梯形渠道

梯形渠道（共4篇）

梯形渠道 篇1

摘要：为解决现有方法求解梯形渠道水力最佳断面参数较为繁琐, 难以得出结果的问题, 本文根据梯形渠道水力最佳断面的宽深比计算公式及明渠均匀流计算公式, 推出了水力最佳断面水深的直接求解公式.与现有计算公式相比, 其步骤清晰、容易掌握、大大减少了计算量。

关键词：梯形渠道,水力最佳断面,快速确定方法

引言

梯形渠道是水利工程引水明渠中使用较多的一种渠道形式[1,2], 它具有开挖衬砌方量少 (在相同的过水流量、渠道比降及衬砌材料条件下比矩形渠道更为经济) 、施工简单 (几乎是挖方渠道中最简单的) 等优点[3]。在进行梯形渠道水力计算的过程中, 当流量、比降及糙率已知的情况下, 希望得到最小的过水断面面积, 以减少渠道开挖和衬砌工程量, 达到省工省料的目的，这在水力学中叫做水力最佳断面。几乎所有《水力学》书籍中都对梯形渠道水力最佳断面进行了推求, 但计算过程多比较繁琐，需要求解一个很长和复杂的一元高次方程[4]。因此，在流量、比降及糙率已知的情况下，探索梯形渠道水力最佳断面参数的快速确定方法就显得十分必要。针对以上问题, 笔者结合梯形渠道设计理论和工程实践经验, 推导出梯形渠道水力最佳断面参数较为方便的确定方法。该方法与传统计算方法相比, 具有计算简单、步骤清晰，容易掌握的优点。

1、梯形渠道水力最佳断面参数一般确定方法

梯形渠道的水力最佳断面 (通过一定流量时面积最小, 或过水面积一定时通过的流量最大) 应该满足的条件是[5]:

宽深比

按水力最佳断面设计梯形渠道的断面尺寸时, 通常采用的方法是:先由 (1) 式计算出宽深比βm, 推出底宽b与水深h的关系式, 再由曼宁公式求出谢才系数C值, 最后代入明渠均匀流计算公式中, 求解一个很长和复杂的一元高次方程, 最后得到渠道底宽b与水深h的取值。这样的做法虽然步骤明朗，但是计算步骤多, 比较复杂, 很容易出错。

2、梯形渠道水力最佳断面参数快速确定方法

2.1 计算的尺寸规定和公式简化

对梯形渠道的尺寸做如图1所示标定，其底宽为b, 水深为h边坡系数为m, 糙率为n, 底坡为i, 则

2.2 梯形渠道水力最佳断面参数确定步骤与实例

从以上分析及公式简化可以看出βm和D仅与梯形渠道的边坡系数m值有关。各种边坡下βm和D的取值见表1。在实际工程设计求梯形渠道水力最佳断面参数解时，首先考虑场地的实际边坡的稳定情况，确定一个比较合适的边坡系数m。由式 (11) 可知, 只要由梯形渠道的边坡系数m查表1得到βm和D, 就可根据糙率n和流量模数K () 的值直接求得水深h及底宽b。当然，由表中的βm取值看出, 当m值较大时, 梯形渠道的水力最佳断面是一种底宽小, 水深大的窄深式断面, 这种断面对施工和管理都是不利的。因此, 无衬砌的梯形渠道不宜采用水力最佳断面。

设计实例：

欲在某碎石土 (中密) 地基上修一条小型梯形渠道, 流量1.5m3/s, 采用混凝土预制块护面，n=0.017, i=1/2000，渠道边坡的容许坡度为1∶0.5 (高宽比) ，试设计渠道的水力最佳断面。

3、结论

由以上分析及计算举例可以看出，该方法步骤少，思路清晰，容易掌握。设计前的βm和D值可以按计算表达式计算，并列成表格供设计时查询。与传统的计算方法相比，确实具有一定的优越性，在工程设计时具有一定的参考价值。

参考文献

[1]李春, 马建国.梯形渠道水力计算的简化[J].吉林水利.1995, (4) :30-33.

[2]张迪, 卫玲, 张春娟.梯形渠道正常水深计算的迭代法[J].杨凌职业技术学院学报.2003, (3) :30-33.

[3]王开民.梯形渠道水力最佳断面边坡系数推求[J].陕西水力发电2000, (2) :9-11.

[4]陕西省水利学校.水力学[M].北京:水利出版社.1980.148-149.

[5]武汉水利电力学院.水力学[M].北京:高等教育出版社.1986.

现浇混凝土梯形渠道施工技术要点 篇2

关键词：梯形渠道,施工技术,现浇混凝土

1 现浇混凝土梯形渠道施工技术要点

现浇混凝土梯形防渗渠道的施工顺序, 通常是先浇渠底, 后浇渠坡。这样, 先浇的渠底混凝土板可作为渠坡浇筑时的支承, 避免滑动变形, 便于渠坡浇筑。施工时, 多按伸缩缝分块浇筑。渠底、渠坡一般都是跳仓法浇筑 (即先浇单数块, 后浇双数块) , 渠底有时也按顺序分块连续浇筑。跳仓浇筑法的优点是已浇块与新浇块浇筑时间相隔较长, 已浇块己经凝固硬化, 因此在新浇筑侧旁混凝土时, 其结构不会受到扰动连续浇筑法则易扰动已浇而未凝固的混凝土结构。结合本人工作实际, 整理、总结现浇混凝土梯形防渗渠道衬砌施工技术要点如下。

1.1 做好基础工作

浇筑混凝土前, 土渠基应事先酒水浸润;在岩石渠基上浇筑混凝土, 或需要与早期混凝土结合时, 应将基岩或早期混凝土凿毛、刷净后, 铺一层厚度为1~2cm的砂浆。有些渠道按设计要求, 在土渠基上部还需铺设防渗土工布。

1.2 立模

浇筑渠底板, 若系单数块时, 四侧均立侧板, 用木桩固定;浇双数块时, 纵向侧架立侧板, 横向侧紧靠已浇块, 并架立缝子板。板高应与混凝土衬砌面齐平。

渠坡在浇单数块时, 按浇筑块的长度先立两边的侧挡, 后立中部的压梁, 下端均用脚蹬钩固定, 中部及上部用固定钎固定;浇双数块时, 先立两边的缝子板 (与已浇块紧靠) , 后立中间的压梁。不论浇单数块、双数块, 如用人工或插入式振捣器插捣时, 均安设仓板, 并用对头木楔固定。为便于拆卸, 所用的缝子板, 事先应泡水;为避免粘模, 所有接触混凝土表面的模板应涂刷废机油。

1.3 入仓振捣

浇筑边坡时, 将拌好的混凝土倒入仓板内, 随倒随平, 使浆与骨料均匀分布。待装至一块仓板的2/3高度 (不大于25cm) 后, 即用人工或插入式振捣器插捣, 至出浆为止, 再安设第二块仓板, 使板缝合好, 上下齐平, 用木楔固定牢靠。如此, 继续入仓振捣, 直至活动模板用完。此时即拆除第一块仓板, 清理干净, 随即再进行安设, 继续浇筑。以此类推, 直至浇完。

采用插入式振捣器捣固时, 振捣器插入混凝土要快插、慢拔, 并插入下层混凝±5cm左右, 以免遗留孔洞。对于边角部位及钢筋预埋件周围, 应辅以人工捣固。人工捣固时, 应定人、定工具, 并明确工作范围和职责, 捣固程度以混凝土不再下沉、表面出浆为止。

在保证质量的前提下, 每块混凝土板的浇筑速度越快越好, 否则, 混凝土整平和收面工作不易保证质量。浇筑整块混凝土要一气呵成, 不能中途无故停顿, 如因某些原因不得不暂停浇筑时, 其间歇时间, 一般在常温下不得超过90min, 否则应按接缝处理。即将表面凿毛, 用清水冲洗干净, 并用胶水拌制、铺设砂浆后, 再进行浇筑, 以便结合牢固。

1.4 收面

采用仓板浇筑的, 在浇完后即拆去压梁和仓板, 整平表面, 开始收面。不用仓板浇筑的, 在振捣完后即可开始收面工作。

收面的工序是:先用长木抹 (30~⒛cm长) 粗抹一遍, 使表面平整, 稍停, 再用小铁抹细抹一遍, 最后待大量水分蒸发后, 再用小铁抹压抹一次, 直至达到密实、平整、光滑。

收面工作要求作到表面平整光滑、无石子外露、无蜂窝麻面。收面应在混凝土浇筑完后, 立即用原浆收面, 不得另外加浆上面。实践证明, 加砂浆上面的办法, 往往因与原浆配比不同, 结合不好, 冬季受冻后, 容易造成表层大量脱落, 费料费工, 对工程无益。

做好渠道衬砌混凝土的收面工作, 可以降低糙率, 提高过水能力, 增强防渗效果, 延长渠道使用时间。

1.5 拆模

压梁和仓板在浇筑完后, 即可拆除。侧挡最好在混凝土初凝后拆卸, 缝子板应在2~3天以后再拆除。拆模必须小心, 不可扰动混凝土的结构。拆缝子板时, 应先将其松动的一头略微撬起, 然后用木榔头沿板背轻轻敲打, 待全部松动后, 再从另一头撬起取出, 这样板子不易拆坏, 同时可以保证缝壁完整。所有模板拆卸后, 要立即整修, 清除附着物, 然后平放保管, 以备再用。

1.6 养护

常用的养护方法是, 在混凝土的表面覆盖湿草帘、湿芦席。一般在正常气温下, 混凝土浇筑后12h左右, 即应开始养护, 养护的时间随水泥品种、气候条件的不同而不同。如用普通硅酸盐水泥, 至少养护10~⒕天;用矿渣水泥或有掺合料的水泥, 则应养护14~21天。养护过程中应勤洒水, 经常保持混凝土表面处于湿润状态。

混凝土养护是保证和提高混凝土质量的重要环节, 尤其是现浇混凝土板, 一般结构较薄, 外露面较大, 水分吸收和蒸发较快, 养护工作尤为重要, 故应确定专人负责, 切实做好。

2 现浇混凝土梯形防渗渠道的优缺点

2.1 现浇混凝土梯形防渗渠道的优点

(1) 防渗效果好, 一般能减少渗漏损失90%~95%以上。小梁灌区总干渠采用现浇混凝土梯形防渗渠道12km, 在灌溉运行期间渗漏损失较小, 可与节制闸配合使用, 兼作水库预存水量, 分段调节配水5万余方, 效果良好。

(2) 耐久性好。在正常使用情况下, 混凝土衬砌渠道可运行50年以上。

(3) 糙率小, n=0.014~0.017, 可减少沿程水头损失;允许流速大, 一般为3~5m/s;坡降较陡时可节省连接建筑物, 缩小渠道断面, 减少土方工程量和占地面积。

小梁灌区不少渠段, 由于地形特殊, 采用现浇混凝土陡坡防渗渠道后, 不仅减少了土方工程量和连接建筑物, 节约了建设项目投资, 而且加快了工程进度。

(4) 强度高, 便于管理。由于混凝土衬砌强度较高, 能有效防止动、植物穿透或者其他外力的破坏;防止汛期水土流失造成渠道淤积;防止渠道冻融剥蚀, 便于养护管理和节省管理费用。

(5) 衬砌接缝少, 工程造价低。

(6) 可塑性强, 适应性广泛。对于不同的渠道断面、不同的土方工程, 可以改变现浇厚度, 也可以增加连接钢筋, 以增强整体性和稳定性等。

2.2 现浇混凝土梯形防渗渠道的缺点

(1) 适应变形的能力较差。由于现浇混凝土梯形渠道一般为素混凝土, 当其紧贴的土方发生局部塌陷时, 混凝土现浇板就会产生空鼓以至断裂现象。

(2) 返修费用高。当现浇混凝土渠道受到损坏后, 需清除损坏部分, 重新浇筑, 而预制板渠道如受损, 则经过整理土方后还可使用原拆除的预制板, 维修费用相对较低。

(3) 泥砂易淤积。尤其在泥砂含量较大、节制闸门或墩台较多、水流较缓的渠道, 淤积较为严重。

(4) 在缺乏砂石料的地区, 造价较高。

3 结语

梯形渠道 篇3

1 圆底三角形断面的水力计算

圆底三角形过水断面是以水面宽度的中点为圆心, 以最大水深为半径, 画一圆弧, 作为渠底, 和两侧边坡相切, 构成一个近似半圆形的过水断面, 如图1所示。这种过水断面和水力最优断面十分接近, 具有占地少、工程量省、输水能力大等优点, 可用于中小型渠道。

圆底三角形过水断面的水力计算公式如下:

过水断面:

式中A----过水断面面积, m2;h----最大水深, m;θ----渠道边坡和水平面的夹角。

过水断面的湿周:

式中p-------过水断面的湿周, m。

过水断面的水力半径:

根据断面平均流速公式可写成以下公式:

根据公式 (1—3) 可求出最大水深h, 即渠底圆弧的半径。

根据渠底床土质选定边坡系数m值, 按下式计算坡角θ值:m=ctgθ (1—5)

根据h、θ值即可画出渠道的过水断面。

水面宽度B可以从图上量出, 也可以用下式计算:

渠道平均流速应满足不冲不淤要求。

2 圆底梯形断面的水力计算

圆角梯形断面是以渠道的设计水深为半径, 将梯形断面底部两个拐角变成圆弧, 圆弧两端分别和渠底、边坡相切, 渠底两相切点间的距离为b, 圆心角为θ, 如图2所示。

把梯形断面两个拐角变为圆弧是提高渠道输水能力的一种有效方法。圆角梯形断面的水力计算公式如下:

过水断面面积:

过水断面的湿周:

渠道的输水能力:

公式 (1—9) 中包含着b, h两个求知数, 求解时, 必须补充一个条件, 或选择适宜的流速, 或选择适宜的水深。

根据渠床土质选择适当的θ值, 再求出b、h值就可画出渠道的过水断面, 水面宽度B可从图上量得, 也可以用下式计算:

渠道流速应满足不冲不淤要求。

3 U型断面的水力计算

U型断面的水力最优断面, 具有较大的输水输沙能力, 占地较少, 省工省料, 而且由于整体性好, 抵抗基土冻胀破坏的能力较强。因此U型断面受到普遍欢迎, 在我国已广泛使用, 多用混凝土现场浇筑。

图3为U型断面示意图, 下部为半圆形, 上部为稍向外倾斜的直线段。直线段下切于半圆, 外倾角a=5~20o, 随渠槽加深而增大。较大的U型渠道采用较宽浅的断面, 深宽比H/B=0.65~0.75, 较小的U型渠道则宜窄深一点, 深宽比可增大到H/B=1.0.U型渠道的衬砌超过a1和渠提高a (堤顶或岸边到加大水位的垂直距离) 可参考表1确定。

U型断面有关参数的计算公式见表2。

U型断面水力计算的任务是根据已知的渠道设计流量Q、渠床糙率系数n和渠道比降i求圆弧半径r和水深h。由于断面各部分尺寸间的关系复杂, U型断面的设计, 需要借助某些尺寸的经验关系, 如公式 (1—11) 和表3给出的经验关系。设计步骤如下:

(1) 确定圆弧以上的水深h2圆弧以上的水深h2和圆弧半径r有以下经验关系h2=Nar (1—11)

式中Na———直线段外倾角为a时的系数。a=0时的系数用N0表示。

直线段外倾角为a和N0值都随圆弧半径而变化, 见表3。

为了保持圆心以上的水深于a=0是相同, 则应遵守以下关系:Na=N0+sina (1—12)

(2) 求圆弧半径r将已知的有关数值代入明渠均匀流的基本公式, 就可得到圆弧半径的计算式:

式中θ———圆弧的圆心角, rad;

Q———渠道的设计流量, m3/s;

r———圆弧半径, m;

a———直线段的倾斜角, (°) 。

(3) 求渠道水深h

(4) 校核渠道流速计算过水断面面积:

计算断面平均流速:该断面平均流速应满足不冲不淤要求。

4 计算实例

[例]某斗渠拟采用混凝土U型断面, Q=0.8m3/s, n=0.014, i=1/2000, 计算过水断面尺寸。

解:根据经验估计r=60~80cm, 查表3, 选择a=10°N0=0.3。

参考文献

[1]李炜主编, 水力学计算手册, 中国水利水电出版社, 2006年6月第二版.

[2]武汉水利电力学院主编, 农田水利学, 水利出版社, 1980年12月第1版.

梯形渠道 篇4

目前,无喉道量水槽的研究主要局限于矩形渠道无喉道量水槽[2]和U形渠道抛物线形无喉道量水槽[3,4],针对弧底梯形渠道还缺乏相应的量水设施研究。弧底梯形渠道不仅基本具备水力最佳断面,水流条件好,断面曲线平滑,更适应北方寒冷地区因渠底土体高含水量所产生的冻胀变形及冻害破坏,在北方灌区和输水工程中得到广泛应用[5]。随着计算机技术的迅速发展以及计算方法的优化改进,利用计算流体动力学(CFD)对物理模型进行数值模拟被越来越多的采用[6]。朱亚磊等[7]采用RNGk-ε湍流模型对平坦V形量水堰进行数值模拟,得到不同条件下相应的流场,结果表明数值模拟方法能够准确模拟明渠三维水流特性。吉庆丰,袁晓渊等[8]采用RNGk-ε湍流模型及VOF方法处理自由水面,数值模拟了梯形渠道圆柱形量水槽三维水流运动,通过对多个流量情况的计算,获得了驻点水深、水面位置、三维水流流态等量水槽水力特性。现有的研究成果均表明数值方法可以准确模拟量水槽内部流场及各项水力特性,但对其水力性能的影响因素还缺乏深入研究。本研究针对弧底梯形渠道提出了一种新的无喉道量水槽,并采用RNGk-ε湍流模型和VOF方法相耦合,对弧底梯形渠道无喉道量水槽进行三维数值模拟,并从渠道比降和喉口收缩比等方面对量水槽的水力性能进行分析,以确定其水力性能与各影响因素之间的关系,为量水槽的进一步研究及其优化推广提供了新思路。

1 无喉道量水槽物理模型与方案设计

1.1 量水槽物理模型

弧底梯形渠道无喉道量水槽由进口收缩段,出口扩散段以及喉口三部分组成,通过调整喉口断面弧底半径R,使量水槽形成侧收缩,收缩比为ε=A0/A,即喉口断面面积A0与渠道断面面积A之比。当水流通过量水槽收缩段时,过流断面缩窄,只要喉口宽度合理,便可以产生平稳的水面跌落,使下游水流在相当大的范围内不会影响上游水流,从而形成单一稳定的水位流量关系,以达到测流的目的。弧底梯形渠道无喉道量水槽结构如图1所示。

图1中:W为量水槽喉口宽度,L为量水槽长度,B为渠顶宽度,H为渠道高度,h为上游水深,θ为渠道底弧圆心角,R为渠道底弧半径,m为渠道边坡系数。

1.2 数值试验方案与设计

试验选取4种不同收缩比的量水槽在不同底坡范围内进行综合数值试验模拟研究,以期验证数值模拟的可行性,确定量水槽的水力性能与各影响因素之间的关系。渠道参数及数值试验方案如表1所示。

2 数学模型

2.1 数值计算方法

本文采用RNGk-ε湍流模型封闭雷诺时均应力方程,VOF方法追踪自由液面,其基本控制方程[6]如下所述。

2.1.1 连续性方程和N-S方程

一般来讲,对于不可压缩黏性流体运动,根据基本物理守恒定律,过槽水流为牛顿流体,则量水槽测流可用连续性方程和Navier-Stokes方程[9]描述。

连续性方程:

Navier-Stokes方程:

式中:ρ为流体密度;ui、uj分别为沿i和j(i、j为笛卡儿坐标中的x、y或z)方向的速度分量;xi、xj分别为沿i和j方向的坐标分量;p为压力;μ为流体动力黏滞系数;为各脉动流速分量;Si为单位体积上体积力。

2.1.2 RNGk-ε模型

RNGk-ε湍流模型通过修正湍动黏度,可以更好的处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动,湍动能方程k及湍动耗散率方程ε 为:

式中:μt为湍动黏度,可由k、ε求出:

Gk是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项,由下式计算:

在ε方程中增加了一项,从而反映了主流的时均应变率Eij:

其中Cu=0.084 5,αk=αε=1.39,C1ε=1.42,C2ε=1.68,η0=4.377,β=0.012。

2.1.3 VOF模型

VOF(The Volume of Fluid)模型是通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的容积比来模拟两种或三种不能混合的流体。在水气二相流中,假设函数aw和aa分别代表计算域中每一控制单元内水和气的体积分数,则aw=0,0<aw<1,aw=1分别表示控制单元内完全充满气体,存在水气交界面和完全充满水。且二者之间的关系为:

其体积分数可根据如下连续性方程实现:

式中:ui和xi分别为速度分量和坐标分量。

2.2 几何模型与网格划分

本数值模拟试验选取渠道长30m左右,以量水槽为原点,上下游各取渠长15m进行研究。坐标原点取在渠道进口断面圆弧中心点处,取渠道顺水流方向为x轴正方向,沿宽度方向向左为y轴正方向,沿高度方向向上为z轴正方向。本文通过matlab选型,初步选取0.61,0.65,0.69和0.75四种收缩比进行数值试验,利用AUTOCAD建立三维几何模型,将所建模型导入到Gambit中进行网格划分。为使渠道内水流模拟逼真,对整个模型采用计算精度较高的六面体非结构网格进行划分,并对量水槽段采用局部加密网格处理,由于渠道左右对称,故对计算域取一半进行研究,网格总数约为3.0×105个。与四面体混合网格相比,六面体非结构网格产生的数值耗散更小,能够有效降低数值模拟的误差。

2.3 计算方法与边界条件

2.3.1 计算方法

本文采用隐式VOF方法追踪自由液面,RNGk-ε湍流模型封闭雷诺时均N-S方程,有限体积法对控制方程进行离散,离散格式采用稳定性较高的一阶迎风(First-Order-Upwind)格式,压力速度耦合采用瞬态PISO算法。设置进出口质量流量(Mass Flow Rate)监测器,求解变量的收敛判据均为0.000 1,当监测曲线的值基本保持不变时认为计算收敛。

2.3.2 边界条件

渠道进口边界分为上部的空气入口和下部的水入口,分别给定边界条件为压力入口(PRESSURE INLET)和速度入口(VELOCITY INLET),出口边界条件给定压力出口(PRES-SURE OUTLET),在边界条件中设置各项的湍流参数,可根据如下公式求得。

湍动能k的计算式:

式中:u′和ū分别为湍流脉动速度和平均速度;为按水力直径DH计算得到的雷诺数,按等效水力直径确定。

湍动能耗散率ε的计算式:

式中:Cμ取0.09;l为湍流长度尺度;L为关联尺寸,可取水力直径,l=0.07L。

渠道整个底部及边壁选择固壁边界条件(WALL),并设置无滑移选项,近壁面采用标准壁函数法处理。以ε=0.69为例,在底坡i=1/1 000和1/1 800范围内湍流参数设置如表2所示。

3 计算结果与分析

3.1 模型验证

为了检验数值模拟的准确性和可靠性,本文根据选定的设计水深(h=0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2m),运用理论流量公式计算出相应渠道流量。读取控制断面的水位和流速数据,并依此计算相应模拟流量,将模拟流量与渠道流量进行对比分析。量水槽流量与渠道流量对比见表3。

从表3可以看出,当ε=0.61和0.65时,小水位测流误差较大,其余模拟结果与计算结果误差均控制在较小范围内,平均误差为2.72%,满足灌区要求的测流精度(<5%)。从而说明数值模拟具有一定的可靠性。

3.2 不同收缩比下的水位流量关系

以i=1/1 000和i=1/1 400为例,不同喉口收缩比时水位与流量关系见图2(a)、(b)。从图2可以看出,各收缩比下的水位流量呈现良好的指数相关关系,相关系数可达0.999。同一渠道比降下,不同收缩比对量水槽自由出流流量影响较大,随收缩比的增加,水位与流量关系曲线下移。

3.3 不同底坡下的水位流量关系

研究底坡在1/800~1/3 500范围内水位流量的变化规律,可知量水槽在一定底坡范围内可形成单值稳定的水位流量关系。如图3(a~d)所示,ε>0.75时,1/800~1/1 400坡降范围内难以形成统一的Q~h关系;ε=0.75时,1/800~1/1400坡降范围内,量水槽具有统一的Q~h关系;ε=0.69时,1/1 000~1/1 800坡降范围内,量水槽具有统一的Q~h关系;ε=0.65时,坡降范围可扩大至1/1 000~1/2 000;ε=0.61时,最缓坡降可达1/3 500。可见随收缩比的减小,量水槽逐渐在较大底坡范围内形成统一的Q~h关系且最大收缩比不宜超过0.75。

3.4 不同收缩比及底坡下弗劳德数变化规律

为了保证测流精度,量水槽上游渠道的流速水头不应太大,避免水流在接近量水槽处形成驻波,而无法精确的读出上游水深,因此明渠测流规范要求上游渠道弗劳德数Fr要小于0.5[10]。本文研究了i=1/1 400时不同收缩比情况下Q~Fr关系和ε=0.61时不同底坡情况下的Q~Fr关系。研究结果见图4和图5。从图4可以看出,随着收缩比增大,弗劳德数逐渐增大,同一收缩比下,弗劳德数随流量呈缓慢增加的趋势,但最大值不超过0.5。从图5可以看出,在流量一定时,弗劳德数随底坡增大变化不大,且小流量时弗劳德数变化较大。因此,上游断面弗劳德数与量水槽收缩比有关,应选择相对较小的收缩比,从而不影响测流精度。

3.5 不同收缩比及底坡下壅水高度变化规律

由于渠道过流断面的减小,与原有渠道相比,在渠道内设置量水槽后势必造成一定的上游壅水。实践表明渠道壅水高度应有一个合理的范围,过大的上游壅水可能造成流速降低进而促使渠道产生淤积,同时需要加高渠堤,还会增大水面蒸发面积。过小的上游壅水可能影响临界流的发生[11]。表4为不同收缩比及底坡下壅水高度的变化规律。

由表4可知,收缩比和底坡一定时,随着流量增大,量水槽上游壅水高度也逐渐增大,且小流量时壅水高度变化较大,大流量时基本不变。同一收缩比流量不变时,量水槽上游壅水高度随底坡的变缓而逐渐减小。在渠道底坡i=1/1 200,收缩比ε=0.75时,上游壅水高度变化范围为0.72~1.81cm,壅水高度较小,过小的上下游水位差会导致喉口附近不易形成临界流。小底坡下收缩比越小,量水槽的上游壅水高度越大,在渠道底坡i=1/1 000,收缩比ε=0.65时,上游壅水高度最高可达16.91cm,壅水较大,易导致水头损失的增加从而影响量水槽的测流精度。综上所述,量水槽合理收缩比的选择应视渠道底坡而定,底坡较小的渠道应选取较大的收缩比,底坡较大的渠道应选取较小的收缩比,同时为保证测流精度,底坡较大时可适当缩小测流范围,本文研究的大渠道量水槽具有较宽的自由出流范围,其适宜测流范围为0.27~5.63m3/s。

3.6 不同收缩比下水头损失变化规律

水流在通过弧底梯形渠道无喉道量水槽时,由于侧收缩的存在,速度沿水流方向增加,由于水流的混掺碰撞产生了局部水头损失,由渠槽边壁摩擦产生的沿程水头损失远小于局部水头损失,因此可以忽略不计。将上游观测断面至量水槽入口段、量水槽收缩段和出口扩散段作为一个整体研究量水槽的局部水头损失,根据数值试验结果,提取上游水深和下游水深,上游断面平均流速和下游断面平均流速来研究量水槽收缩比对上下游水头损失的影响。图6反映了底坡i=1/1 400时不同喉口收缩比下量水槽的水头损失占上游总水头的比例(相对水头损失),结果显示,当喉口收缩比为0.61~0.75时,不同流量下的相对水头损失无明显变化规律,但平均相对水头损失随收缩比的减小而变大,这是因为收缩比越小,使得侧收缩越大,边界条件急剧变化,水流混掺作用更加强烈,局部水头损失增大。同一收缩比时,除个别观测点外,量水槽的相对水头损失随流量的增大而变小,且这种趋势在大收缩比时比较明显,这是因为量水槽侧收缩变小,槽身阻水能力减小,从而局部水头损失变小。无喉道量水槽相对水头损失最小值为0.43%,最大值为8.61%,水头损失平均占上游总水头的4.13%,小于长喉道量水槽的13%。

4 结语

本文采用RNGk-ε湍流模型和VOF方法相耦合,对弧底梯形渠道无喉道量水槽进行了三维数值模拟,分析了渠道比降和喉口收缩比与量水槽水力性能的关系。将模拟流量与渠道流量进行对比分析,得出测流平均误差为2.72%,表明该数值模拟方法有效可行;喉口收缩比与渠道比降对形成单值稳定的水位流量关系有较大的影响,随着收缩比的减小,量水槽逐渐在较大的底坡范围内形成统一的水位流量关系;上游断面弗劳德数随渠道流量的增加缓慢增加,但最大值不超过0.5,满足灌区测流要求;适宜喉口收缩比的选择应视渠道底坡大小而定,底坡较小的渠道应选取较大的收缩比,底坡较大的渠道应选取较小的收缩比;量水槽平均相对水头损失为4.13%,水头损失较小。针对弧底梯形渠道提出的弧度梯形无喉道量水槽结构简单,适用性强,各项性能指标均满足测流要求,为量水槽的进一步研究及其优化、推广提供了新思路。

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