灌区梯形量水堰板开孔形状对测流的影响分析

2023-02-15张胜东

水利技术监督 2023年1期

张胜东，杨升

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆乌鲁木齐 830002)

1 概述

新疆独特的气候及地缘特征形成了“绿洲经济、灌溉农业”的格局，目前农业用水比重高达90%以上，造成新疆“三产”用水结构极不合理，严重制约新疆经济的可持续发展。因此，做好灌溉节水工作是提高水资源利用效率的必由之路。新疆灌区目前存在的主要问题有：管理水平低、量水设施匮乏、技术落后，导致量水粗放、水费分摊、用水者节水意识差、灌区水利用率低、水资源浪费严重。灌区用水量缺乏有效测量和监控，导致用水、节水出现一系列问题。可见，农业灌溉的精确量水是实现新疆农业节水和科学管理水资源的最基本环节。

随着新疆按用水量收费、多用水多收费的水费制度的推进，这就要求灌区量水尤其是斗、农渠量水必须全面实施。那么大力研究和配套结构简单、操作便捷、水头损失小、量水精度高、能够满足灌区相应实际需求的渠道量水设施已经成为了十分迫切的任务，对灌区发展也具有重要的意义。

梯形量水堰作为一种用于明渠水流的量水设备具有结构简单、造价低廉、易于制造、测计方便等优点，成为在斗、农渠量水应用最为广泛的量水设施。而在新疆，由于灌区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应用和推广。在渠道上设置梯形堰后，将造成上游壅水，由于有一定的堰高，泥沙没有输送的通道，将会淤积在堰前，导致堰高减少，H/P值增大(标准梯形堰要求H/P≤2)，将对堰体流量系数的稳定性造成干扰，使得量测精读大为下降。泥沙淤积问题本身就是梯形量水堰的短板，因此相关规范和量水手册对量水设施进行推荐时规定了梯形量水堰的适用性，即适于安设在含沙量较小的田间渠道上进行水的量测。那么在新疆灌区应用梯形量水堰就必须解决泥沙淤积对量测水量的影响。

2 梯形量水堰的选取及排沙孔拟定

2.1 梯形堰几何尺寸选取

根据SL 537—2011《水工建筑物与堰槽测流规范》中的规定，梯形薄壁堰的常见结构尺寸见表1。

本文对照室内实际试验模型，拟定的梯形量水堰结构尺寸见表1中加粗字体所示，堰槛宽为0.75m，测流范围为30～178(10-3m3·s-1)。

表1 梯形量水堰结构尺寸表单位：m

量水堰安装过程中保持堰槛水平，堰身直立，堰身中线应与水流轴线相吻合；堰口倾斜面朝向下游；过堰水深≤1/3或<1/10堰槛宽，上游平直蕖段长度≥10倍堰槛宽，下游平直蕖段长度≥4倍堰槛宽；欲使过堰水流为自由流，在能保持通过计划流量的前提下，安装时应使堰槛高出下游水面2cm。根据本文所选的梯形量水堰尺寸，可以得出：上游平直段长度为7.5m，下游平直段长度为3.0m，渠道总长度10.5m，底坡i=1/500，糙率n=0.015。根据规范SL 537—2011，其规定断面边坡特定为1∶0.25(垂直:水平)，各几何尺寸关系及各符号代表意义如图1所示。

图1 梯形薄壁堰几何尺寸关系图

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—过堰流量，m3/s；b—堰槛宽度，m；h—堰上水深，m。

2.2 排沙孔形状及布置

在堰高底部设置排沙孔，减免堰前淤沙，量测时不关闭排沙孔，按照排水孔(有压流)和堰顶同时过流工况进行水量量测。本文所选用的排沙孔形状分别为矩形和三角形，如图2所示。其中矩形孔和三角形孔按照孔寸大小的不同又分为：矩形孔(A—D)和三角形孔(A—D)各4种形状从小到大如图3所示，以便更好的分析不同形状的排沙孔对测流的影响。

图2 两种排沙孔的形状及布置

图3 两种排沙孔的4种形状及尺寸(单位：cm)

根据《水力学计算手册》(第二版)规定，排沙孔的过流流量可按照孔流计算，分自由出流和淹没出流两种出流情况，其相应计算公式如式(2)—(3)所示：

孔口自由出流时，孔口流量计算如下式(2)：

(2)

式中，q—自由出流时的孔口流量，m3/s；μ—流量系数，范围为0.60～0.62；A为孔口面积，m2；g—重力加速度，大小为9.81g/m3；H为作用水头，即上下游水头差，m。

孔口出流为淹没出流时，孔口流量计算如下式(3)：

(3)

淹没出流的流量系数μv又可表示为(4)式：

(4)

式中，qv—自由出流时的孔口流量，m3/s；μ—流量系数，φ—淹没孔口的流速系数；ξ1—孔口的局部阻力系数，通常取0.06；ε—断面的收缩系数，范围为0.62～0.64；A—孔口面积，m2；g—重力加速度，大小为9.81g/m3；H—作用水头，即上下游水位差，m。

本文孔口出流中自由出流的流量系数最终取0.62，淹没出流的流量系数经计算最终为0.6022。

3 梯形堰排沙孔流量数据分析

3.1 不同形状的排沙孔流量统计(矩形孔)

本文在堰上水深h分别为0.1、0.15、0.2、0.25m 4种情况下，按照自由出流和淹没出流两种工况进行流量计算并分析，将不同形状的矩形排沙孔的过流流量进行统计见表2—3。

不同工况下的4种矩形孔在不同水头下的流量占比影响如图4—5所示。

通过表2、表3结合图4—5可以看出，自由出流与淹没出流2种工况下的堰流和孔流相差并不明显，矩形孔的开孔大小对孔流占比影响较大，矩形孔面积大小关系为：矩形孔A<矩形孔B<矩形孔C<矩形孔D，当排沙孔由矩形孔A增大到矩形孔C时，随着矩形孔的开孔面积的增大，同一水头下的孔流流量也逐渐增大，孔流流量占比由19.78%增大到了28.29%，另外，可以看出排沙孔面积由矩形孔C增大到矩形孔D时，孔流对堰流的占比发生了较为明显的突变，孔流流量占比由28.29%增大到了44.11%，可知，开孔高度影响孔流对堰流的占比较为明显，开孔高度的增加对孔流占比的影响比开孔宽度的增加更为显著，可以将矩形孔C的尺寸确定为影响堰上测流的矩形孔临界尺寸。

表2 梯形堰矩形孔自由出流

表3 梯形堰矩形孔淹没出流

图4 两种工况下矩形孔大小对堰流量的影响

由图5可以看出，对于同一形状的矩形孔，随着上游水头的增大，其孔流流量也逐渐增大，淹没出流与自由出流二者的变化并不明显，矩形孔D的孔流流量最大。

图5 两种工况下4种矩形孔流量关系

3.2 不同形状的排沙孔流量统计(三角形孔)

自由出流与淹没出流两种工况下的堰流和孔流相差并不明显，三角孔的开孔大小对孔流占比影响较大，见表4—5，如图6—7所示，。三角孔面积大小关系为：三角孔A<三角孔B<三角孔C<三角孔D，当排沙孔由三角孔A增大到三角孔C时，随着三角孔的开孔面积的增大，同一水头下的孔流流量也逐渐增大，孔流流量占比由10.98%增大到了16.48%，另外，可以看出排沙孔面积由三角孔C增大到三角孔D时，孔流对堰流的占比发生了较为明显的突变，孔流流量占比由16.48%增大到了28.29%，可知，开孔高度影响孔流对堰流的占比较为明显，开孔高度的增加对孔流占比的影响比开孔宽度的增加更为显著，可以将三角孔C的尺寸确定为影响堰上测流的三角孔临界尺寸。