小型渠道梯形薄壁侧堰水力特性试验.pdf

第 32 卷 第 18 期 农 业 工 程 学 报 Vol.32 No.18 2016 年 9 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep. 2016 111 小型渠道梯形薄壁侧堰水力特性试验 王莹莹，王文娥 ，胡笑涛，鬲万益 （西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，杨凌 712100） 摘 要：为研究适用于小型渠道以及田间进水口的量水设施，该文拟结合小型渠道分水闸设计体型简单的梯形薄壁侧堰， 探讨其水力特性影响因素。设计 7 种堰顶与水平方向夹角（9、6、3、0、3、6、9）的梯形侧堰，在 6 种流量 工况下进行 42 组试验，研究侧堰附近水面线、流量系数与其影响因素之间的关系、水头损失等水力特性。结果表明：建 立的水面线函数最大相对误差仅为 1.85%，满足测流精度要求；建立梯形薄壁侧堰流量与水头、堰高、堰顶角度的关系 式，其相对误差绝对值最大为 8.97%，满足测流精度要求；分析不同流量下水头损失及壅水高度，侧堰堰顶角度越大， 水头损失及壅水高度越大；得到的上游水深与流量以及侧堰堰顶角度的关系式的决定系数可达 0.9 以上，便于在量水时 根据渠道规格以及灌溉流量确定适宜的梯形侧堰堰型。该研究对梯形薄壁侧堰水力特性进行初步探索，为侧堰在灌区末 级渠道或田间进水口的推广提供参考。 关键词：渠道；流体力学；设计；梯形侧堰；水力特性；流量系数 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.18.015 中图分类号：S274.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2016)-18-0111-07 王莹莹，王文娥，胡笑涛，鬲万益. 小型渠道梯形薄壁侧堰水力特性试验J. 农业工程学报，2016，32(18)：111117. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.18.015 Wang Yingying, Wang Wene, Hu Xiaotao, Ge Wanyi. Experiment on hydraulic characteristics of trapezoidal side weir for small channelsJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(18): 111117. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.18.015 0 引 言 随着水资源的日益短缺，实行节水灌溉势在必行， 研究精度较高、适应性强、便捷性好的量水措施显得尤 为重要。目前对量水设施的研究很多，尤其是槽类量水 设施，如 U 形渠道直壁式量水槽1-2、机翼形量水槽3-4、 巴歇尔量水槽5等。整体上看，目前多数灌区量水设施不 完善，且主要应用于主干渠道，缺少适用于小型渠道以 及田间进水口的量水设施。 薄壁堰的量水精度较一般槽类量水设施高6。 侧堰是 薄壁堰的一种，安装在渠道侧边，直接与小型渠道连通， 无需改变渠道断面结构，具有体型简单、便于携带、安 装方便、精度较高等优点。De Marchi7最早对侧堰进行 研究，并提出了恒定能假定，即侧堰段矩形渠道主流断 面比能不变，为侧堰的研究奠定了基础；陈祺模等8在变 量流基本方程的基础上，对侧堰水力计算方法进行了简 化； 阿姆露赛9从流速方面出发应用微积分对梯形渠道上 侧堰出流流量公式进行了理论推导，并用试验进行了验 证，结果表明当侧堰上口宽与渠道水面宽比值 L/B1.0 时，按公式计算的理论值和实际值是吻合的。Kittur 等10 收稿日期：2015-12-15 修订日期：2016-04-10 基金项目：公益性行业（农业）科研专项（201503125） ； “十三五”国家重 点研发计划（2016YFC0400200） ；杨凌示范区科技计划项目（2015NY-30） 作者简介：王莹莹，女，河南郑州人，主要从事工程水力学研究。杨凌 西 北农林科技大学水利与建筑工程学院， 712100。 Email： isherrywyy 通信作者：王文娥，女，河南孟县人，教授，主要从事流体机械及排灌设 备等研究。杨凌 西北农林科技大学水利与建筑工程学院，712100。 Email：wangwene 对位于支渠与干渠成 90上游端的尖顶堰和宽顶堰进行 了试验，分析了水面线，指出侧堰的有效宽度比实际宽 度小于 5 cm；Ali Uyumaz 等11对矩形渠道和圆形渠道中 的侧堰进行了理论分析，得出了急流和缓流流态下的流 量系数计算公式。 2000 s 前主要是从理论分析方面对侧堰 的流量系数进行研究，要将侧堰推广到灌溉渠系中还需 进一步试验研究，国外学者在这方面做了很多的工作。 Durga 等12对矩形渠道中的矩形侧堰进行试验， 研究了流 量系数与其影响因素之间的关系，并对计算所得流量系 数从能量守恒和动量定理两方面进行检验；Ismail 等13 对不同高度和侧收缩的矩形侧堰进行试验，结果表明矩 形侧堰在不同的收缩程度下均有明显的水头流量关系； Emin 等14对顺直渠道中的矩形侧堰进行试验，得出了与 上游佛汝德数、侧堰长度与渠道宽度比值、侧堰宽度与水 深等无量纲数相关的流量系数公式， 其平均误差为 4.54%。 Emin 等15对迷宫堰进行了研究， Majid 等16对梯形侧堰流 量系数及其影响因素进行了研究。目前对多种侧堰堰型的 试验研究，主要集中在流量系数与其影响因素之间的关系 以及堰流公式的推导，对侧堰水力特性影响因素、结构优 化选型等方面研究还不深入。本文拟在缓流条件下对具有 不同堰顶角度的梯形侧堰进行试验研究，分析水面线、流 量系数、水头损失等水力特性及其影响因素，以期为侧堰 在小型末级渠道的应用推广提供理论依据。 1 梯形侧堰测流原理 侧堰结构简单，属于薄壁堰流，有较高的测流精度， 可以应用量纲和谐原理推导侧堰流量计算基本公式。过 农业工程学报（） 2016 年 112 堰流量 Q 与渠道与堰的几何参数（如图 1 所示）、水力 要素以及水流的物理性质有关，如式（1）所示。 1 ( , , , , , , , , , )Qf b P B v h gi =。 （1） 式中 Q 为过堰流量，m3/s；b 为堰宽，m；P 为堰高，m； B 为渠道宽度，m；v 为断面平均流速，m/s；h1为侧堰上 游端水深，m；g 为重力加速度，m/s2； 为动力黏度， Ns/m2； 为表面张力，N； 为密度，kg/m3；i 为渠道坡 度； 为侧堰堰顶与水平线夹角，。 注：E 为断面比能，h1和 h2为侧堰上游端和下游端水深，y1和 y2为 h1和 h2 对应的堰上水头； 为侧堰堰顶与水平面夹角，Q 为过堰流量；b 为堰宽；P 为堰高；下同。 Note: E represents specific energy, h1 and h2 represent water depth in a main channel upstream side weir and downstream side weir respectively, y1 and y2 represent flow depth above side weir corresponding to h1 and h2; represents angle between side weir crest and horizontal plane, Q represents discharge over side weir; b is weir width; P is weir height; same below. 图 1 缓流条件下梯形侧堰参数示意图 Fig.1 Definition sketch of parameters of trapezoidal side weirs under subcritical flow 当主渠道侧堰上游端堰上水头 y13 cm 时， 表面张力对 流量的影响是很小的；在紊流中，黏滞效应相比重力效应 小，本试验雷诺数 Re 变化范围为18 256Re96 950，动 力黏度 17和表面张力 18可忽略不计。另外，在本研究 中，堰宽 b、渠宽 B、渠道底坡 i 以及液体密度 均为定 值，侧堰堰顶与水平线夹角 为变量，故过堰流量关系 式可简化为 11 ( , , , )Qf P v h g=。 （2） 根据量纲分析的 定理19，结合试验对水流现象的 各水力要素分析后，确定影响侧堰流量的物理量有 P、v、 h1、g 和 ，对式（2）进行变形得 21 ( , , , , )0f Q P v h g=。 （3） 式（3）共有 6 个主定变量，选 h1、g 作为基本物理量， 其余 4 个用 h1、g 来表示，即 1234 (,)0F =。 （4） 式 中 1112 1 1 rr Q hg = ， 2122 2 1 rr P hg = ， 3132 3 1 rr v hg = ， 4142 4 1 rr hg = 。 根据量纲和谐原理19，可得指数分别为 r11=2.5， r12=0.5；r21=1，r22=0；r31=0.5，r32=0.5；r41=0，r42=0。 代入式（4）得 2 1 11 1 (, )0 QPv F hhg hg h = ， ，。 （5） 则流量公式变形为 1.51 11 1 1 (, )2 2 hPv QFbg h hbg h = ，。 （6） 在薄壁堰流中，过堰流量 Q 与堰上总水头的 3/2 次 方成比例，参照堰流水力计算基本公式，可将式（6）改为 1.51 11 1 1 (, )2 2 hPv QFbg H hbg h = ，。 （7） 故梯形侧堰流量公式为 1.5 1 2 2 3 Qm bg H= 。 （8） 式中 m 为流量系数， 11 1 (,Fr , ) P mF h =；H1为侧堰上游端 堰上总水头，H1=h1+v2/2g；Fr1为侧堰上游端佛汝德数。 综上得到梯形侧堰流量的影响因素，通过试验观测 侧堰附近水流特性，获得各工况下不同断面水深，探明 流量系数 m 及其影响因素，建立其定量关系式并代入式 （8），可得到梯形薄壁侧堰测流流量公式。 2 试验装置与方法 2.1 侧堰堰型设计 Emin 等14、Bagheri 等20对矩形侧堰水面线分析中 发现侧堰段渠道主流水面线呈上升的趋势。王佳伟等21、 王莹莹等22等在对矩形侧堰的研究中也发现了相同的规 律， 水面线倾斜角度范围为 03.5。 在实际量水工作中， 测量位置会受人为、环境等各种因素影响产生误差，导 致水深测量不准确，降低量水精度。若通过适当的措施 使得各处堰前水深相同，则能减小或消除上述误差。刘 生才等23在对斜侧堰的研究中指出，如果渠道中水流自 上游起是次临界流，那么在等截面的水平渠道中水流深 度沿侧堰增加，通过减小堰前渠道宽度来获得堰上流量 的均匀分布。本文从适当减少堰上水头不均匀性方面出 发，设计了堰顶倾斜的梯形侧堰，如图 1 所示。考虑到 矩形侧堰水面线倾斜范围为 03.5，且侧堰倾斜的堰顶 对水面线影响程度还缺乏研究。在试验中发现，当侧堰 堰顶角度为 9时，侧堰两端堰高相差较大，流量15 L/s 时，侧堰一端过水，一端形成贴壁流，在流量45 L/s 时，水面波动较大，故设定侧堰堰顶倾斜角度绝对值范 围为 09。为了研究侧堰堰顶角度对水力特性的影响， 设 3、6、9共 3 个水平，每个角度取正负 2 种（规定 侧堰角度自水平面向侧堰堰顶顺时针方向为负值，逆时 针方向为正值）对比分析，设 0（即矩形侧堰）作为对 照。侧堰靠近主渠道上游来流端堰高固定，为 15 cm，另 一端堰高随着侧堰堰顶与水平面夹角 的变化而变化，7 种不同角度（9、6、3、0、3、6和 9）下的侧 堰下游端堰高分别为 7.4、10.0、12.5、15.0、17.5、20.0、 22.6 cm， 规定梯形侧堰堰高取上游来流端堰高， 用P1表示。 2.2 试验方法 试验在西北农林科技大学北校区水工厅进行，平面 布置示意图如图 2 所示。试验系统主要由泵房、电磁流 量计、调节阀门、稳水池、混凝土矩形渠道、侧堰等组 成。试验渠道为长 12.24 m、宽 0.48 m、深 0.6 m 的矩形 明渠，主渠道末端封闭，水流全部经由侧堰泄流。 第 18 期 王莹莹等：小型渠道梯形薄壁侧堰水力特性试验 113 注：数值单位为 cm。 Note: Numerical unit is cm. 图 2 试验系统平面布置示意图 Fig.2 Plan sketch of experimental system layout 为研究侧堰附近水流水面形态等水力特性，在侧堰 附近选取 9 个断面进行了水深测量。主渠道上、下游距 离侧堰上、 下游端 20 cm 范围内每隔 10 cm 设置 1 个测量 断面，即、断面，堰上每隔 12 cm 设置 1 个断面，即断面。由于水流通过侧堰时与水流方 向垂直的水面不再保持水平，内侧水面降低，水深减小， 因此侧堰附近每个断面分别在靠近侧堰边壁、主渠道中 心线、另一边壁处设置 3 个测点，分别用、表 示。断面为侧渠道下游距侧堰 1 m 处，由于此处水面 波动较大，故测量渠道中心以及两边壁 3 处水深，取其 平均值作为该断面水深，即下游水深。各工况下共测量 30 个测点处的水深，测点位置见图 3。结合北方灌区末 级渠道灌溉条件，试验选取流量范围为 1540 L/s，流量 梯度控制在35 L/s范围内， 在6种不同流量工况 （19.54、 24.43、27.77、31.59、34.78、39.68 L/s）下，进行了矩形 渠道缓流状态下梯形侧堰自由出流试验。试验时通过调 节阀门至待测流量，待水流稳定后，按照编排好的测点 依次记录测针读数，重复测量断面 3 次，水深测 量测针读数 3 次差异小于 0.1 mm 时取其平均值，如超过 该值则重新测量。 注：代表测流控制端面；分别为主渠道靠近侧堰边壁、主渠道 中心线和主渠道远离侧堰边壁，下同。 Note: to represents measuring cross-section to , respectively; to represents side wall near side weir, centerline and side wall away from side weir in main channel, respectively, the same below. 图 3 测点示意图 Fig.3 Schematic diagram of measuring points 2.3 测定项目 1）水深：用 SCM60 型水位测针（重庆华正水文有 限公司）测量，单位为 cm，其精度为0.1 mm。 2）水面线计算方法： 陈祺模等8对侧堰段渠道主流水面曲线分析中得出 了水面线沿程变化公式 2 2 d dd d1Fr QQ K hsg s = 。 （9） 式中 h 为计算断面渠道主流水深，m；s 为侧堰始端至计 算断面距离，m；K 为小于 2.0 的系数； 为计算断面渠 道主流过水断面面积， m2；Fr/vg h=为计算断面渠道 主流佛汝德数；v 为断面平均流速，m/s。 对式（9）求二阶导数可得 2 22 d1 d2FrdFr3dd dd3ddd1Fr hQayhh Qssy hsss =+ 。（10） 式中y为侧堰堰顶水头，m；a为侧堰堰坎高度，m。 陈祺模等指出，若 2 2 d 0 d h s 3 cm，本试验堰上水头最小为 3.39 cm。 将由式（15）计算所得的流量与实际流量进行对比， 如表 2 所示。由表 2 可以看出，相对误差绝对值最大为 8.97%， 满足灌区田间特设量水设施量水精度不超过 10% 的要求24。 3.3 水头损失 实际液体在流动中由于黏滞性的存在会产生一定的 能量损失，即水头损失19。量水设施都会产生水头损 失，新建工程设计时由于水头损失将会导致工程费用 的增加24。因此，在进行量水设备的研究时，水头损失 也是必须考虑的因素之一。 表 2 梯形侧堰计算流量与实际流量对比 Table 2 Comparison between measured discharge and calculated discharge of trapezoidal side weir 计算流量 Calculated discharge/(m3?s-1) 相对误差 Relative error/% 实测流量 Measured discharge/(m3?s-1) 9 6 3 0 -3 -6 -9 9 6 3 0 -3 -6 -9 0.0195 0.02 0.02 0.02 0.020.020.020.022.55 2.4 2.49 -8 -1.22 -2.39-4.45 0.0244 0.03 0.02 0.02 0.020.020.030.022.63 -6.21-2.49 -8.53 -4.13 2.62 -4.96 0.0278 0.03 0.03 0.03 0.030.030.030.03-6.66-4.57-5.77 -8.82 -4.28 -1.59-1.07 0.0316 0.03 0.03 0.03 0.030.030.030.03-3.23-3.7 -7.57 -8.97 -7.17 -4.54-0.47 0.0348 0.04 0.03 0.03 0.030.030.030.033.73 -2.56-4.24 -8.94 -8.12 -2.67-2.33 0.0397 0.04 0.04 0.04 0.040.040.040.04-2.271.88 -5.63 -8.89 -8.82 -7.23-6.86 注：9、6、3、0、3、6、9 表示侧堰堰顶角度。 Note：9, 6, 3, 0, -3, -6, and -9 represent side weir crest angles. 分析不同体型侧堰试验结果，并计算上、下游水头 损失， 得到水头损失占上游总水头的百分比 hw/H1与流量 的关系， 如图 7 所示。 由图可看出， 当流量一定时， hw/H1 随着侧堰角度的增加而增加；当侧堰角度一定时，hw/H1 随着流量的增加而减小。 图 7 水头损失百分比随流量及侧堰堰顶角度的变化 Fig.7 Variation of percentage of head loss with discharges and side weir crest angles 3.4 上游水深h1 位于渠道连接处的侧堰，使侧渠道进口处过流断面 减小，会造成渠道上游一定程度的壅水。若上游壅水高 度过大，水流可能溢出渠道，影响渠道的正常运行。上 游水深直接反映了侧堰引起的壅水程度。图 8 给出了当 侧堰角度 分别为99时，侧堰上游水深 h1与流量 Q 的关系。由图可知，在同一侧堰下，上游水深随着流量 的增加而增加；在同一流量下，上游水深随着侧堰角度 的增加而增加。为了更好地分析上游水深与流量以及侧 堰角度的关系，在渠道灌溉时有效控制上游水深，通过 数据分析软件 SPSS 获得其关系式，如式（16）所示。由 式（16）可知，h1随着 Q 以及 的增加而增加，相关性 极好，决定系数达到 0.998。 2 1 2.5040.2230.1780.998hQR=+=，。 （16） 公式适用范围为Q0.019 m3/s，0.040 m3/s，9，9。 农业工程学报（） 2016 年 116 图 8 上游水深随流量及侧堰堰顶角度的变化 Fig