头损失占比的影响程度较小.结论综上所述,薄 壁 堰 因 体 型 简 单,量 测 方 便,在灌区渠道中应用广泛.为展开灌区渠道梯形侧堰水力特征研究,本文应用了试验分析方法,对不同宽度、不同高度梯形侧堰在不同流量工况下自由出流过程展开试验模拟.通过绘制不同测点水面线,分析概括了不同流量下侧堰周围主渠道近堰边壁、渠道中心线及另一边壁水面线差异的原因;流量系数与主要影响因素之间存在较好的定量关系和相关性;所得出的流量公式计算简单,精度高,完全能满足灌区量水设施测流精度方面的要求.参考文献:王学贤,陆庆楠,庄铁钢,等矩形侧堰水力性能参数研究J节水灌溉,():王莹莹,王文娥,胡笑涛,等矩形薄壁侧堰水力特性试验研究J灌溉排水学报,():王莹莹,王文娥,胡笑涛矩形渠道梯形薄壁侧堰水力特性试验研究J中国农村水利水电,():王莹莹,王文娥,胡笑涛,等矩形渠道薄壁侧堰水力特性试验及数值模拟J水力发电学报,():第期刘先何灌区渠道梯形侧堰水力特性研究