CN102206936B - 灌溉剅管系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种灌区输水建筑物，尤其涉及一种灌溉剅管系统，其IPC国际专利分类号为E02B 13/00。该灌溉剅管系统，包括输水剅管、量水短管、前测压管、后测压管和尾水池，所述量水短管前端设承插口与所述输水剅管连接，所述量水短管内设有管径由大变小的变管径段，所述前测压管设于所述变管径段前面的量水短管中，所述后测压管设于所述变管径段后面的量水短管中；所述量水短管后端与尾水池连接，所述尾水池出口处的高程与量水短管出水口过水断面的顶部平齐。与现有技术相比，本发明的灌溉剅管系统造价低、结构简单，操作方便，既可输水，还能直接量测剅管内的过水流量，且量测较准确。

Description

灌溉剅管系统

技术领域

本发明涉及一种灌区输水建筑物，尤其涉及一种灌溉剅管系统，其IPC国际专利分类号为E02B 13/00。

背景技术

灌溉剅管是一种埋设于输水渠道两侧堤身下，用于从渠道取水的小口径低压混凝土输水圆管，管内径多在20cm至30cm之间。剅管在灌区使用广泛，特别是位于山区、丘陵区的南方灌区，受地形影响，这种灌区的往往存在大量的小面积灌溉区域，对于这种小面积的灌溉区域，往往采用灌溉剅管直接从渠道引水灌溉。对于灌溉剅管来说，目前还尚无较理想的量水手段。有的灌区采用水表，但水表造价较高，且维护不方便；另一种替代方法是在剅管后的渠道中进行量水，但剅管与渠道量水点之间的水量损失无法计量。大型渠道或灌区，可以利用灌溉渠系上的配套水工建筑物，如闸、涵、渡槽、倒虹吸等量水，但对于尺寸、输水量小得多的灌溉剅管，目前的量水建筑物，造价相对较高，而且结构形式也不适用。因此，提供一种结构简单、造价低、易于维护、即可输水、又具有量水功能的灌溉剅管系统，是水利灌溉领域急需解决的问题。

发明内容

本发明为了克服现有技术的不足，而提供的一种造价低、结构简单，操作方便，同时具有量水功能的灌溉剅管系统。本发明采用的技术方案：

一种灌溉剅管系统，包括输水剅管、量水短管、前测压管、后测压管和尾水池，所述量水短管前端设承插口与所述输水剅管连接，所述量水短管内设有管径由大变小的变管径段，所述前测压管设于所述变管径段前面的量水短管中，所述后测压管设于所述变管径段后面的量水短管中；所述量水短管后端与尾水池连接，所述尾水池出口处的高程与量水短管出水口过水断面的顶部平齐；所述变管径段尾部的截面圆直径d为所述变管径段首部的截面圆直径的

倍，前测压管到变管径段首部的距离为2d，后测压管到变管径段尾部的距离为2cm，变管径段的长度为2d。

与现有技术相比，本发明的技术方案，具有以下技术效果：

1、本发明的灌溉剅管系统结构简单、巧妙，操作方便，造价低；

2、本装置既可输水，还能直接量测剅管内的过水流量

3、巧妙设置变管径段尾部和首部截面圆直径的比例关系以及前后测压管的位置，使量测较准确。

4、使尾水池出口处的高程与量水短管出水口过水断面的顶部平齐，使尾水池内的水流更加平稳，减少对量水短管内水流的影响，等于变相延长了量水短管出水段的长度，使后测压管的水头读数更加准确、稳定，增加了过水流量的量测的准确性，使尾水池做到了一物两用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的水力学计算示意图。

其中，1-输水剅管、2-量水短管、3-承插口、4-变管径段、5-前测压管、6-后测压管、7-尾水池，8-输水渠堤身，①断面为前测压管所在过水断面，②断面为后测压管所在过水断面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

参见图1，本发明的灌溉剅管系统，包括输水剅管1、量水短管2、前测压管5和后测压管6。所述量水短管2前端设有承插口3，所述输水剅管1通过所述承插口3与所述量水短管2连接，所述量水短管2内设有管径由大变小的变管径段4，所述前测压管5设于所述变管径段4前面的量水短管2中，所述后测压管6设于所述变管径段4后面的量水短管2中。所述量水短管2后端与尾水池7连接。

所述尾水池7出口处的高程与量水短管2出水口过水断面的顶部平齐，这样，使尾水池内的水流更加平稳，减少对量水短管2内的水流的影响，等于变相延长了量水短管2出水段的长度，使后测压管6的水头读数更加准确、稳定，增加了过水流量的量测的准确性，使尾水池7做到了一物两用。

本发明的灌溉剅管系统，变管径段4尾部截面圆的直径d为首部截面圆直径的倍，前测压管5到变管径段4首部的距离为2d，后测压管6到变管径段4尾部的距离为2cm，变管径段4的长度为2d。采用上述的比例和尺寸设置，是发明人通过大量的工程实践和相关试验得到的。这样，一方面可以大大简化与结构相应的数学模型，提高测量的准确性，另一方面，也使本发明的技术方案在施工时更具有操作性。

说明：本发明所述的“管径”和“直径”都是指内径。

本发明的使用方法：参见图1，当正常工作时，通过前测压管5和后测压管6分别量取变管径段4前、后的水头，计算出变管径段4前后的水头差H，然后建立数学模型计算出剅管内的过水流量。

由于本发明的灌溉剅管系统在满管状态下工作，变管径段前、后均被淹没。本系统的过水流量计算方法如下：

参见图2，将前测压管5所在过水断面命名为①断面，后测压管6所在过水断面命名为②断面。根据伯努力方程得：

$h_1+\frac{{\mathrm{\α}}_1{v}_1^2}{2g}=h_2+\frac{{\mathrm{\α}}_1{v}_2^2}{2g}+H_{\mathrm{loss}}$

式中：h₁--断面①的测压管水头(前测压管5直接读数)，m；

h₂--断面②的测压管水头(后测压管6直接读数)，m；

v₁--断面①的流速，m/s；

v₂--断面②的流速，m/s；

H_loss--断面①到断面②的水头损失，m；

α₁--断面①的动能修正系数；

α₂--断面②的动能修正系数；

本发明可以取α₁＝α₂＝1.05＝α，移项简化有：

$h_1-h_2=\mathrm{\α}(\frac{v_2^2}{2g}-\frac{v_1^2}{2g})+H_{\mathrm{loss}}$ 式(1)

则 $\mathrm{\ΔH}=h_1-h_2=\mathrm{\α}(\frac{v_2^2}{2g}-\frac{v_1^2}{2g})+H_{\mathrm{loss}}$ 式(2)

根据水流的连续方程，对断面①与断面②，则有：

A₁v₁＝A₂v₂式             (3)

式中：

A₁--断面①的过水面积，m²；

A₂--断面②的孔口过水面积，m²；

对于本发明的灌溉剅管系统，确定

因此有

代入式(2)，则有：

$\mathrm{\ΔH}-H_{\mathrm{loss}}=\mathrm{\α}(\frac{v_2^2}{2g}-\frac{v_2^2}{2^2\×2g})$ 式(4)

$v_2=\sqrt{\frac{8g}{3\mathrm{\α}}(\mathrm{\ΔH}-H_{\mathrm{loss}})}$

则 $Q=A_2{v}_2=\mathrm{\π}{r}^2\·\sqrt{\frac{8g}{3\mathrm{\α}}(\mathrm{\ΔH}-H_{\mathrm{loss}})}=\frac{2\mathrm{\π}}{3}{r}^2\sqrt{\frac{6g}{\mathrm{\α}}(\mathrm{\ΔH}-H_{\mathrm{loss}})}$ 式(5)

式中：

Q--灌溉剅管的流量，m³/s；

r--断面②的孔口半径，m。

应用边界层理论分析流经剅管变管径段的水头损失H_loss。

水头损失H_loss包括测压断面①到变管径段间的水头损失ΔH_a，变管径段的水头损失ΔH_b，变管径段尾部出口扩散损失ΔH_c，各损失分别计算如下：

①水头损失ΔH_a

因为该段水流边界层已充分发展为紊流边界层，所以C_F值取为常数：0.00235。用边界层理论计算该段水头损失的公式如下：

${\mathrm{\Δ}H}_a=\frac{L_a{v_1}^2}{R_1}\frac{C_F}{2g}$ 式(6)

式中：L_a--测压断面①到渐变段间的长度，m；

R₁--测压断面①的水力半径，m。(满管流，水力半径＝面积/湿周＝r₁/2)

r₁--断面①的孔口半径，m。

②变管径段的水头损失ΔH_b

变管径段水流边界层也处于紊流状态，故C_F值亦取为0.00235。

变管径段水头损失ΔH_b的计算采用平均水头损失公式计算：

${\mathrm{\ΔH}}_b=\frac{0.00235L_b}{4g}(\frac{v_1^2}{R_1}+\frac{v_2^2}{R_2})$ 式(7)

式中：L_b--变管径段沿水流方向的水平投影长度，m；

v_b--变管径段入口断面的水流平均流速，m/s；

R₂--断面②的水力半径，m。(满管流，R₂＝面积/湿周＝r/2)

③变管径段尾部出口扩散损失ΔH_c

即扩散时由于动能未完全转化为势能而造成的水头损失，可用下面的方程计算：

ΔH_c＝ξ(v₂-v₁)²/(2g)              式(8)

其中；ξ--能量损失系数，是下游扩散段坡降的函数。可由下式计算出ξ的值：

$\mathrm{\ξ}=\frac{\lg \left(57.3\mathrm{\π}\right)-0.165}{1.742}$ 式(9)

则H_loss＝ΔH_a+ΔH_b+ΔH_c

灌溉剅管的流量计算过程：

步骤一：假定水头损失H_loss为零，用式(5)计算出理想流量；步骤二：将理想流量代入式(6)-(8)，计算出H_loss，然后再代入式(5)计算出一流量；步骤三：重复计算步骤二，直到两流量之差满足计算精度的要求。

本发明的保护范围并不限于上述的实例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (1)

1.一种灌溉剅管系统，包括输水剅管(1)、量水短管(2)、前测压管(5)、后测压管(6)和尾水池(7)，所述量水短管(2)前端设承插口(3)与所述输水剅管(1)连接，所述量水短管(2)内设有管径由大变小的变管径段(4)，所述前测压管(5)设于所述变管径段(4)前面的量水短管(2)中，所述后测压管(6)设于所述变管径段(4)后面的量水短管(2)中；所述量水短管(2)后端与所述尾水池(7)连接，所述尾水池(7)出口处的高程与量水短管(2)出水口过水断面的顶部平齐；所述变管径段(4)尾部的截面圆直径d为所述变管径段(4)首部的截面圆直径的

倍，前测压管(5)到变管径段(4)首部的距离为2d，后测压管(6)到变管径段(4)尾部的距离为2cm，变管径段(4)的长度为2d。

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