基于堰流的矩形明渠跌水量水研究

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1、灌溉排水学报２０１５年７月第３４卷第７期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｒｒｉｇａｔｉｏｎａｎｄＤｒａｉｎａｇｅ文章编号：１６７２－３３１７（２０１５）０７－００７８－０５基于堰流的矩形明渠跌水量水研究陈小攀１，２，李乃稳１，２，李龙国１，２，刘超１，２（１．四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都６１００６５；２．四川大学水利水电学院，成都６１００６５）摘要：基于堰流的测流原理，推求出矩形渠道自由跌水的流量理论计算公式，其中综合流量系数（ｍ）可由明渠底坡（Ｓ）和糙率（ｎ）共同确定，并针对６种明渠底坡（Ｓ）

2、、２种糙率（ｎ）进行了一系列模型试验。结果表明，矩形明渠量水堰过流顺畅，测流精确，综合流量系数ｍ与槡Ｓ／ｎ存在线性关系，流量试验值与理论计算值吻合良好。关键词：矩形明渠；流量测量；堰流；跌水中图分类号：Ｓ２７４．４文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．１３５２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｇｇｐｓ．２０１５．０７．０１６陈小攀，李乃稳，李龙国，等．基于堰流的矩形明渠跌水量水研究［Ｊ］．灌溉排水学报，２０１５，３４（７）：７８－８２．０引言水资源的高效利用离不开量水的精确计量。量水是一项基础性、关键性的技术，是促进节约用水，提高［

3、１］［２］用水质量和用水效率的有力措施。目前我国灌区量水设备及设施已达１００多种。但是，在渠道量水方面，堰类量水建筑物一般要求抬高底坎，容易造成淤积；孔类量水装置要求有压出流且孔口较小，易引起泥［３］沙、杂草等的壅积或堵塞；利用量水槽进行渠道量水，具有壅水高度小、不易淤积、量水精度高等优点，例如［４］巴歇尔量水槽、矩形无喉段量水槽，它们曾广泛应用于梯形和矩形渠道，但因缩窄渠道而对输水能力造成［２］影响，目前这２种量水槽都不被灌区管理部门推荐使用。［５］国内外利用跌水对渠道量水进行了大量研究，取得了显著成果。

4、Ｒｏｕｓｅ对水平矩形渠道自由跌水进行了大量试验研究，得出ＥＤＲ＝０．７１５（跌坎坎末水深与临界水深的比值），并建立了水平渠道时跌坎坎末水［６］深、ＥＤＲ和流量之间的关系式。Ｆｅｒｒｏ通过试验得出渠道的宽度不影响跌坎坎末水深ｈｅ和单宽流量ｑ之［７］［８］间的关系（ｎ＝０．０１４７）。Ｔｕｒａｎ、Ｋｕｔｌｕ分别在平均曼宁糙率系数为ｎ＝０．００９１、ｎ＝０．０１４７的渠道上针［９］对不同的渠道坡度做了系列试验，得出渠道坡度会影响跌坎坎末水深ｈｅ和流量Ｑ之间的关系。Ｔｉｇｒｅｋ则认为应该把矩形自由跌流量水分为缓流和

5、急流２种情况，且采用无量纲分析的方法并结合试验数据得出了［１０］ＥＤＲ值和糙率系数ｎ、坡度Ｓ之间的关系，进而得出跌坎坎末水深ｈｅ和流量Ｑ之间的关系。Ｇｕｏ根据边［５］［１１］界层理论提出了渠道自由跌流的简单数字计算方法，并将结果同Ｒｏｕｓｅ和Ｒａｊａｒａｔｎａｍ等的试验结果进［１２］［１３］行了对比，其吻合较好。Ｃｈｏｗ、Ｎａｇｈｄｉ等运用势流的方法求解了二维自由跌流问题，但没有给出一个比较实用的解析方程。在前人研究的基础上，通过试验研究，基于堰流测流原理提出了一种适用于急流流态下利用自由跌水进行明渠流量测

6、量的计算公式。１试验装置及试验参数的测定１．１试验装置试验在四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室进行，试验装置主要包括泵房、供水管道、调节阀门、水箱、试验渠道、蓄水池、薄壁堰（三角形、矩形）、地下回水渠道。试验中调整矩形明渠的渠道底收稿日期：２０１５－０３－０９基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（５１００９１０２，５１１７９１３３）作者简介：陈小攀（１９９０－），男。硕士研究生，研究方向为水利水电工程。Ｅ－ｍａｉｌ：１８３８１０５７６３１＠１６３．ｃｏｍ通讯作者：刘超（１９７５－），男。副教授

7、，博士，主要从事水利水电工程和农业水利工程研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｃｈａｏ＠ｓｃｕ．ｅｄｕ．ｃｎ７８坡，最大坡度可为０．１６１。试验渠道长、宽、高分别为１４．５、０．３、０．４ｍ，渠道边壁及底板粘上人工草皮后渠道净宽为０．２９ｍ。矩形渠道渠身是用１ｃｍ厚的玻璃镶嵌拼接在钢架体结构上，所有缝隙及接头均用玻璃胶进行表面抹平及防渗处理。为了获得试验所需要的明渠均匀流，在渠道前端安设水箱，用以稳定水流，当固定流量下的上下游水位稳定时，便形成了明渠恒定流。试验中取渠道中均匀流流段为水深量测对象。试验系统示意图如图１

8、。图１试验系统示意图１．２试验参数的测定试验主要测量的数据包括水深、流量等。水深的测量采用移动测针测量（可精确到０．１ｍｍ），该装置包含测针和移动底座。将此装置放在水槽上，沿水槽横向、纵向移动，即可测量水深。试验中较大流量的率定采用矩形薄壁堰，较小流量的率定采用三角形薄壁堰。通过上述步骤，求取明渠流量和均匀流流段的平均水深后，根据曼宁公式反率出渠道的平均曼宁糙率系数ｎ。同种明渠底坡下采用４个流量值，表１为跌流量水